不同类型森林干扰对山区流域（波兰塔特拉山脉）中铵盐和硝酸盐迁移的影响

《CATENA》：Effect of forest disturbances of different origin on the migration of ammonium and nitrate in a montane catchment (Tatra Mountains, Poland)

森林干扰对氮循环的影响：以波兰塔特拉山脉为例，研究显示风倒砍伐区因次生植被覆盖有效减少硝酸盐流失，而松树甲虫侵害区因植物吸收减弱导致春季硝酸盐浓度显著升高，可能引发水体富营养化。氮饱和背景下，铵态氮主要在秋季因土壤氨化作用释放，但贡献有限。

　　森林生态系统在面对气候变化和人类活动的影响时，表现出对氮循环的复杂反应。特别是在氮饱和条件下，这些系统的氮吸收和释放机制会受到显著影响。本研究聚焦于波兰塔特拉山脉的三个不同小流域，探讨了森林干扰（如风倒和树干虫害）对土壤和溪流中矿物氮浓度的影响。通过对比未受干扰的森林流域（F）、受树干虫害影响的流域（BB）以及受风倒影响并处于次生演替阶段的流域（WD），研究揭示了这些生态系统在不同季节中氮循环的差异性特征。

塔特拉山脉近年来经历了大规模的森林干扰，其中包括2013年发生在西部地区的严重风倒事件，随后引发了广泛的树干虫害。这些生态系统的氮饱和现象，主要是由于大气氮沉降量的增加，使得其在氮循环过程中表现出特殊的反应模式。研究发现，在春季，土壤和溪流中硝酸盐氮（NO??-N）的浓度达到峰值，表明融雪是这一时期硝酸盐氮释放的主要驱动因素。然而，不同流域对这种季节性氮盈余的反应存在显著差异。在F和WD流域，森林和次生植被（如灌木和草类）有效地吸收了土壤中的硝酸盐氮，从而限制了其向地表水的输送。相反，在BB流域，由于死亡树木对氮的吸收能力下降，导致溪流中硝酸盐氮浓度显著升高，可能对水体富营养化构成潜在风险。

研究还发现，硝化作用似乎不是土壤中硝酸盐氮的主要来源，而氮的固定作用可能在春季对限制硝酸盐氮的淋失起关键作用。此外，两个受干扰流域（BB和WD）的土壤表层（A层）在秋季表现出较高的铵氮（NH??-N）矿化率，这可能是溪流中检测到的铵氮的主要来源。然而，铵氮对整体氮损失的贡献相对较小，这可能与其在土壤中的有效吸附有关。

### 氮循环与森林干扰的关系

森林干扰对氮循环的影响是多方面的，包括氮的固定、矿化、硝化以及植物吸收等过程。在研究区域，氮沉降量较高，尤其是在较低海拔地区，2017至2019年的数据表明，氮沉降量达到了9至15公斤/公顷/年。这种高水平的氮输入通常会增加土壤和地表水中的矿物氮浓度，但不同干扰类型对氮循环的调控机制有所不同。例如，风倒事件和虫害对氮循环的影响存在显著差异，前者可能通过次生植被的快速恢复减少氮的流失，而后者则可能由于树木死亡和微生物群落变化导致氮的释放和淋失。

在未受干扰的F流域，森林植被对氮的吸收能力较强，特别是在春季，树木和植物根系对氮的摄取有效抑制了硝酸盐氮向地表水的输送。然而，在BB流域，由于树干虫害导致的树木死亡，植被对氮的吸收能力下降，从而增加了硝酸盐氮的淋失风险。相比之下，WD流域由于次生植被的恢复，如灌木和草类的密集覆盖，有效地限制了氮的流失。这些发现表明，植被类型和覆盖程度在氮循环中扮演着重要角色，尤其是在氮饱和条件下。

### 氮固定与矿化的作用

氮固定和矿化是土壤中氮循环的重要组成部分，它们在不同季节和干扰条件下表现出不同的行为。研究发现，在春季，土壤中氮的固定作用超过了矿化作用，这导致了硝酸盐氮浓度的降低。而在秋季，矿化作用增强，特别是在受干扰的流域，土壤中的铵氮浓度显著上升。这种季节性变化可能与土壤中的微生物活动、植物根系对氮的吸收能力以及气候条件的变化有关。

此外，土壤的物理特性，如总孔隙度、非毛细孔隙度和土壤质地，也对氮的循环和淋失具有重要影响。例如，在BB和WD流域，土壤的非毛细孔隙度较高，这可能促进了氮的快速迁移和释放。而在F流域，土壤的总孔隙度和非毛细孔隙度相对较低，这有助于氮的固定和吸附，从而减少了其向地表水的输送。

### 氮沉降与生态系统健康

氮沉降的增加不仅影响土壤和地表水中的氮浓度，还可能对生态系统的健康产生深远影响。长期的高氮沉降可能导致土壤和水体的氮饱和，进而影响生态系统的养分平衡。在塔特拉山脉，由于历史上严重的工业污染，氮沉降量一直较高，直到2000年代初才有所下降。然而，即便如此，氮沉降仍然处于较高水平，这使得该地区对森林干扰的反应更加敏感。

研究还指出，氮饱和不仅影响氮的循环，还可能改变生态系统的结构和功能。例如，在氮饱和条件下，森林的氮吸收能力下降，导致更多的氮通过地表径流进入水体，增加了富营养化的风险。这种现象在BB流域尤为明显，其溪流中的硝酸盐氮浓度在春季达到峰值，接近或超过了富营养化的阈值。相比之下，WD流域的氮淋失相对较低，这可能与其次生植被的恢复有关。

### 氮循环的季节性特征

氮循环在不同季节表现出显著的季节性特征，这种季节性变化可能与气候条件、土壤水分状况以及植物生长周期有关。春季，融雪是氮释放的主要驱动力，而秋季则以矿化作用为主。在F流域，春季的硝酸盐氮浓度较高，表明树木和植被在春季对氮的吸收能力较弱，而在秋季，随着植被的生长和微生物活动的增强，氮的矿化作用显著增加。

在BB流域，由于树木的死亡和枯萎，氮的吸收能力下降，导致春季硝酸盐氮浓度显著升高。而在WD流域，次生植被的恢复可能有效减少了氮的淋失，尤其是在春季，尽管土壤中的硝酸盐氮浓度较高，但其对地表水的贡献相对较小。这些发现表明，森林干扰的类型和时间对氮循环的季节性特征具有重要影响。

### 研究的生态意义

本研究的结果对理解森林干扰对氮循环的影响具有重要意义。特别是在氮饱和条件下，森林干扰可能导致氮的淋失增加，从而对地表水质量产生负面影响。因此，研究建议在森林管理中应注重促进次生植被的恢复，以减少氮的流失并保护水体生态。此外，研究还指出，氮的固定和吸附作用在春季对限制氮的淋失具有重要作用，这为未来的研究提供了新的方向。

总的来说，本研究揭示了森林干扰对氮循环的复杂影响，强调了植被类型、土壤特性以及季节性变化在氮循环中的关键作用。这些发现不仅有助于理解塔特拉山脉的氮循环机制，也为其他氮饱和地区的森林管理和生态保护提供了重要的参考依据。