森林穿冠水硝酸根氮氧同位素变化机理研究

Nitrate is one of the primary elements of atmospheric nitrogen deposition. Studies regarding the effect of forest canopy on the behavior of nitrate inputs concern accurately evaluate nitrogen status and its cycle processes in forest ecosystems. However, the geochemical behaviors and the process mechanism of nitrate through canopy to forest soils remain poorly understood. This project, by combining methods of stable isotope geochemistry and forest hydrology, is conducted in evergreen coniferous plantation and deciduous broadleaved forest, which are two typical forest species in North China. The nitrate concentrations and its nitrogen and oxygen isotopic compositions of bulk precipitation, throughfall and stemflow will be detailedly analyzed to depict their change characteristics under the two forest species and different precipitation patterns (e.g., rainfall amount and rainfall intensity). The effects of stand structural factors (e.g., leaf area index and leaf shape) and precipitation patterns on these above changes are then examined. Further, by means of nitrogen and oxygen isotope mass balance, the relative contributions of leaf particles elution and canopy biological nitrification on the concentrations and isotopic compositions of throughfall nitrate will be explored to illustrate the geochemical behavior changes and the process mechanism of nitrate during canopy passage. This project aims to deepen the application of stable isotopes for exploring the process mechanisms of atmospheric nitrogen inputs in forest ecosystems, and provide scientific evidences for accurately evaluating forest nitrogen cycle and nitrogen deposition effects.

硝酸根是大气氮沉降的重要化学组分之一。研究森林树冠对大气硝酸根输入的影响关系到森林生态系统氮状态和循环过程的准确理解。然而，穿冠输入森林土壤的硝酸根的地球化学行为特征及其过程机制并不十分清楚。本项目结合稳定同位素地球化学和森林水文学的方法原理，选取我国华北地区代表性常绿针叶林和落叶阔叶林，详细分析大气降水、穿冠水和树干流硝酸根的浓度和氮氧同位素组成。通过它们在两种森林类型和不同降水特征（降水量、降水强度等）下的差异和变化，探讨林分因子（叶面积指数、叶片形态等）和降水特征对其变化特征的影响。进而，应用氮氧同位素质量平衡原理，分析叶面洗脱和树冠硝化作用对穿冠水硝酸根浓度和同位素组成的相对贡献，阐明穿冠输入森林土壤的硝酸根地球化学行为特征及其过程机理。本项目能够深化硝酸根同位素方法理论在森林生态系统大气氮输入过程研究中的应用，为森林氮循环和氮沉降效应的准确评价提供基础科学依据。

准确理解森林生态系统大气酸性和碱性化学组分的穿冠输入过程机制是更好地评估大气沉降的生态效应以及生态系统营养元素状态和平衡的关键环节。不同森林类型和不同气候条件下大气化学组分穿过树冠后的浓度和通量改变的程度和方向并不相同，大气化学组分穿冠输入的地球化学行为特征及其过程机制亟待进一步阐明。本项目通过分析我国代表性温带森林和亚热带森林冠层对大气干湿沉降的影响，得到以下主要结论：1）通过解析穿透雨氢氧同位素组成的空间变化特征，发现林冠郁闭度与穿透雨同位素组成呈现显著性负相关，显著性正相关和无显著相关三种关系，这三种相关关系在不同气象因素（风速，降雨强度和温度）影响下呈现较好的分布趋势，这反映了降雨穿过树冠时不同的水流路径和截留蒸发等变化过程；2）分析了不同坡度（上坡和下坡）降雨、穿透雨和树干流NO3-和SO42-浓度和通量的空间变化，发现穿透雨NO3-年通量在上坡和下坡无显著性差异；而穿透雨SO42-通量从上坡到下坡显著增加；冠层吸收是N和S流域空间分布的主要影响因素；3）亚热带森林穿透雨和树干流酸性中和能力显著大于大气降雨，这说明雨水穿过冠层之后酸性减弱，冠层在一定程度上能够缓解酸雨的影响；而温带森林穿透雨和树干流酸性中和能力值小于大气降雨，这说明冠层一定程度上增强了大气降雨穿过冠层到达地表的酸性水平，对土壤酸化产生潜在的影响。本项目加深了我们对降雨再分配过程的认识，为解析大气化学组分（如NO3-）穿过树冠到达地表的截留、迁移、转化等过程机制提供非常有用的水文信息；提高了对森林流域大气酸沉降输入地表的空间分布格局的准确理解，为进一步研究土壤酸化等生物地球化学循环过程提供科学依据。此外，本项目也为对比研究不同森林类型大气沉降的穿冠输入过程机制提供科学参考，对区域森林生态系统管理和生态环境建设具有实践意义。