沈陽生態(tài)所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(jìn)展
沈陽生態(tài)所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(jìn)展
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(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)氮限制的重要機(jī)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(diào)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(yīng)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(yù)測在本世紀(jì)末(2081-2100年)升溫幅度將很有可能達(dá)到1.8 ~ 5.7°C。已有大量野外和室內(nèi)培養(yǎng)的研究表明,全球變暖加快土壤有機(jī)質(zhì)分解、土壤礦化和硝化作用。據(jù)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(jìn)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(yīng)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(shù)的困難,有關(guān)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(yīng)的模型模擬和預(yù)測。
針對上述問題,中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所方運(yùn)霆研究員團(tuán)隊與中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所張揚(yáng)建團(tuán)隊等建立了15N標(biāo)記量化土壤N2O和N2產(chǎn)生速率的技術(shù),對中國18個森林土壤反硝化作用N2O和N2產(chǎn)生速率的溫度敏感性進(jìn)行了研究,探討了主要驅(qū)動因素,并利用生態(tài)系統(tǒng)過程模型(DyN-LPJ)結(jié)合室內(nèi)培養(yǎng)的溫度敏感性結(jié)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(yīng)。研究的18個森林站點從南到北相距4000 km,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2000 mm)。

圖1本研究18個森林站點的地理位置分布
站點的顏色深淺表示其年均溫的大小。該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2020)4619號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖邊界無修改。
研究發(fā)現(xiàn),中國不同氣候帶森林土壤的反硝化作用N2O和N2產(chǎn)生速率隨著溫度的升高呈指數(shù)增長并呈現(xiàn)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(biāo)及氣候因素?zé)o相關(guān)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(yù)測全球變暖情況下反硝化作用的響應(yīng)。N2O是一種強(qiáng)效的溫室氣體。氣候變暖將促進(jìn)更多的N2O排放,更多N2O釋放將進(jìn)一步加劇變暖,對氣候變化形成正反饋。該研究還發(fā)現(xiàn),N2產(chǎn)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(jìn)行。

圖2 18個森林土壤反硝化作用N2O、N2、N2O+N2產(chǎn)生速率對溫度的響應(yīng)

圖3 18個森林土壤的反硝化N2O、N2和N2O+N2的釋放速率和微生物硝酸鹽消耗的溫度敏感性

圖4 陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)反硝化作用溫度敏感性隨緯度的變化
目前,大多數(shù)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(chǎn)生的氮限制很有可能進(jìn)一步限制陸地生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力及其碳匯功能。為進(jìn)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(jié)合,預(yù)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(jié)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(jié)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(chǎn)生的N2O和N2的溫度敏感性,為模型模擬提供重要的數(shù)據(jù)參數(shù),有助于加深對未來變暖背景下森林生態(tài)系統(tǒng)復(fù)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)。中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所于浩明博士生為第一作者,方運(yùn)霆研究員和中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所張揚(yáng)建研究員為共同通訊作者。合作者還有挪威生命科學(xué)大學(xué)Jan Mulder教授和Peter Do?rsch教授、美國紐約州立大學(xué)朱偉興教授、中國科學(xué)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(xué)院盧嘉錫國際團(tuán)隊項目(GJTD-2018-07)等項目資助。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41558-023-01708-2
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