生态系统碳、氮、磷循环过程耦合对氮输入的响应：整合分析与案例研究

生态系统碳、氮、磷循环是地球系统物质循环和能量流动中最核心的生态系统过程。人类活动的加剧增加了生态系统的氮输入并随之产生了一系列严重的生态和环境问题。氮输入的增加如何从生态系统水平驱动碳、氮、磷循环过程的耦合成为了当今生态学研究领域的热点问题之一。本项目拟从生态系统对氮输入的响应出发，通过结合申请者前期的研究，利用施氮控制实验测定不同生态系统碳、氮、磷的收支水平，探讨影响生态系统氮泄漏（leakage）的主要因素，并澄清生态系统氮输入的增加是否会产生磷限制的科学问题。同时，根据已有文献，运用整合分析的方法，探讨生态系统碳、氮、磷循环过程耦合（包括植物、凋落物、微生物与土壤碳、氮、磷库的变化以及变化之间的关系）对氮输入的响应。本研究旨在从理论和实践上阐明氮沉降对生态系统主要生源要素循环以及循环之间关系的影响。

生态系统碳、氮、磷循环是地球系统物质循环和能量流动过程中最最核心的组成部分。诸如氮沉降、二氧化碳浓度上升、气候变暖、人类活动等因素如何影响生态系统碳、氮过程更是成为了近年来生态学界研究的热点问题。本研究通过整合分析和施氮控制实验，根据研究计划，取得了以下主要研究结论。1.实验增温引起的植物来源的碳输入的增加基本上抵消了生态系统碳输出的增量，由此导致凋落物碳库和土壤碳库含量的变化不显著。这一结果也表明，全球气候变暖可能不会触发较强的陆地生态系统碳循环-气候的正反馈作用。同时，植物碳储量的增加，再加上生态系统净交换的少量降低，表明在全球气候变暖趋势下陆地生态系统可能是一个较弱的碳汇，而不是碳源。2.大气二氧化碳浓度升高促进了植物根系形态发育，根系扩展和使得更多的碳输入到土壤，这意味着根系形态和功能对二氧化碳浓度升高的敏感反应会增加长期的地下固碳作用。3.农田生态系统秸秆还田能显著提高土壤碳库含量，但全球变暖潜能分析表明，农业生态系统的秸秆还田所增加碳汇主要在旱地土壤，在水稻土则会因甲烷排放的增强成为碳源。4.生态系统氮输入实验表明，氮输入能显著提高植物生物量和土壤氮库，对于农田、草地和人工林都表现为表层土壤无机氮的增量显著高于下层土壤。农田生态系统温室气体排放对氮输入的响应也不一致，二氧化碳和氧化亚氮排放在氮输入下显著增强，而施氮对水田甲烷排放没有显著影响。经过三年多的研究，本项目的部分研究成果已在国际生态学、生物地理学以及全球变化生物学的权威刊物Ecology、Global Ecology and Biogeography和Global Change Biology上发表，另有中、英文手稿处在审稿阶段。整体而言，我们已经基本实现了项目的主要目标。