實驗室在量化森林土壤反硝化作用氣態(tài)氮損失溫度敏感性取得重要進展
發(fā)布時間:2023-06-23 |
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? ? 土壤氣態(tài)氮(如N2O和N2等)損失是陸地生態(tài)系統(tǒng)氮損失的重要途徑,是導致陸地生態(tài)系統(tǒng)氮限制的重要機制。氣態(tài)氮主要來自硝化作用和反硝化作用等土壤微生物過程。陸地生態(tài)系統(tǒng)是大氣二氧化碳(CO2)重要的碳匯,在調節(jié)氣候變化方面發(fā)揮著重要的作用。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)每年吸收人為活動排放CO2的30%左右,但是其碳匯功能往往受到氮供應的限制。與1850-1900年相比,全球地表溫度目前已升高1.1°C左右。IPCC第六次評估報告預測在本世紀末(2081-2100年)升溫幅度將很有可能達到1.8-5.7°C。已有大量野外和室內培養(yǎng)的研究表明,全球變暖加快土壤有機質分解、土壤礦化和硝化作用。據此推論全球變暖很可能會增加土壤氣態(tài)氮的損失,從而使陸地生態(tài)系統(tǒng)更加缺氮,進一步限制其碳匯功能。因此,氣態(tài)氮損失對全球變暖的響應對于理解氣候變化背景下生態(tài)系統(tǒng)的反饋具有重要作用。由于量化土壤N2釋放速率存在技術的困難,有關土壤氣態(tài)氮損失溫度敏感性方面還缺少研究,從而限制了陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變暖響應的模型模擬和預測。
? ? 針對上述問題,實驗室方運霆研究員團隊與中國科學院地理科學與資源研究所張揚建團隊等建立了15N標記量化土壤N2O和N2產生速率的技術,對中國18個森林土壤反硝化作用N2O和N2產生速率的溫度敏感性進行了研究,探討了主要驅動因素,并利用生態(tài)系統(tǒng)過程模型(DyN-LPJ)結合室內培養(yǎng)的溫度敏感性結果模擬了未來變暖情形下全球森林土壤反硝化作用氣態(tài)氮釋放的響應。研究的18個森林站點從南到北相距4000km,緯度相差33°(圖1),覆蓋了廣泛的氣候梯度(年均溫相差25°C,年降水量相差2000mm)。
該圖基于自然資源部標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2020)4619號的標準地圖制作,底圖邊界無修改
研究發(fā)現,中國不同氣候帶森林土壤的反硝化作用N2O和N2產生速率隨著溫度的升高呈指數增長并呈現一定的地理格局(圖2)。然而,不同森林土壤之間N2O和N2釋放的Q10值與土壤理化和微生物指標及氣候因素無相關性,表明不同氣候帶下的森林土壤N2O和N2釋放具有一致的溫度敏感性,Q10值分別為2.1±0.5和2.6±0.6(圖3)。該研究的陸地生態(tài)系統(tǒng)反硝化作用Q10值(1.4-3.2)與已報道的水生生態(tài)系統(tǒng)反硝化作用Q10值(1.6-3.5)非常相近(圖4)。該研究表明不管是土壤還是海洋沉積物環(huán)境,反硝化作用的溫度敏感性相對來說比較一致,有利于模型模擬和預測全球變暖情況下反硝化作用的響應。N2O是一種強效的溫室氣體。氣候變暖將促進更多的N2O排放,更多N2O釋放將進一步加劇變暖,對氣候變化形成正反饋。該研究還發(fā)現,N2產生的溫度敏感性高于N2O,表明氣候變暖會使反硝化作用更加徹底,使土壤氣態(tài)氮損失更多以N2的方式進行。
圖2 18個森林土壤反硝化作用N2O、N2、N2O+N2產生速率對溫度的響應
目前,大多數森林仍然處于氮限制狀態(tài),氣候變暖引起的氣態(tài)氮損失和由此產生的氮限制很有可能進一步限制陸地生態(tài)系統(tǒng)的初級生產力及其碳匯功能。為進一步揭示全球尺度上氣候變暖對森林土壤氣態(tài)氮損失的影響,該研究將森林土壤反硝化作用N2O和N2釋放的Q10值與生態(tài)系統(tǒng)過程模型DyN-LPJ結合,預測了在全球變暖和其他全球變化因子(比如氮沉降、降水、大氣CO2)改變的背景下未來全球森林土壤反硝化作用氣態(tài)氮的釋放。模型的結果顯示,在1991-2000年全球森林生態(tài)系統(tǒng)土壤反硝化作用N2O和N2的釋放速率分別為3.8和81.9 Tg N yr-1,氣態(tài)氮釋放以氮氣為主。在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下,2100年森林土壤反硝化作用N2O的釋放速率分別升高至6.3和7.8 Tg N yr-1,N2的釋放速率將分別為121.1和133.0 Tg N yr-1(圖5)。
圖5 DyN-LPJ模型模擬不同溫室氣體排放情景模式下2100年全球森林生態(tài)系統(tǒng)反硝化作用N2O和N2釋放速率與2000年相比的年增量
a-c和d-f圖分別為SSP2-4.5和SSP5-8.5情景模式下的氣態(tài)氮釋放模擬結果
綜上所述,該研究在大陸尺度上量化了森林土壤反硝化作用產生的N2O和N2的溫度敏感性,為模型模擬提供重要的數據參數,有助于加深對未來變暖背景下森林生態(tài)系統(tǒng)復雜的碳氮耦合過程及其對變暖反饋的理解。?
這項研究成果以“Universal temperature sensitivity of denitrification nitrogen losses in forest soils”為題于2023年6月22日發(fā)表在Nature Climate Change上(IF2021=28.66)。實驗室于浩明博士生為第一作者,方運霆研究員和中國科學院地理科學與資源研究所張揚建研究員為共同通訊作者。合作者還有挪威生命科學大學Jan Mulder教授和Peter Dorsch教授、美國紐約州立大學朱偉興教授、中國科學院青藏高原研究所旭日研究員等。該研究受到國家重點研發(fā)計劃(2016YFA0600802)和中國科學院盧嘉錫國際團隊項目(GJTD-2018-07)等項目資助。?