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中国是全球氮沉降的三大热点地区之一,随着工农业发展其沉降量还将进一步增加,如何科学地评估大气氮沉降和磷沉降的生态效应受到科学家和公众的高度关注。大气氮和磷沉降是陆地生态系统可利用性氮素和磷素的一个重要来源,但过量的氮输入会产生明显的负效应,氮和磷输入量的大小及其比例对生态系统结构和功能可以具有巨大的潜在影响;因此,量化大气氮和磷沉降的时空格局、剖析其主要控制因素及其生态意义是当前全球变化生态学研究的热点领域。鉴于N和P在不同生态系统组织层次中均具有重要作用且具有明显的耦合关系,需要从大气沉降(N∶P)化学计量特征,深入探讨日益增加的大气N和P沉降对陆地生态系统结构和功能的影响。 我们以中国生态系统研究网络(CERN)和相关野外生态站为基础,于2013年组建了国家尺度典型陆地生态系统大气氮沉降和磷沉降的联网观测网络;目前,采用规范的采样方法、频度和测试分析方法在41个野外生态站开展联网观测。在每个生态台站,我们收集每月降水(含降水事件的非可溶物质),并分别测定所收集品的铵态氮、硝态氮、总氮、溶解性总氮和溶解性总磷等指标。基于2013年联网观测的相关测试数据,本文重点探讨了中国区域典型陆地生态系统通过降水事件的大气氮磷沉降量(或湿沉降)、空间格局、主要控制因素、大气沉降的氮磷比及其生态意义。主要结论如下: (1)中国区域的大气氮(湿)沉降中溶解性总氮、硝态氮、铵态氮的年均沉降量为13.69 kgN ha-1 a-1、7.25 kgN ha-1 a-1、5.93 kgN ha-1 a-1,这也意味着中国区域的溶解性总氮、硝态氮、铵态氮年沉降输入量约为12.52 TgN a-1、6.63 TgN a-1、5.42 TgN a-1。NH4+/NO3-比平均为1.22。 (2)总氮的沉降通量为18.02 kgNha-1 a-1,年沉降输入量约为16.48 TgN a-1。各形态氮的组分比例分别为:铵态氮占40%、硝态氮占33%、颗粒态氮占24%、溶解性有机氮占3%。颗粒态氮的沉降量为4.33 kgNha-1 a-1,占湿沉降总量的24%,是氮沉降的重要组成部分,忽略颗粒态氮会一定程度上会造成大气氮沉降总量的低估。 (3)大气(湿)沉降中磷的年平均沉降量分别为0.21 kgP ha-1 a-1,即中国区域磷的年沉降输入量约为0.19TgPa-1。 (4)氮和磷高沉降区主要在华南和华中地区,东北地区和青藏地区的氮和磷沉降量较小。大气氮和磷湿沉降具有明显的季节变化,降水量是大气氮磷沉降的载体及季节变化的主要驱动方式。 (5)降水量、氮肥施用量以及能源消耗量与大气氮素湿沉降通量密切相关(p<0.01),分别可以解释大气氮素湿沉降20%~40%、43%~67%、以及23%~44%的变异。降水量及氮肥施用量可以共同解释大气氮素沉降91%的变异。而氮肥施用量以及能源消耗量与大气磷湿沉降的相关性较小。大气中磷主要来源于农业耕作的扰动、土壤风蚀、花粉传播、植物体燃烧、煤和石油的燃烧等。与氮沉降相比,磷沉降则具有更明显的局地限制。 (6)中国陆地生态系统大气湿沉降的平均氮∶磷摩尔比为65∶1,其中华北地区和内蒙地区的氮磷摩尔比较高,其值分别为129和107;西南地区和华南地区的氮磷摩尔比较小,其值分别为34和37。中国区域过高的N∶P比,将可能导致陆地生态系统N和P输入存在巨大的不平衡性,进而可能驱使甚至强化磷的限制效应,从而影响中国区域陆地生态系统的结构和功能,例如生产力、生物多样性及碳收支等。 本文基于全国尺度的联网观测,揭示了中国区域不同氮沉降组成,进一步强调了非溶解态氮沉降的重要性,量化了中国区域磷湿沉降及其格局;另外通过揭示湿沉降的氮磷比进一步探讨了基于生态化学计量学理论的氮磷输入比失衡对陆地生态系统影响潜在的影响,为探讨全球变化对陆地生态系统结构和功能影响提供了新思路和新视角。