當(dāng)前,全球變化,如氮沉降、大氣CO2濃度升高、氣候變暖與降水格局改變等在改變森林生態(tài)系統(tǒng)的氮狀態(tài)。這些全球變化因子可能使森林生態(tài)系統(tǒng)趨向于氮限制,也有可能趨向于氮飽和。森林生態(tài)系統(tǒng)氮狀態(tài)的變化對(duì)森林生產(chǎn)力、生物多樣性及全球碳循環(huán)具有重要影響。然而,科學(xué)界用于評(píng)估森林氮狀況的指標(biāo)繁多,其可比性、敏感性與可解釋性尚不明確,這為準(zhǔn)確診斷氮狀況并預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
為系統(tǒng)解決上述問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多國(guó)科研單位,評(píng)估了16種用于評(píng)估森林氮素狀況的潛在指標(biāo),涵蓋了應(yīng)用廣泛的傳統(tǒng)指標(biāo)和旨在捕捉氮循環(huán)特征的新指標(biāo),并將其分為樹(shù)木相關(guān)(如葉片氮含量、葉片營(yíng)養(yǎng)元素比率、葉片及樹(shù)木年輪中的自然15N豐度)、土壤相關(guān)(土壤碳氮比、無(wú)機(jī)氮濃度、氮轉(zhuǎn)化速率、土壤δ15N及富集因子)和生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)(凋落物氮通量、硝酸鹽淋溶量及氧化亞氮(N2O)排放量)三大類(lèi)指標(biāo)。
研究指出,多數(shù)指標(biāo)能夠有效反映森林氮循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程的變化。其中,葉片氮濃度、土壤碳氮比和無(wú)機(jī)氮庫(kù)等經(jīng)典指標(biāo)在診斷氮有效性變化方面具有重要參考價(jià)值;而基于氮同位素技術(shù)的新興指標(biāo)(如葉片、土壤和樹(shù)木年輪中的δ15N以及富集因子)能夠整合長(zhǎng)期氮循環(huán)過(guò)程信息,有助于系統(tǒng)區(qū)分氮限制與漸進(jìn)式氮富集狀態(tài),展現(xiàn)出更大的潛力。然而,目前大多數(shù)指標(biāo)仍缺乏普適性的診斷閾值,難以在不同森林類(lèi)型和區(qū)域間可靠判別氮限制與氮飽和。此外,單一指標(biāo)通常僅能表征氮循環(huán)的特定過(guò)程,難以系統(tǒng)刻畫(huà)生態(tài)系統(tǒng)的整體氮平衡。鑒于此,作者強(qiáng)調(diào),必須融合多種互補(bǔ)指標(biāo),構(gòu)建多維評(píng)估體系,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)森林氮狀態(tài)更全面、更準(zhǔn)確的評(píng)估。
研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),僅少數(shù)指標(biāo)(如葉片氮濃度與氮磷比)與森林健康參數(shù)(如冠層落葉程度、養(yǎng)分失衡狀況)存在一定關(guān)聯(lián)。基于上述結(jié)論,作者建議未來(lái)研究應(yīng)聚焦于建立區(qū)域與森林類(lèi)型特異性的閾值體系,構(gòu)建多指標(biāo)協(xié)同的評(píng)估框架,并深化氮循環(huán)指標(biāo)與森林健康及生態(tài)系統(tǒng)功能之間的機(jī)制聯(lián)系,從而為全球變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性管理提供科學(xué)依據(jù)。該綜述為評(píng)估與篩選可靠的氮指標(biāo)提供了統(tǒng)一框架,對(duì)未來(lái)的相關(guān)研究與實(shí)踐監(jiān)測(cè)具有重要指導(dǎo)意義。通過(guò)厘清現(xiàn)有指標(biāo)的有效性與局限性,本研究不僅深化了對(duì)氮循環(huán)過(guò)程的理解,也為全球環(huán)境變化下的森林適應(yīng)性管理提供了理論支撐。
該研究結(jié)果以“Limitations and strengths of indicators for evaluating the nitrogen status of forest ecosystems”為題于2025年11月13日發(fā)表在Environmental Reviews (https://doi.org/10.1139/er-2025-0045)。沈陽(yáng)生態(tài)所方運(yùn)霆研究員為通訊作者,沈陽(yáng)生態(tài)所副研究員Geshere A. Gurmesa為第一作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目資助。

圖1 全球變化下森林生態(tài)系統(tǒng)氮素狀況的雙重演變路徑,圖示在各類(lèi)區(qū)域及全球變化驅(qū)動(dòng)因素的作用下,森林生態(tài)系統(tǒng)向氮素飽和狀態(tài)(紅色箭頭)或氮素限制狀態(tài)(藍(lán)色箭頭)的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。

圖2 森林氮狀況及其從氮限制(左)到氮飽和(右)轉(zhuǎn)變的示意圖。

圖3 氮限制與氮飽和森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤總無(wú)機(jī)氮(TIN)、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮濃度變化示意圖。

圖4 氮限制與氮飽和森林中葉片δ15N以及土壤剖面內(nèi)土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮δ15N變化示意圖。




