典型亚热带森林土壤排放的氮氧化物在林间的迁移转化过程研究

Soil emission is the most important natural source of atmospheric nitric oxides (NOx). It has been found that subtropical forest soils receiving high nitrogen deposition in China have relatively high NOx emission rate. However, soil released NO is possibly oxidized to NO2 and taken up by plants , due to the heavy canopy and high diversity of ground vegetation in forest, resulting in smaller flux from forest as a whole to the atmosphere in comparison with soil emission. In this study, a long-term monitoring of soil NO emission and canopy NO2 uptake by dynamic chamber method, and of NOx exchange above canopy by concentration gradient method, will be carried out in a Masson pine forest, a typical subtropical coniferous forest at Tieshanping, Chongqing in southwest China. Control experiments will also be done to investigate the mechanism and impact factors of NO2 uptake by leaves. In addition, a comprehensive model on transportation and transformation of NOx in forest will be developed to quantify NOx emission from subtropical forest. The results of this study are crucial to understand the characteristics of NOx emission from forest soil and whole forest, and the effects of vegetation on the fate of NOx in forest, and to simulate regional air quality and estimate global NOx emission flux.

土壤是大气氮氧化物最重要的自然排放源，而我国大气氮沉降较高地区的亚热带森林土壤被证明具有较高的一氧化氮排放通量。但是，由于森林生态系统具有丰富的林冠层和林下植被，一氧化氮从土壤释放后需要经过灌木层和林冠层才能到达森林上方的大气，过程中很可能在被氧化成二氧化氮后被植物叶片吸收，因此森林作为整体向大气的氮氧化物排放通量可能远小于土壤的排放通量。本研究选择一种典型的亚热带针叶林——马尾松林，在重庆铁山坪开展长期观测，包括利用动态箱法观测土壤或植物与大气的氮氧化物交换通量，用浓度梯度法观测林冠上方的氮氧化物交换通量，并利用控制实验研究植物叶片对二氧化氮吸收的机制与控制因素，试图建立林间氮氧化物的迁移转化模型以定量预测亚热带森林的氮氧化物排放量。本研究的成果有助于认识森林土壤和森林整体的氮氧化物排放特征，以及植物对林间氮氧化物迁移转化的影响机制，为区域空气质量模拟和全球氮平衡计算提供参考。

土壤排放是大气中氮氧化物（NOx）重要的自然源。我国亚热带森林区域的大气氮沉降长期处于较高水平，高氮沉降有可能导致这个区域土壤有较强NOx排放潜力。此外，林冠上方NOx沉降和林下植被吸收等均可能影响NOx在森林内部的迁移转化和垂直分布。作为我国重要的森林类型之一，亚热带森林的土壤NOx排放与森林整体NOx交换通量缺少观测。本研究旨在定量分析我国典型亚热带森林NOx的交换通量及其关键影响因素。.在我国典型亚热带森林——江西千烟洲和重庆铁山坪，分别利用动态通量箱法和浓度梯度法长期观测土壤-大气和林冠上方的NOx交换通量。结果表明土壤温湿度和大气NO浓度是土壤NO排放季节变化的主要影响因素，土壤表面NO2通量则呈双向交换状态。千烟洲（2018年）和铁山坪（2020年）NO排放量分别为0.041±0.001和0.076±0.001 g N m-2 yr-1，高于以往研究观测到的热带森林、温带森林、寒温带森林以及未施氮农田的土壤NO排放量的中位值。在这两个站点林冠上方的通量观测则表明，森林整体与大气的NOx交换同样是双向过程，但以沉降为主，千烟洲（2015—2018年）和铁山坪（2017—2019年）的平均干沉降量分别为0.254±0.026和1.38±0.39 g N m-2 yr-1，分别占穿透水NO3--N沉降量的16±2%和75±23%。大气NOx浓度是两站点林冠上方NOx干沉降的主要影响因素。.利用植物动态通量箱在铁山坪站点观测典型亚热带树种——马尾松的针叶-大气NOx交换通量，结果表明成熟马尾松冠层在2020年直接吸收的NOx达到0.157±0.012 g N m-2 yr-1，且大气中NOx浓度是影响针叶-大气NOx交换通量的主要因素。此外，观测发现土壤的NOx排放和植物的NOx吸收使得林冠下方NOx浓度随着高度增加而降低。结合以上各界面通量以及森林NOx浓度的垂直分布，2020年铁山坪森林土壤NOx排放量是林冠上方NOx年沉降量的5.8%，森林内部NOx沉降通量为1.39 g N m-2 yr-1，其中马尾松冠层直接吸收占10.8%，其余部分则可能由化学转化、林冠内湿润叶面吸收或者林冠下方植物吸收等消耗。土壤排放的NOx很可能直接在林下被化学转化、植物吸收或者再次沉降到土壤中，对林冠上方大气NOx的贡献很小。