大气氮沉降对中国和全球森林土壤温室气体通量的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 岑晓喻 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 何念鹏 |
| 关键词 | 生物地球化学循环 温室气体 氮饱和 整合分析 控制实验 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 自工业革命以来，人类活动导致的温室气体排放（主要为CO2、CH4和N2O）加剧了全球气候变暖。为了避免气候变暖带来不可承担的后果，包括中国在内的许多国家都提出了在本世纪中叶实现温室气体“净零排放”或“碳中和”目标。为实现这一目标，森林生态系统相关的“基于自然的解决方案”是当前国内外应对气候变暖的主要抓手。但是，森林土壤温室气体通量受限于观测难度，其不确定性相对较高。同时，森林土壤温室气体还会受到包括大气氮沉降在内的全球变化因素的影响，进一步增加了研究森林生态系统对气候变化的反馈的难度。过去半个世纪积累的、来自世界各地的大量的氮添加实验数据，为量化大气氮沉降对土壤温室气体的影响提供了基础。 通过从文献中系统性整合的全球氮添加实验数据和温室气体通量数据，我们基于土壤N2O排放对氮沉降的敏感性确定了全球森林的氮限制或氮饱和状态，并探索了三种温室气体对氮输入的响应规律。使用“基于数据和过程”的尺度上推方法、随机森林回归模型等，在中国和全球尺度上估算了森林土壤温室气体收支。在此基础上，定量评估了氮沉降对森林土壤温室气体通量的影响及其空间格局，揭示了氮沉降对氮限制、氮饱和森林土壤温室气体收支的差异性影响。主要研究结果包括： （1）大气氮沉降增加了中国和全球森林土壤N2O排放。在1985–2015年间，中国森林土壤N2O排放量从0.22TgN2O-Nyr–1上升到了0.32TgN2O-Nyr–1，全球森林土壤N2O排放从3.55TgN2O-Nyr–1上升到了3.85TgN2O-Nyr–1。氮沉降直接导致了中国森林土壤N2O排放量中的约19%（0.05TgN2O-Nyr–1）、导致了全球森林土壤N2O排放量中的约9%（0.3TgN2O-Nyr–1）。氮沉降对温带森林土壤N2O排放的直接影响要高于热带、寒带森林。 （2）土壤N2O排放对大气氮沉降的敏感性可以指示森林生态系统氮状态。在氮饱和森林中，土壤N2O排放对氮沉降的敏感性（sN）显著高于氮限制森林。在区域与全球尺度上，基于sN的氮限制与氮饱和森林分类准确率达70%以上。全球已有42.7%的森林达到氮饱和状态。在受人类活动影响最大的东亚、南亚、西欧等地，氮饱和森林占森林总面积之比已经超过60%。中国已有约72%的森林达到氮饱和。 （3）大气氮沉降对森林土壤CH4通量的影响取决于森林氮状态。氮输入对森林土壤CH4通量影响呈现“促进-抑制-弱效应”三个阶段变化。在氮限制森林中，当前的氮沉降水平整体促进了土壤CH4吸收；在氮饱和森林中，当前的氮沉降水平整体抑制了土壤CH4吸收。氮沉降使中国森林土壤CH4吸收减少了13%（0.095TgCH4yr–1），使全球森林土壤CH4吸收减少了3%（0.29TgCH4yr–1）。氮沉降对温带森林土壤CH4吸收的抑制作用强于其他生态区。 （4）大气氮沉降的两极化影响使氮饱和森林中土壤呼吸的稳定性降低。氮输入对土壤呼吸的促进作用呈现双相效应，而氮输入对土壤呼吸的抑制作用呈临界突变效应。综合评估氮沉降对土壤呼吸的促进和抑制作用，我们发现当前的氮沉降水平整体增加了土壤呼吸。中国森林土壤呼吸有16%（1.20PgCO2yr–1）由氮沉降导致，全球森林土壤呼吸有5%（6.80PgCO2yr–1）由氮沉降导致。氮沉降促进、抑制土壤呼吸的热点区域均主要分布在氮饱和森林中。这种两极化作用导致氮饱和森林中的土壤呼吸更为多变、稳定性低于氮限制森林。 （5）大气氮沉降整体增加了中国和全球森林土壤温室气体排放。结合CO2、CH4、N2O三种温室气体来看，氮沉降导致了中国森林土壤温室气体年排放量中的16.6%（1.23PgCO2-eqyr–1），导致了全球森林土壤温室气体年排放量中的5.4% （6.95PgCO2-eqyr–1）。氮沉降对森林土壤温室气体的整体影响大小因区域、因森林氮状态而异。当前的高氮沉降区域（中国东部、西欧、美国东部）也是氮沉降导致森林土壤温室气体变化的热点区域。在氮饱和森林中，氮沉降导致的温室气体通量变化要高于氮限制森林。 研究得到的全球氮限制、氮饱和森林地图有助于碳氮循环研究、森林氮管理。得到的全球森林土壤温室气体对氮输入的响应规律、响应系数可以用于改进生态系统模型的结构与参数。同时，研究也为全球145个国家提供了本地化的温室气体排放因子，可以降低国家温室气体核算的不确定性。发展的“基于数据和过程”的方法有望成为样地尺度的控制实验数据与区域温室气体核算需求之间的“桥梁”，使控制实验数据在全球变化研究中发挥更加重要的作用。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 166 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209263]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 岑晓喻. 大气氮沉降对中国和全球森林土壤温室气体通量的影响[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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