森林转换
目前最大的土地利用变化发生在热带地区。图7.1显示了秘鲁森林砍伐的典型例子。在2008年至2012年期间，预计每年将有13.7 x106ha的热带森林被砍伐，而热带地区每年只有2.6 x106ha的土地被植树造林(IPCC, 2000年)。仅在巴西亚马逊地区，在过去二十年中，估计每年砍伐森林面积为1至4 × 106公顷，其中70%已被转变为牧场(Serrao, 1992;Melillo等人，2001)。热带森林土壤被认为是最大的单一土壤自然源(Stehfest和Bouwman, 2006)。因此，了解土地利用变化对这些排放的影响非常重要。在本节中，我们将查看N周期原始热带森林的N2O排放量，森林转换过程中发生的情况，以及原始林之后土地利用类型的不同导致的不同结果。
热带低地的土壤通常有数百万年的历史，风化程度很高。岩石和土壤矿物的风化作用释放出植物有效磷，但随着时间的推移，风化作用输入的减少，加上磷的溶解形式的持续损失，最终导致磷的限制。相反，N的输入来源于大气N2。这个氮库是丰富的，但其转化为生物体可用的形式受到转化过程中能量需求的限制。大气中的氮气是通过固定氮的微生物(通常与某些树木共生)和大气中的氮气氧化为NOx(例如闪电或火山活动)提供给生态系统的。在20,000年内，N丰度的增加和P有效性的降低导致P而不是N成为限制因素，这是初始情况的逆转(Hedin et al, 2003)。夏威夷地区氮库的变化和时间序列上的变化表明，在森林发展过程中，氮限制相对较早地得到缓解(Hedin et al .，
2003)。在300年和2100年的基质上，森林中NO3-的浓度相对于NH4+的浓度较低，表明植物和微生物之间对NH4+的竞争很强，在这些阶段几乎没有硝化作用。因此，N2O通量可以忽略不计(< 0.01kg N2O- n hm -1 yr-1)。然而，在基于2万年基材的森林中，可交换性no3在所有古老森林中都有所增加并保持在较高水平。此外，净硝化速率在长达2万年的时间里大幅增加。在较老的地点，近100%的矿化N转化为NO3-。因此，N2O通量增加至1.1kg N2O- n ha-1年-1 (Hedin et al, 2003)。这接近Stehfest和Bouwman(2006)总结的77个观测值(0.85kg N2O-N ha-1 year -1)的平均值。据报告，个别地点的N2O-N年通量要大得多，在巴西圣塔伦附近未受干扰的Tapajos国家森林，N2O-N hm -1年通量可达6-7公斤(Keller等人，2005年)。
研究发现，热带雨林中的植被吸收的矿物氮量是微生物吸收的三倍。即便如此，来自有机物分解的矿物氮中，仍有0.7%以N2O的形式排放出来(Templer et al, 2008)。森林砍伐最初减少了植被对矿物氮的吸收。因此，微生物种群对矿物质N的可利用性可能会急剧增加，N2O的排放量也可能大幅增加。事实上，梅利洛等人(2001)在亚马逊西部发现，在头两年，牧场的排放量是森林土壤排放量的2.5倍，但在三年或三年以上的牧场，排放量下降到低于森林的水平。尼尔等人(2005年)在巴西朗多尼亚也进行了类似的观察，森林每年排放1.7-4.3千克N2O-N ha-1年，而年轻牧场(1- 3年)每年排放3.1-5.1千克N2O-N ha-1年，老牧场(> 6年)每年排放0.1 - 0.4千克N2O-N ha-1年。早些时候，Keller等人(1993)在哥斯达黎加一个非常肥沃的地区发现，N2O排放量(由潮湿土壤中快速的N矿化和反硝化作用驱动)远远高于亚马逊地区(图7.1)，仅在转换为牧场18年后，N2O排放量就下降到低于森林排放量。Veldkamp等人(1999)在同一地点的后续研究中，记录的通量仅为早期发现的通量的三分之一左右，但这项工作是在相对干燥的时期完成的，因此可能低估了长期平均值。苏门答腊岛的森林砍伐和咖啡园的建立显示了类似的模式(Verchot等人，2006年):最初增加N2O排放量，随后减少，尽管在前十年内没有低于森林排放量(图7.1)。此外，在次生林的刀耕火种之后，N2O的短暂增加只持续了几个月(Weitz等人，1998年)。 Some studies even report no such effect at all. In eastern Amazonia, Verchot et al (1999) recorded emissions from pastures only one-eighth to one-third of those from primary forest, similar to later observations by Wick et al (2005) in central Amazonia.
