氮沉降对杉木人工林水分利用效率和碳-水耦合机制的影响

Response and adaptation of coupling mechanisms of carbon-water to global climate change are research frontiers in the field of ecosystem ecology research. However, the findings of present research mostly came from model simulation, with the lack of the experimental data at different spatial scales. A long-term field trial was established in 2003 to examine impacts of nitrogen deposition on water use efficiency and carbon sequestration (including CH4 fluxes and CO2 fluxes ). Treatments of artificial N depositions include N0 (0 kg.hm-2.a-1), N1 (60 kg.hm-2.a-1), N2 (120 kg.hm-2.a-1) and N3 (240 kg.hm-2.a-1), with three replicates in each treatment. Research objectives are to investigate the long-term response and adaptation of water use efficiency and carbon-water coupling to nitrogen deposition. Research contents are: (1) response of water use efficiency of leaf to nitrogen deposition; (2) exploring response of water consumption to nitrogen deposition by combining sap flow of individual plants with soil evaporation; (3) the positive or negative effects of nitrogen deposition on emission of CH4, CO2 and H2O from soil and litterfall; and (4) interactions among water use efficiency, water consumption and carbon accumulation.

生态系统碳-水的耦合关系对全球气候变化的响应与适应是生态学研究领域的学术前沿，但目前研究的结果大部分来自模型模拟，缺乏不同尺度的试验数据支持。本项目以野外长期定位研究为基础（2003年开始），分析不同水平氮沉降（N0、N1、N2、N3）对杉木人工林水分利用动态和碳吸存（包括土壤CH4通量和CO2通量）的影响，探讨杉木人工林水分利用效率和碳-水耦合机制对氮沉降的响应规律。 主要研究内容：（1）氮沉降增加条件下，叶片水分利用效率（Pn/T）的响应规律；（2）分析单木液流的变化规律，结合土壤蒸发量测定，探讨林分耗水量对氮沉降的响应机制；（3）氮沉降对土壤和地被物释放二氧化碳、甲烷和水通量的激发或抑制机制；（4）探讨不同水平氮输入条件下对人工林水分利用效率、耗水量与碳积累之间的影响，揭示氮沉降条件下的碳-水耦合机制。

由于人类活动的影响，亚热带区域大气氮沉降显著增加。虽然普便认为，短期氮输入对森林生态系统有施肥效应。然而，长期氮输入对森林生态系统的影响我们却知之甚少。本研究与野外定位试验为基础，研究了杉木人工林水分利用效率及其碳水耦合机制对不同水平氮沉降（N0、N1、N2、N3，对应的N沉降量分别为0、60 、120、240 kg N ha-1 yr-1）的响应机制与特征。主要研究结果：（1）杉木单木年耗水量随着氮沉降水平的增加而增加，N0、N1、N2、N3的年耗水量分别为830、870、880和1090kg，水分利用效率分别估计为727 ± 55、788 ± 87、729 ± 135和828 ± 76 kg水/ cm DBH，说明高水平氮沉降（N3）对水分利用效率有负面影响（P = 0.083）。.（2）通过对树干年轮δ13C和δ18O含量分析，高氮处理（N3)消耗了更多的δ13C，而δ18O 的下降在N0、N1和N2、N3处理之间存在4年时滞（Time lag），表明当氮沉降量输入超过60 kg N. hm-2.a-1可能加速δ18O的贫化。.（3）林冠模拟氮沉降试验表明，氮沉降显著提升了叶片气孔导度和叶绿素含量，与对照相比分别提升了56.74%和14.8%。.（4）林冠施氮处理和对照处理杉木每生产1m3的木材耗水量分别为3.19kg 和3.54kg，说明25 kg N. hm-2.a-1氮输入量有利于提升杉木人工林的水分利用效率。.（5）和对照相比，氮沉降使杉木人工林土壤CH4的吸收速率和CO2的排放速率分别提高了177%和84%，说明25 kg N. hm-2.a-1氮输入量显著提升了杉木人工林对CH4的吸收速率和CO2的排放速率。