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王旭等-GRL:人類活動導致我國北方全新世氮循環變化——來自沉積記錄中黑碳的氮同位素證據
2019-10-23 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  20世紀以來,人類通過過度施用氮肥和燃燒化石燃料等方式釋放了大量的活性氮素,極大地擾動了自然氮循環過程,并由此產生了地表水體富營養化、生態脅迫和溫室效應增強等一系列環境問題。目前,已有許多關于氮循環及其環境和生態效應的研究,但是大多數只是基于短時間(最近幾年或至多幾十年)的觀測,制約著對氮循環擾動與環境/生態變化之間關系的全面理解。為全面評價現代氮循環變化,需要一個更寬泛的研究背景,問題是有關人類活動與氮循環的長尺度實證記錄非常稀缺。 

  歐亞大陸的早期農業活動至少在8000年前業已開始,并被認為是全新世CO2濃度異常升高的主要原因。最近有研究表明中國北方和中原地區的主要農作活動起始于7000年前,然而尚不清楚的是:早期人類活動何時開始影響氮循環?在土地利用方式改變過程中,氮循環如何演化?回答這些問題對于我們理解人類改變氮循環的后果和生態系統對人類氮擾動的響應至關重要。 

  氮同位素(δ15N)研究是揭示生態系統氮循環性質的有效手段。例如,較高的δ15N值通常指示較大的氮素可獲得性和更開放的氮循環過程。δ15N和氮素可獲得性之間的聯系主要受控于氮循環中一些關鍵過程(如硝化和反硝化過程等)對15N的歧視所產生的同位素分餾。當氮素供應高于植物需求時,N會通過上述分餾過程以氣體形式失去,從而導致生態系統中剩余的N富集15N,即表現為較高的δ15N值。相應地,隨著氮可獲得性增加,生態系統內氮循環開始從封閉式氮循環(極少氮丟失)轉變為開放式氮循環(大量氮丟失)。 

  在我國北方岱海湖區,存在著許多仰韶文化和龍山文化遺址(圖1),原始農業至少開始于7000年前,是研究湖區早期人類活動與土壤-植被系統氮循環之間關系的天然實驗室。湖泊沉積物是古環境研究的極佳載體,既能較完好地保存沉積物質,也能通過AMS 14C定年提供精確的年代標尺。但是,由于來源復雜,湖泊沉積有機質δ15N值卻不能反映湖區植被的氮同位素信息。相比而言,黑碳是陸地植被不完全燃燒的產物(包括元素碳、木炭和部分碳化的植物殘體),隨著湖區周邊火事件的發生被保存到湖泊沉積記錄中,其δ15N值可以反映燃燒植被的氮同位素組成。 

1  岱海湖區新石器考古點分布圖。藍色圓點為仰韶文化期(ca. 6500-5000 cal. yr BP),紅色三角形為龍山文化期(ca. 5000-4000 cal. yr BP

  中國科學院新生代地質與環境重點實驗室王旭副研究員及合作者通過分析岱海湖泊沉積鉆孔中黑碳的氮同位素,重建了過去1萬年以來我國北方森林-草原生態系統中氮可獲得性的變化歷史,揭示了氮循環隨著土地利用方式的變化而發生的演化規律。研究結果表明,自距今7400年前原始農業開始時,黑碳δ15N值顯著升高(圖2d),說明湖區土壤中氮素的可獲得性顯著增加,暗示湖區土壤-植被系統的氮循環過程由封閉轉向開放狀態。該δ15N的升高伴隨著樹木比例的銳減(如在約74007000年前樹木百分比從62%快速降低到33%,圖2b,而同期降雨的增加(圖2b)無法解釋該植被變化,所以早期人類通過放火來開墾土地和進行農業活動是氮循環變化的可能原因。在這種情況下,人類用火會消耗掉土壤表層中貧15N的最上面部分,使得植物從下面層位獲取氮素,從而導致植物δ15N值升高;同時,在火發生后,土壤中氮的可獲得性增加,硝化反應也會增強,使得土壤中NH4+更富集15N,會導致植物δ15N值進一步升高。

    本研究還發現,在原始農業(約6600-3500年前)和隋唐時期傳統農業(公元581-907年)的影響下,氮的可獲得性表現出兩種不同的變化過程,即前者呈現緩慢上升趨勢而后者則表現為快速增加(圖2d),表明土壤中氮素可獲得性對農業模式的依賴性。原始農業活動主要通過清除森林植被和耕犁土壤來自增加氮素可獲得性,這是一個相對緩慢的過程,而傳統農業是通過向土壤中施放含氮肥料(如糞肥)來增加氮素可獲得性,這是一個相當快的過程。此外,進一步分析可以看出,在隋唐農業結束時,氮素可獲得性需要220年才恢復到擾動之前的水平(圖3)。鑒于隋唐農業活動在研究區域表現為一次很強的氮擾動事件,伴隨著大量活性氮素進入土壤和植被系統,可以被看作現代人類源氮沉降下限的相似型。如果以隋唐時期氮擾動的觀測結果作為現代人類氮排放效應的參考下限,即便人類停止活性氮素的排放,溫帶生態系統的氮循環至少需要幾百年的時間才能恢復到自然狀態。 

2  岱海沉積物DH99a鉆孔巖芯的多指標記錄對比。(a)黑碳C/N比值,(b)孢粉中的樹木百分比,(c)根據黑碳δ13C重建的降雨量變化,(d)黑碳δ15N值,(e)黑碳質量沉積速率(BCMSR)峰值,(f)據BCMSR峰值時間序列估算出的火發生頻率(藍色、綠色和紫色線分別對應1.061.101.12閾值計算的結果)。該多指標記錄與岱海湖區考古遺址記錄和人類活動時限進行了對比。石虎山文化(Shihushan)和王墓山文化(Wangmushan)屬于仰韶文化期(ca. 6500-5000 cal. yr BP);老虎山文化(Laohushan)屬于龍山文化期(ca. 5000-4000 cal. yr BP);ZKG III-IV代表朱開溝文化三期和四期(ca. 4000-3600 cal. yr BP);毛慶溝文化(Maoqinggou)屬于鄂爾多斯青銅器期(ca. 2600-2300 cal. yr BP

3  漢、隋唐和清代時期黑碳δ15N變化與黑碳C/N比值、樹木百分含量及降雨量的對比

  此項工作的研究意義在于: 

  (1)首次分析了黑碳的氮同位素,并證實其作為研究土壤-植被生態系統氮循環的有效的新指標; 

  (2)通過更長時間尺度的實例記錄,揭示了氮循環過程與人類農業活動的關系; 

  (3)為評估現代人類活性氮素排放的影響提供了關鍵的科學數據和參考標準。  

  研究成果發表于Geophysical Research Letters。(Wang X*, Cui L L, Yang S H, Xiao J L, Ding Z L. Human-induced changes in Holocene nitrogen cycling in North China: An isotopic perspective from sedimentary pyrogenic material [J]. Geophysical Research Letters, 2019, 46: 4599-4608. DOI: 10.1029/2019GL082306)(原文鏈接 

 
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