宁夏沙坡头沙漠生态系统国家野外科学观测研究站
新闻公告人类活动如化石燃料的燃烧和农业化肥的施用导致全球范围内，特别是中国和印度等热点地区大气当中活性氮的水平显著增加。大气活性氮会通过干、湿沉降的方式影响陆地生态系统土壤的环境特性，进而影响植被的物种多样性
作者: 沙坡头站 更新时间: 2024-08-23
人类活动如化石燃料的燃烧和农业化肥的施用导致全球范围内，特别是中国和印度等热点地区大气当中活性氮的水平显著增加。大气活性氮会通过干、湿沉降的方式影响陆地生态系统土壤的环境特性，进而影响植被的物种多样性和生产力，最终会导致陆地生态系统的结构和功能发生改变。尽管目前有关大气氮沉降环境效应的研究已有大量的文献记载，但在干旱地区，特别是降水量小于200 mm的地区，其水文过程和土壤特性与森林草地等系统之间存在明显的差异，干旱地区的土壤如何响应，目前的研究较为稀少且已有的研究结论差异较大。干旱地区约占全球陆地总面积的41%，通常被认为是氮素不饱和的，其对大气氮沉降的响应在理论上最为敏感。碳酸钙是该地区土壤环境功能属性的主导环境因子，根据已有的研究，长期氮沉降会造成表土的严重酸化，进而打破碳酸钙的酸缓冲能力，造成钙的流失。另外，氮沉降增加诱发土壤氮素有效性提升后会增大土壤磷素对植物生长的限制作用，但钙的流失会增加土壤当中植物难利用磷素的释放，这可能会缓解氮沉降增加背景下土壤磷素的限制作用。此外，随着土壤当中氮素和磷素有效性的提升，植物生长得到促进后其向土壤返还的碳增加，土壤碳汇能力提升。然而，氮沉降增加诱发的碳酸钙的溶解和钙的流失同时会增加土壤当中有机碳的暴露，其分解会加快，这反而会削弱旱境生态系统的土壤碳固持能力。
基于此，中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站联合兰州大学和宁夏农林科学院，在我国腾格里沙漠南缘的典型荒漠化草原开展了长达12年（2007-2018年）的大气氮沉降（0、3.5、7、14 g N/m2/yr）模拟试验。研究结果表明：试验氮沉降导致了土壤氮素的富集，提高了土壤供氮能力，施氮样地表土上层（0-10 cm）和下层（10-20 cm）土壤全氮含量相较于对照样地分别增加了8.3-14.6%和2.4-8.2%，上层土壤有效氮、铵态氮以及硝态氮含量显著增加了25.5-68.3%；在下层土壤中，有效氮和硝态氮含量显著低于对照，且它们随氮肥梯度的变化趋势与铵态氮相反，表明旱区土壤中存在明显的氮素周转和淋失过程。同时，施氮小区上层和下层土壤pH值显著下降了0.36-0.53和0.31-0.37单位；但CaCO3含量上下层相较对照则分别显著增加了9.8- 22.8%和7.2- 30.3%。土壤全磷上下层含量均随着施氮梯度增加而降低了3.6- 51.3%和16.7- 62.5%，此外，上层和下层土壤有机碳（SOC）含量随施肥梯度显著增加了57.7- 78.1%和19.2- 27.4%。Pearson相关分析表明，土壤速效磷与植物茎部锰含量（根际碳酸盐的替代物）呈显著负相关，溶解性OC、SOC和CaCO3呈显著正向相关性。我们的研究表明长期的氮输入使得磷素从下层向上层重新分配，从而缓解了磷的释放而导致长期N输入引起的限制，加剧了荒漠化草原的磷限制，而同时钙的循环增强了荒漠草原土壤SOC的留存能力。该研究结果为人们准确理解全球大气氮沉降增加背景下荒漠生态系统的变化提供了数据支撑。
该成果以Cumulative effects of experimental nitrogen deposition on soil chemistry in a desert steppe: A 12-year field study为题发表在Science of the Total Environment期刊上。中国科学院沙坡头沙漠研究试验站苏洁琼助理研究员为论文第一和通讯作者，兰州大学胡亚虎副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（41401334 和 41501337）等项目资助。
图1 试验样地
图2 氮素梯度下不同形态的氮素含量变化
图3 氮沉降影响荒漠化草地土壤化学属性的途径