农业影响我国北方数千年氮循环变化

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  自20世纪以来,人类通过过度施用氮肥和燃烧化石燃料等方式释放了大量的活性氮素,极大地扰动了自然氮循环过程,并由此产生了地表水体富营养化、生态胁迫和温室效应增强等一系列环境问题。

  欧亚大陆的早期农业活动至少在8000年前业已开始,并被认为是全新世(约11700年前至今)二氧化碳浓度“异常升高”的主要原因。然而尚不清楚的是:早期人类活动何时开始影响氮循环?在土地利用方式改变过程中,氮循环如何演化?

  氮同位素研究是揭示生态系统氮循环性质的有效手段。例如,较高的氮同位素值通常指示较大的氮素可获得性和更开放的氮循环过程。

  在我国北方岱海湖区,存在着许多仰韶文化和龙山文化遗址,原始农业至少开始于7000年前,是研究湖区早期人类活动与土壤-植被系统氮循环之间关系的天然实验室。黑碳是陆地植被不完全燃烧的产物(包括元素碳、木炭和部分碳化的植物残体),随着湖区周边火事件的发生被保存到湖泊沉积记录中,其氮同位素值可以反映燃烧植被的氮同位素组成。

  中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室副研究员王旭及合作者通过分析岱海湖泊沉积钻孔中黑碳的氮同位素,重建了过去1万年以来我国北方森林-草原生态系统中氮可获得性的变化历史,揭示了氮循环随着土地利用方式的变化而发生的演化规律。

  研究结果表明,自距今7400年前原始农业开始时,黑碳氮同位素值显著升高,说明湖区土壤中氮素的可获得性显著增加,暗示湖区土壤-植被系统的氮循环过程由封闭转向开放状态。氮同位素的升高伴随着树木比例的锐减(如在约7400至7000年前树木百分比从62%快速降低到33%),而同期降雨的增加无法解释该植被变化,所以早期人类通过放火来开垦土地和进行农业活动是氮循环变化的可能原因。

  该研究还发现,在原始农业(约6600-3500年前)和隋唐时期传统农业(公元581-907年)的影响下,氮的可获得性表现出两种不同的变化过程,即前者呈现缓慢上升趋势而后者则表现为快速增加,表明土壤中氮素可获得性对农业模式的依赖性。原始农业活动主要通过清除森林植被和耕犁土壤来增加氮素可获得性,这是一个相对缓慢的过程,而传统农业是通过向土壤中施放含氮肥料(如粪肥)来增加氮素可获得性,这是一个相当快的过程。