沙漠约占全球陆地总面积的三分之一,其在全球物质循环和生态系统功能方面扮演着重要角色。通常认为,沙漠非常干旱和贫瘠,缺乏植物生长所需的水分和养分,尤其是氮素养分。然而,近年来的研究发现,沙漠深部可能存在一个大的、植物可吸收利用的活性氮库,氮素形态主要是硝态氮。如果把这个深层氮库计算在内,全球沙漠的氮库储量可能增加14%-71%。如果发生剧烈气候变化或人类活动的扰动,这些沙漠深层硝态氮可能被活化,进一步淋溶进入地下水,对沙漠地区地下水资源产生威胁。然而,目前研究人员在沙漠物质循环研究中,往往忽视了这个氮库的存在。

植树造林是重建生态系统的一项重要生态措施。在湿润地区,由于水分充足,利用植树造林的方法进行生态恢复通常被认为是合理的;而在干旱和半干旱地区,大规模植树造林受到很多质疑。众多研究表明,干旱地区植树造林大量消耗土壤水分,使得土壤水分亏缺越来越严重,从而导致生态系统的恶化。然而,干旱地区植树造林除消耗土壤水分外,也将消耗大量的土壤养分,尤其是氮素养分。已有研究表明,植树造林能够消耗土壤氮库,降低土壤氮素有效性,使生态系统出现持续性的氮限制现象(progressive
N
limitation),并且这种现象在全球变暖的背景下更为显著。在干旱地区,由于氮素养分含量本身很低,大规模植树造林可能使这种持续性的氮限制现象更为严重。然而,干旱地区植树造林后,人们对这种生态过程的变化及其发展幅度知之甚少。清晰地了解这一生态过程有助于科学评估干旱地区植树造林后土壤氮素的发展趋势及未来可能出现多大程度的氮限制现象。

中国是世界上沙漠分布最为广泛的国家之一,沙漠面积约占国土总面积的15.9%。然而,中国沙漠深部是否也存在相似的硝态氮库,目前缺乏直接的证据报道。如果存在这一活性氮库,对沙漠地区的地下水资源管理就应采取相应的策略,例如判断到底是来自工业污染,还是深部硝态氮的释放。特别是在国家实施“一带一路”的战略下,“新丝绸之路经济带”建设贯穿中国主要的沙漠地区,势必产生较大的人类活动扰动。此外,中国西北地区正在发生气候由暖干向暖湿的转型,沙漠地区降雨量的增加也将加大硝态氮的淋溶迁移。因此,针对中国沙漠深部活性氮库的研究显得十分必要。

皇家88平台注册,针对上述科学问题,中国科学院地球环境研究所副研究员金钊及其合作者在国家自然科学基金项目的资助下,选择黄土高原西峰南小河沟人工植树造林和植被自然恢复小流域为研究对象,研究了近60年黄土高原人工植树造林和植被自然恢复方式下土壤氮库、氮素有效性及来源的差异。结果表明,人工造林和植被自然恢复生态系统的土壤氮库储量无显著差异,但人工造林土壤的氮素养分含量明显高于植被自然恢复生态系统。此外,人工造林生态系统凋落物的全氮含量及稳定同位素比值也明显高于植被自然恢复生态系统。这些结果表明,60年人工植树造林并没有显著降低土壤的氮素养分含量,也没有出现持续性的氮限制现象,反而土壤氮素养分明显高于植被自然恢复土壤。这种现象的出现,主要归结于两个方面因素:人工造林的主要树种为刺槐。刺槐是重要的生物固氮树种,刺槐的生物固氮作用为人工造林土壤提供了丰富的氮素养分,这些氮素养分进一步转化形成硝态氮保存在土壤中;人工造林和植被自然恢复小流域水文条件的差异。观测表明,人工造林小流域径流量明显低于植被自然恢复小流域;此外,由于更强的蒸腾作用和土壤水分消耗,使得人工造林小流域土壤变得更加干燥。人工造林小流域较低的径流量和干燥的土壤条件更有利于土壤硝态氮的保存。在上述基础上,进一步分析了土壤硝态氮氮氧稳定同位素(δ15N
和δ18O)的差异,发现人工造林土壤硝态氮主要来源于土壤氮素的转化,而植被自然恢复土壤硝态氮可能来自以前人工施用氮肥的残存。

近年来,中科院地球环境所金钊副研究员及其合作者,以毛乌素沙地为例,采用环境钻探的方法研究了三种类型沙丘(固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘)土壤硝态氮的分布特征,发现三种沙丘均存在硝态氮淋溶并在深部积累的现象。这种现象表明,我国沙漠深部可能也存在一个大的硝态氮库。但是,三种不同类型沙丘,硝态氮的淋溶特征和来源不同。固定沙丘由于植被覆盖度高,植被的生物小循环及其对降雨、降尘的物理阻隔较为明显,因此其硝态氮的淋溶存波动状态,硝态氮主要来源于土壤的反硝化作用;而流动沙丘地面裸露,缺乏植被的生物调控和物理阻隔作用,其硝态氮的淋溶十分明显,硝态氮主要来源于大气氮沉降。

该研究成果发表在国际综合期刊Scientific Reports (Zhao Jin, Xiangru Li,
Yunqiang Wang, Yi Wang, Kaibo Wang, Buli Cui. Comparing watershed black
locust afforestation and natural revegetation impacts on soil nitrogen
on the Loess Plateau of China. Scientific Reports
, 2016, 6:25048, DOI:
10.1038/srep25048)。

近日,这一研究成果发表于国际综合期刊Scientific Reports (Jin Zhao, Zhu
Yajuan, Li Xiangru, Dong Yunshe, An Zhisheng, 2015. Soil N retention and
nitrate leaching in three types of dunes in the Mu Us desert of China.
Scientific Reports, 5, 14222; doi: 10.1038/srep14222)

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