摘要
氮循环的微小变化会显著改变生态系统的关键碳循环过程。因此，在持续的气候变暖和冻土融化背景下，准确认识冻土区氮循环的特征对于准确预测冻土碳循环及其与气候变暖之间的反馈关系具有重要意义。然而，目前学术界对冻土区氮循环基本特征的认识仍然十分有限，尤其是冻土区土壤氮储量的大小、冻土区土壤初级氮转化过程速率的空间格局以及氮循环的动态变化等基本问题尚不清楚。鉴于此，本研究选择北半球中高纬度面积最大的高海拔冻土分布区——青藏高原冻土区作为研究对象开展了系列研究。基于遥感信息、气象资料和519个土壤剖面的观测数据，同时结合两种机器学习模型(支持向量机和随机森林)以及蒙特卡洛模拟，评估了青藏高原冻土区3m深度土壤氮储量的大小和空间分布特征，揭示了陆地生态系统模型对冻土区土壤氮储量的模拟效果。基于18处代表性样地的土壤样品，结合15N同位素示踪技术和多模型推断方法，阐明了冻土区表层土壤初级氮转化过程速率的空间格局及其关键控制因素。基于2000s(2001～2004，由北京大学方精云教授课题组调查)和2010s时期的重采样调查资料，同时结合DNDC(DeNitrification-DeComposition)模型，解析了2001～2014年期间青藏高原冻土区氮循环的动态变化特征。主要结果如下: (1)研究区3m深度的土壤氮密度为1.58kgNm-2(不确定性区间:1.40～1.76kgNm-2)，氮储量为1802Tg(1Tg=1012g;不确定性区间:1605～2008Tg)，表明青藏高原冻土区是个重要氮库。3m深度土壤氮密度的空间变异范围为0.79～5.25kgNm-2，整体从青藏高原的东南部向西北部呈现逐渐递减的趋势。1m以下深度的土壤氮储量占3m深度土壤氮储量的48％。此外，通过数据-模型比较实验发现，目前国际上广泛使用的CLM4.5(Community Land Model version 4.5)模型显著低估了研究区的土壤氮储量，这种低估主要发生在青藏高原的西北部。进一步研究发现，生物固氮过程速率的低估是导致土壤氮储量被低估的关键因素。 (2)青藏高原冻土区表层土壤的初级氮转化过程速率对干旱气候梯度呈现多元化响应。其中，总氮矿化速率(平均值:2.87mgNkg-1soild-1)和铵固持速率(平均值:3.35mgNkg-1soild-1)沿干旱气候梯度呈线性下降趋势。总氮矿化速率对干旱气候的响应主要受土壤可溶性有机氮含量、质地和微生物量调控，而铵固持速率对于旱气候的响应主要受土壤铵态氮含量调控。自养硝化速率(平均值:1.72mgNkg-1soild-1)随着干旱度指数(AI，Aridity Index)的增加呈先上升后下降趋势，阈值为0.47。自养硝化速率对干旱气候的响应主要受底物供给能力、土壤有机质含量和氨氧化古菌丰度的调控。与上述3个过程不同，异养硝化速率(平均值:0mgNkg-1soild-1)、硝固持速率(平均值:0.46mgNkg-1soild-1)和异化还原速率(平均值:0.10mgNkg-1soild-1)对干旱气候无显著响应，硝固持速率主要受土壤可溶性有机氮含量调控，而异化还原过程速率主要受土壤黏粒含量调控。 (3)2001～2014年期间，青藏高原冻土区的表层土壤氮储量没有出现显著变化，然而氮过程却发生了显著变化。氮过程的变化具体表现为:表层土壤15N同位素自然丰度显著增加，这说明冻土区的氮损失量在增加;植物15N同位素自然丰度显著下降，植物和土壤15N同位素自然丰度的差值也显著下降，这说明青藏高原冻土区的土壤氮供给能力(相对于植被的氮需求)在下降;DNDC(DeNitrification-DeComposition)模型模拟的氮损失过程速率在2001～2015年期间显著增加，这也说明青藏高原冻土区的氮损失在增加。这些结果意味着当前的环境变化可能会导致青藏高原冻土区植被生长的氮限制加剧。 综上所述，本研究摸清了青藏高原冻土区的土壤氮储量家底，并发现当前的陆面过程模型并不能准确模拟冻土区的土壤氮储量。此外，研究发现影响土壤氮有效性的初级氮转化过程速率在青藏高原存在多元化的空间格局。最后，研究表明环境变化正在显著改变青藏高原的氮循环过程。这些结果对于增加学术界对青藏高原冻土区氮循环特征的认识，以及对气候变暖和冻土融化等环境变化背景下生态系统氮循环变化及其生态后果的认识将具有重要意义。
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