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沈陽生態(tài)所在人工林樹木氮經(jīng)濟(jì)三元框架研究中取得新進(jìn)展
人工林營建是緩解木材供需缺口(木材生產(chǎn))和氣候變暖(增加碳匯)等問題的重要實(shí)現(xiàn)途徑。然而，由于人工林樹種單一造成其地力衰退，同時(shí)木材收獲進(jìn)一步加劇養(yǎng)分失衡，使得人工林普遍存在養(yǎng)分供應(yīng)與生長需求不匹配的問題，嚴(yán)重制約其高效、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，越來越多的證據(jù)表明人工林的養(yǎng)分循環(huán)與利用策略受林齡顯著調(diào)控。氮素是溫帶森林生產(chǎn)力最主要的限制性養(yǎng)分元素，然而持續(xù)增加的大氣氮沉降，正在重塑樹木“從土壤獲取”與“體內(nèi)重吸收再利用”之間的平衡。長期以來，樹木生長的氮來源通常被認(rèn)為是兩條路徑：即根系從土壤中獲取氮和葉片在衰老過程中的氮重吸收;而根系在衰老過程中的氮重吸收(root nitrogen resorption)往往被忽略，導(dǎo)致對樹木氮來源核算與關(guān)鍵權(quán)衡關(guān)系的理解不完整。
針對這一科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)提出“樹木氮經(jīng)濟(jì)三元框架”(triadicnitrogen economy)，將根系氮獲取、葉片氮重吸收、根系氮重吸收三條路徑納入統(tǒng)一核算(圖1)，并依托位于北半球最大的人工林種植基地(塞罕壩機(jī)械林場)的“河北塞罕壩人工林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站”的不同林齡(幼齡林、中齡林和成熟林)華北落葉松(Larix principis-rupprechtii)人工林長期(已15年)氮添加控制實(shí)驗(yàn)開展驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)三條路徑之間的耦合關(guān)系會(huì)隨林分發(fā)育發(fā)生方向性轉(zhuǎn)變：在氮限制相對較弱的幼齡林，樹木生長的氮利用策略表現(xiàn)為：根系氮獲取與葉片氮重吸收、根系氮重吸收均呈權(quán)衡關(guān)系，而葉片氮重吸收與根系氮重吸收則呈協(xié)同關(guān)系。隨著林分發(fā)育，成熟林表現(xiàn)為更強(qiáng)的氮限制，且根系氮獲取的碳消耗成本更高，促使樹木生長的氮需求由根系的“自主式”獲取逐步轉(zhuǎn)向與外生菌根真菌協(xié)作的“外包式”獲取，并更依賴體內(nèi)氮的重吸收。其氮利用策略表現(xiàn)為：根系氮獲取與葉片氮重吸收、根系氮重吸收關(guān)系均由權(quán)衡轉(zhuǎn)為協(xié)同。同樣，葉片氮重吸收與根系氮重吸收呈協(xié)同關(guān)系(圖2)。
該研究將根系氮重吸收納入樹木氮經(jīng)濟(jì)的核心核算單元，指出林分發(fā)育階段是調(diào)控三條氮供應(yīng)路徑權(quán)重與耦合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子，為在持續(xù)氮沉降背景下更準(zhǔn)確預(yù)測森林氮素循環(huán)及其對碳匯過程的影響提供了新的機(jī)制框架;同時(shí)也指出未來需要進(jìn)一步發(fā)展以“通量”為基礎(chǔ)的綜合核算方法，將不同途徑的相對貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)化為可比較的定量權(quán)重，從而提升模型預(yù)測能力。相關(guān)研究成果以“Root resorption completes the tree nitrogen economy:evidence from a 15-yr nitrogen addition experiment across stand ages”為題，于2026年2月發(fā)表在《New Phytologist》。中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所特別研究助理寧石杰為第一作者，閆濤研究員為通訊作者;朱教君研究員給予重要指導(dǎo)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(32192435)、面上項(xiàng)目(32171762)和防護(hù)林工程與荒漠化防治內(nèi)蒙古院士工作站等的資助。
圖1 樹木氮經(jīng)濟(jì)三元框架概念圖
圖2 氮經(jīng)濟(jì)三元關(guān)系隨林分發(fā)育轉(zhuǎn)變圖
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