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沈陽生態(tài)所在氣候變暖下溫帶森林土壤氮排放研究取得重要進(jìn)展
氮(N)是植物初級(jí)生產(chǎn)力和森林碳固存能力的關(guān)鍵限制性營養(yǎng)元素，全球變暖預(yù)測(cè)將通過氣態(tài)途徑加速森林生態(tài)系統(tǒng)N損失，從而降低N可利用性。森林土壤氣態(tài)氮排放主要包括一氧化氮(NO)、氧化亞氮(N2O)和氮?dú)?N2)，其總量可占森林大氣氮輸入的一半。目前，大多數(shù)模型對(duì)土壤氮排放的溫度響應(yīng)預(yù)測(cè)仍基于實(shí)驗(yàn)室熱力學(xué)理論(如阿倫尼烏斯方程)，認(rèn)為氮排放速率隨溫度呈指數(shù)上升。然而，這類理論缺乏長期、原位的實(shí)地驗(yàn)證。迄今為止，全球有10個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)開展了原位N2O排放的增溫研究，而針對(duì)NO和N2的野外觀測(cè)仍是空白，這使得增溫情景下氣態(tài)氮排放的整體響應(yīng)及其機(jī)制尚未得到系統(tǒng)厘清。氣溫升高通過直接改變微生物代謝速率及間接影響土壤水分共同調(diào)控氣態(tài)氮排放。因此，開展長期野外增溫的高頻觀測(cè)對(duì)于揭示溫度與水分對(duì)土壤氮循環(huán)的耦合控制機(jī)制、提高陸地碳氮循環(huán)模型的預(yù)測(cè)能力具有重要科學(xué)意義。
基于此，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)團(tuán)隊(duì)依托在遼寧清原森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站?清原森林野外增溫平臺(tái)，建立了土壤NO和N2O排放速率的自動(dòng)采樣和測(cè)定系統(tǒng)(由30個(gè)土壤呼吸室、自動(dòng)控制系統(tǒng)、NO-NO2-NOx和Picaro G2508分析儀組成)，并對(duì)增溫下森林土壤氣態(tài)氮排放進(jìn)行了連續(xù)六年的高頻觀測(cè)(圖1)。
圖1.東北清原森林原位增溫實(shí)驗(yàn)和土壤NO和N2O排放在線分析設(shè)備。
在六年觀測(cè)期間，我們累計(jì)獲得約20萬次土壤NO和N2O的通量(圖2)，并估算了N2排放。與熱力學(xué)理論預(yù)測(cè)相反，增溫2°C使森林土壤NO和N2O排放分別降低了19%和16%(圖3)。與此同時(shí)，增溫顯著抑制了有機(jī)質(zhì)層土壤氮循環(huán)相關(guān)過程：有機(jī)質(zhì)層土壤微生物氮、可溶性有機(jī)氮、凈氮礦化和硝化速率分別下降6%、12%、21%和14%。進(jìn)一步分析表明，氣態(tài)氮排放的減少并非由于完全反硝化還原為N2(功能基因nosZ和估算的N2釋放均未顯著增加)，亦非土壤淋溶或植物吸收增加造成，而是源于升溫引起的土壤干燥限制微生物活性與氮轉(zhuǎn)化速率(圖4)，這一機(jī)制與年降水量低于1000 mm的其他溫帶森林增溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，表明在溫帶地區(qū)，土壤水分的變化可能主導(dǎo)未來森林生態(tài)系統(tǒng)氮排放對(duì)氣候變暖的響應(yīng)。
圖2.清原溫帶森林土壤增溫2°C對(duì)NO和N2O釋放速率的影響。
圖3.清原溫帶森林土壤氣態(tài)氮排放對(duì)增溫2°C的響應(yīng)。
圖4.增溫2°C對(duì)清原森林土壤凈氮礦化與硝化速率的影響及其NO和N2O排放對(duì)土壤水分變化的響應(yīng)。
本研究揭示了生態(tài)系統(tǒng)模型中“升溫會(huì)加速土壤氮排放”的假設(shè)存在局限，結(jié)果顯示增溫引起的土壤水分減少和凍融周期縮短能夠部分抵消溫度對(duì)氮排放的影響。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了現(xiàn)有模型僅以溫度驅(qū)動(dòng)氮排放正相關(guān)的假設(shè)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了在預(yù)測(cè)全球變暖下陸地氮循環(huán)變化時(shí)，明確考慮野外土壤水分的重要性(圖5)。
圖5.森林土壤氣態(tài)氮排放對(duì)變暖響應(yīng)的概念模型。
該研究成果以“Climate warming reduces soil gaseous nitrogen losses in a temperate forest”為題在2025年11月24日發(fā)表在PNAS期刊。沈陽生態(tài)所特別研究助理黃凱和吳迪研究員為共同第一作者，方運(yùn)霆研究員和美國加州大學(xué)河濱分校Peter M. Homyak副教授為共同通訊作者。合作者還有挪威生命科學(xué)大學(xué)Peter Dorsch教授、丹麥奧古斯大學(xué)Klaus Butterbach-Bahl教授、北京大學(xué)彭書時(shí)教授、美國新罕布什爾大學(xué)Erik A. Hobbie教授、海南大學(xué)巨曉棠教授、美國北卡羅來納州立大學(xué)胡水金教授、丹麥哥本哈根大學(xué)Per Gundersen教授、英國利茲大學(xué)Oliver L. Phillips教授和美國紐約州立大學(xué)朱偉興教授等。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目(42430510,32471652)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2023YFD150080203)和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目(2023204,2021195)等的支持。
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