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)等問題的重要實現(xiàn)途徑。然而,由于人工林樹種單一造成其地力衰退,同時木材收獲進一步加劇養(yǎng)分失衡,使得人工林普遍存在養(yǎng)分供應與生長需求不匹配的問題,嚴重制約其高效、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。同時,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,導致對樹木氮來源核算與關鍵權衡關系的理解不完整。
針對這一科學問題,研究團隊提出“樹木氮經(jīng)濟三元框架”(triadic nitrogen?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(塞罕壩機械林場)的“河北塞罕壩人工林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站”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)氮添加控制實驗開展驗證。研究發(fā)現(xiàn)三條路徑之間的耦合關系會隨林分發(fā)育發(fā)生方向性轉變: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衡關系,而葉片氮重吸收與根系氮重吸收則呈協(xié)同關系。隨著林分發(fā)育,成熟林表現(xiàn)為更強的氮限制,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”獲取逐步轉向與外生菌根真菌協(xié)作的“外包式”獲取,并更依賴體內氮的重吸收。其氮利用策略表現(xiàn)為:根系氮獲取與葉片氮重吸收、根系氮重吸收關系均由權衡轉為協(xié)同。同樣,葉片氮重吸收與根系氮重吸收呈協(xié)同關系(圖2)。
該研究將根系氮重吸收納入樹木氮經(jīng)濟的核心核算單元,指出林分發(fā)育階段是調控三條氮供應路徑權重與耦合結構的關鍵因子,為在持續(xù)氮沉降背景下更準確預測森林氮素循環(huán)及其對碳匯過程的影響提供了新的機制框架;同時也指出未來需要進一步發(fā)展以“通量”為基礎的綜合核算方法,將不同途徑的相對貢獻轉化為可比較的定量權重,從而提升模型預測能力。相關研究成果以“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》。中國科學院沈陽應用生態(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。該研究得到了國家自然科學基金重大項目(32192435)、面上項目(32171762)和防護林工程與荒漠化防治內蒙古院士工作站等的資助。
論文鏈接:https://doi.org/10.1111/nph.71019

圖1?樹木氮經(jīng)濟三元框架概念圖

圖2?氮經(jīng)濟三元關系隨林分發(fā)育轉變圖




