北京东灵山森林开阔地与林下氮沉降水平及其差异研究
森林是陆地生态系统的主体，有许多重要的生态服务功能。工业革命以来，人类活动（主要包括化石燃料燃烧和含氮化肥的使用、畜禽养殖等）导致排入大气的含氮化合物成倍增加，使得森林生态系统人为成因活性氮沉降通量快速增加，进而诱发土壤氮饱和、地表水氮富集、生物多样性减少和森林功能退化等问题。输入土壤的溶解态氮的浓度和通量是评估氮沉降效应的关键信息，但由于森林树冠的影响，导致林下氮沉降化学浓度和通量与开阔地相比出现显著差异，并且其变化机制并不十分清楚，尤其在我国高氮污染的京津冀地区，森林开阔地和穿冠氮沉降的同步观测较为缺乏，影响了森林氮沉降效应的全面、准确评估。 本论文以北京东灵山森林生态系统定位站为研究对象，于2019年6月至2020年1月连续每周采集开阔地和三种树木（山杨、元宝枫、油松）的林下降水以及叶表颗粒物，测试了其铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）和总溶解态氮（TDN）浓度，计算了溶解态无机氮（DIN）和溶解态有机氮（DON）浓度、各形态氮的沉降通量以及DIN/DON、NH4+-N/NO3--N比值，结合降水量和其它水溶性阴阳离子浓度信息，详细剖析了该森林站点的氮沉降水平和变化机制。主要结果和认识如下： （1）森林开阔地氮沉降水平及其变化机制 降水NH4+-N、NO3--N、DON和TDN的体积加权浓度分别为1.45±0.04、0.70±0.01、1.81±0.66和3.96±0.65mgN/L，高于华南和东北地区大多数森林降水的平均氮浓度，表明该站点受周边高氮排放污染的影响较大。TDN混合沉降通量为21.80kgN/ha，其中NH4+-N、NO3--N和DON沉降通量分别为7.63、3.82和10.34kgN/ha，低于华北地区农田和城市的氮沉降量，但高于全球森林氮沉降的平均水平。此外，湿季氮沉降量高于干季，表明未来降水增多会使得该森林地表的大气氮输入量增加，可能会引起氮饱和等生态效应。 （2）林下氮沉降水平及其变化特征 山杨、元宝枫和油松的林下TDN混合沉降通量之间有明显差异，分别为23.00、19.51和28.09kgN/ha，表明树冠类型对林下氮沉降通量有明显影响。与开阔地相比，三种树木的林下NH4+-N通量占比（19%、23%、30%）总体降低，NO3--N通量占比（15%、16%、19%）相当，DON通量占比（66%、61%、51%）均增加。 （3）开阔地与林下氮沉降水平差异及其变化原因 山杨、元宝枫和油松树冠的降水截留率分别为26%、24%、7%。森林冠层会改变大气降水的酸度。山杨和元宝枫穿冠水pH值平均上升了0.36和0.17，表明其冠层对降水有缓冲作用，油松穿冠水pH值平均下降了0.09，表明油松冠层会加剧林下降水酸化。穿冠水离子浓度整体上升1~3倍，表明林下离子富集会导致冠层营养离子大量流失，使得养分亏损。 山杨和元宝枫穿冠水NH4+-N浓度平均降低了0.43和0.24mgN/L，林下混合沉降通量分别减少了3.38和3.08kgN/ha，湿季通量减少幅度大于干季；油松穿冠水NH4+-N浓度升高了0.70mgN/L，林下混合沉降通量增加了0.66kgN/ha。由于油松叶片表面附着的颗粒态NH4+通量也较高，说明山杨和元宝枫树木冠层（特别是在植物生长较快的湿季）具有较高的NH4+截留和吸收能力，而油松冠层对NH4+-N的吸附和淋溶作用较强。 山杨、元宝枫和油松穿冠水NO3--N浓度平均升高了0.73、0.35和1.10mgN/L，但山杨和元宝枫的林下混合沉降通量减少了0.30和0.75kgN/ha，油松林下NO3--N通量增加了1.59kgN/ha，说明山杨和元宝枫的降水截留比叶表NO3--N淋溶对穿冠氮沉降影响更大；由于油松降水截留能力最低且叶片颗粒物NO3-浓度较高，表明油松冠层NO3-淋溶贡献起主导作用。 山杨、元宝枫和油松穿冠水DON浓度分别升高了2.00、0.27和1.24mgN/L，但山杨和油松林下沉降通量分别增加了4.79和4.05kgN/ha，元宝枫林下沉降通量则减少了2.46kgN/ha，表明山杨和油松具有较高的冠层DON释放和淋溶（分泌物、昆虫碎屑和微生物残体等），而元宝枫冠层降水截留主导了其穿冠DON通量的降低。三种树木穿冠水TDN浓度均升高2.30、0.38和3.04mgN/L，但山杨和油松的林下TDN沉降通量分别增加了1.11和6.30kgN/ha，元宝枫林下TDN通量则减少了6.29kgN/ha，表明元宝枫降水截留DIN和DON主导了其穿冠TDN通量的降低。 综上，本论文通过森林开阔地与林下氮沉降的同步观测，分析了两者的氮沉降水平（浓度和通量）及其差异，探究了森林树冠改变大气沉降氮浓度和通量的变化机制。论文结果丰富了我国典型高人为氮排放地区的森林大气氮输入数据，为进一步评估人为氮污染的去向和生态效应提供基础数据和参考依据。
森林生态系统;氮沉降;铵态氮;硝态氮;有机氮
天津大学
硕士
环境科学与工程
刘学炎
2022
中文
S718.55
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）