林冠模拟氮沉降和降雨对森林土壤CO2、CH4和N2O通量的影响

Future increases in atmospheric nitrogen (N) deposition and rainfall have been predicted to affect a range of biogeochemical processes in forest ecosystems that control the production and consumption of three principal greenhouse gases (CO2, CH4, and N2O), and then accelerate global warming process. However, most experimental additions of N and water to forest ecosystems directly applied the N and water to the forest floors, bypassing important processes of N and water taking place in the canopy. This method is less-than-ideal for simulating atmospheric N deposition and rainfall ehancement compared to an experiment that is similar to the natural process. In previous studies, which applied N and water directly to forest floors, the effects of simulated N deposition and rainfall on soil CO2, CH4 and N2O fluxes might have been overestimated by not assessing canopy assimilation and immobilization. In this project we will contrast the differences in the response of soil CO2, CH4 and N2O fluxes to N addition between onto canopy and floor. We also will investigate the processes and mechanisms of CO2, CH4 and N2O fluxes response to the interactions between N and water addition onto the canopy. To quantify these processes, we will carry out a large-scale Canopy Addition N and Water Experiment (CAN-WE) in a mixed forest in central China. The result will provide new understanding on the responses of forest soil CO2, CH4 and N2O fluxes to environmental changes, and the useful information to sustainable forest and environmental management.

大气氮沉降和降雨改变可影响森林土壤CO2、CH4和N2O通量，进而将影响全球气候变暖进程。以往相关研究普遍采用林下模拟氮沉降和降水转移的方法，绕过了冠层的吸收、转化和截留等一系列重要过程，是否高估了模拟氮输入和降雨改变对森林土壤CO2、CH4和N2O通量的影响程度？目前不得而知。在前期青年科学基金研究的基础上，本项目拟利用国内外首个建成的“林冠模拟氮沉降和降雨”野外控制实验平台（CAN-WE），开展“林冠模拟氮沉降和降雨对土壤CO2、CH4和N2O通量影响”的研究，旨在：1）对比林冠和林下氮输入对土壤CO2、CH4和N2O通量的影响差异及机理；2）揭示土壤主要温室气体通量对林冠增雨和氮沉降交互作用的响应及机理。本项目是前期青年基金的延续，可更真实、系统地评估森林土壤CO2、CH4和N2O通量对环境变化的响应规律；同时，利用已建成的先进技术平台，可在全球变化相关领域得出原创性成果。

大气氮沉降和降雨改变可影响森林土壤CO2、CH4和N2O通量，然而以往相关研究普遍采用林下模拟实验方法，忽略了发生在冠层的一系列生态过程，目前还不清楚是否高估了模拟氮输入/增雨对森林土壤主要温室气体通量的影响程度。本项目利用已建成的“林冠模拟氮沉降和降雨实验平台”和“森林氮磷及其交互作用长期样地”，研究了我国温带和南亚热带典型森林土壤CO2、CH4和N2O通量对不同方式（林下vs林冠）模拟氮沉降及林冠增雨的响应特征，为探讨机理，同期开展了氮磷交互作用、生物固氮、冠层生理过程等相关研究。结果发现，林冠对氮沉降具有截留作用，叶片可直接吸收NH4+、淋出交换性离子(Mg2+、Ca2+、K+等)；森林土壤N2O排放对“林下”和“林冠”模拟施氮处理的响应存在差异性；林下模拟施氮促进南方“富氮”森林土壤N2O排放，磷添加可缓解该促进作用；林冠施氮（4年）显著提高微生物及细根生物量，进而增强温带森林土壤呼吸（CO2排放）；林冠增雨促进温带森林土壤CH4吸收，尤其在春、秋干旱季；林下施氮削弱南方“富氮”森林土壤CH4汇功能，磷添加可缓解该削弱作用；氮沉降可抑制“富氮”森林生物固氮能力，然而以往的研究（采用“林下模拟施N”方法）氮沉降对温带森林生物固氮速率的抑制作用可能高估了4-5倍。本项目成果已发表SCI学术论文7篇，单篇影响因子全部在3-5之间（IF2016总和=27.567）。这些结果，不仅可以更真实、系统地评估我国森林土壤CO2、CH4和N2O通量对未来环境变化的响应特征，同时也表明 “林下”模拟施N的方法可能只适用于热带森林对氮沉降响应的研究、而无法真实地反应温带地区森林生态系统的响应规律。在全球变化背景下，这些发现对于调控大气温室气体浓度方面具有重要的现实意义，一方面为评估未来氮沉降及降雨改变对我国森林土壤主要温室气体通量的影响提供数据支持，另一方面，为开展“林冠”与“林下”模拟氮沉降对森林生态系统的影响研究提供了科学依据。