后一项研究发现，森林凋落物C:N比从25左右增加到2年龄牧场的40到70之间，而森林砍伐后微生物生物量大幅下降。Wick等人(2005)假设亲
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- 图7.1热带森林(时间0)和开垦牧场和咖啡园后的前几十年N2O排放量
来源:▼Keller et al (1993);Veldkamp et al (1999);•梅利洛等人(2001);□Verchot等人(2006)
随着放牧年龄的增加，氮素的递减限制可能是由早期氮素通过气体排放和淋滤损失引起的N固定高C:N比的凋落物和根系对N的固定作用。因此，草地下氮矿化和硝化的速率比森林下要小(Neill et al, 1999)。氮的损失进一步增加生物质燃烧在森林清理期间和在已建立的牧场上，这是一种常用的方式，以刺激新鲜和美味的饲料重新生长。火将生物质中的大部分有机氮转化为N2，但一些NOx和N2O也通过热原产生。热带干燥的详细测量落叶森林印度的一项研究表明，0.05%至0.07%的N可以以N2O的形式以这种方式释放(Prasad et al, 2002)。
土地利用变化对区域N2O排放的总体影响难以评估。氮素有效性降低导致肥力逐渐下降，导致牧场退化和上述N2O排放减少。亚马逊地区估计有12 X 106公顷的牧场出现了某种程度的退化(do Carmo和Cerri, 2007)。Melillo等人(2001)的模拟表明，由于土地利用变化，亚马逊盆地对全球N2O排放的总贡献略有下降。在草地管理在经济上不再可行的地方，牧场被遗弃，可能会建立次生林。这样的发展可以扭转氮限制和N2O排放的情况(Davidson等人，2007年)。N在凋落物中的浓度随着次生林的建立而增加。树龄超过20年的森林已经显示出氮丰的迹象，如土壤可提取的NO3-与NH4+的比值大于1所示。几乎同时，N2O的年排放量可以从近0.1kg N2O- n ha-1增长到1-2kg N2O- n ha-1 (Davidson et al, 2007)。
森林有不同的转化方式农业用地。而不是砍砍和燃烧最初的植被，它可以被切碎和覆盖。Davidson等人(2008)在建立这两个系统的头两年跟踪研究。他们发现，锄头和地膜系统保存了植物营养，并为农民提供了新的经济机会。然而，它使N2O的排放量增加了50%，尽管在100年的时间框架内，以二氧化碳当量计算的温室气体总排放量比刀耕火种管理少6倍，这主要是因为火灾减少了CH4的排放。
种植固氮树，如金合欢，是增加氮循环和提高生产力的另一种方法。Arai等(2008)在印度尼西亚苏门答腊岛的一项研究表明，在金合欢人工林中，NO3-与NH4+的比值比次生林大，这表明金合欢的存在缓解了N的短缺。同时，次生林N2O排放量从0.33kg N2O- n ha-1年-1增加到刺槐人工林的2.56kg N2O- n ha-1年-1年。然而，就二氧化碳当量而言，这些人工林排放的N2O抵消了这些树木生长过程中不到10%的二氧化碳吸收。
农业可持续发展也可以通过在休耕期间添加固氮灌木的残留物来增加。Millar在肯尼亚西部进行的一项研究(2002年，Mutuo等人，2005年引用)表明，这会使N2O排放量从1kg N2O- n ha-1年增加到1.4 - 4.9kg N2O- n ha-1年。固定氮灌木的残留物排放因子估计在0.5%至1.9%之间，相比之下，自然休耕残留物的排放因子仅为0.2%，C:N比值可能要高得多。
其他通常取代热带森林的种植园是橡胶和油棕，这些已经被Ishizuka等人(2005)研究过。他们发现，印度尼西亚占碑省的这些人工林的N2O排放在空间上非常不均匀，但与森林的N2O排放量(0.76kg N2O- n ha-1年-1)相似，比草地的N2O排放量大5倍。在中国西南部，橡胶人工林和原生林也确定了类似的排放(Werner et al, 2006)。Melling等人(2007)跟踪了马来西亚沙捞越热带泥炭地一年多的N2O排放，其中混合泥炭沼泽森林排放N2O最少(0.7kg N2O- n ha-1年-1)，其次是棕榈油种植园(1.2kg N2O- n ha-1年-1)和西米(Metroxylon sagu)生态系统(3.3kg N2O- n ha-1年-1)。在温暖的潮湿的热带地区例如，在印度尼西亚的苏拉威西岛中部，可可农林是一种可持续的农业形式。然而，N2O排放量(3.1kg N2O- n ha-1年-1)可能大于玉米排放(0.8kg N2O- n ha-1年-1)或次生林排放(2.2kg N2O- n ha-1年-1)(Veldkamp et al, 2008)。在更可持续的土地利用形式中，单位土地面积的N2O排放量越大，通常伴随着更高的生产率(例如，单位土地面积的收入)。因此，单位产品的N2O排放量往往比排放量较小但生产率也低得多的可持续系统低得多。
总而言之，与其他自然生态系统相比，热带森林的N2O排放量往往较大。土壤中NO3-/NH4+比值越大，说明土壤中氮含量高，硝化和反硝化速率高，这都是产生n2o的过程。在森林被转换的地方，排放量可能会在数年内短暂增加。然而，在凋落物中C:N比值远大于森林的草地上燃烧植被和取而代之，往往会降低生态系统的肥力，因为N的限制和N2O排放量下降到低于以前在森林中观察到的值。恢复，例如通过固定氮的灌木，可以恢复以前的氮循环速率，但也会导致更大的N2O排放。橡胶、油棕、咖啡或可可种植园可能比草地更有利可图，也更可持续。然而，它们的排放量往往与它们赖以生存的森林相似，有时甚至更大。
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