【儀表網 研發快訊】土壤氣態氮(如N2O和N2等)損失是陸地生態系統氮損失的重要途徑，是導致陸地生態系統氮限制的重要機制。氣態氮主要來自硝化作用和反硝化作用等土壤微生物過程。陸地生態系統是大氣二氧化碳(CO2)重要的碳匯，在調節氣候變化方面發揮著重要作用。全球陸地生態系統每年吸收人為活動排放CO2的30%左右，但其碳匯功能往往受到氮供應的限制。與1850-1900年相比，全球地表溫度目前升高1.1°C左右。IPCC第六次評估報告預測在21世紀末(2081-2100年)升溫幅度或將達到1.8-5.7°C。已有大量野外和室內培養的研究表明，全球變暖加快土壤有機質分解、土壤礦化和硝化作用，故推測全球變暖可能會增加土壤氣態氮的損失，從而使陸地生態系統更加缺氮，進一步限制其碳匯功能。因此，氣態氮損失對全球變暖的響應對于剖析氣候變化背景下生態系統的反饋具有重要作用。由于量化土壤N2釋放速率存在技術困難，鮮有關于土壤氣態氮損失溫度敏感性方面的研究，進而限制了陸地生態系統對全球變暖響應的模型模擬和預測。
中國科學院沈陽應用生態研究所研究員方運霆團隊與地理科學與資源研究所研究員張揚建團隊等，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開展研究以探討主要驅動因素，并利用生態系統過程模型(DyN-LPJ)結合室內培養的溫度敏感性結果模擬未來變暖情形下全球森林土壤反硝化作用氣態氮釋放的響應。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)。
研究發現，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)。該研究的陸地生態系統反硝化作用Q10值(1.4-3.2)與已報道的水生生態系統反硝化作用 Q10值(1.6-3.5)相近(圖4)。研究表明，不論是土壤還是海洋沉積物環境，反硝化作用的溫度敏感性相對來說比較一致，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是強效的溫室氣體。氣候變暖將促進更多的N2O排放，而更多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，使土壤氣態氮損失更多以N2的方式進行。
目前，多數森林處于氮限制狀態，氣候變暖引起的氣態氮損失和由此產生的氮限制可能進一步限制陸地生態系統的初級生產力和碳匯功能。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值與生態系統過程模型DyN-LPJ結合，預測了在全球變暖和其他全球變化因子(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氮的釋放。模型的結果顯示，1991-2000年全球森林生態系統土壤反硝化作用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)。
綜上，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，為模型模擬提供了重要的數據參數，有助于加深對未來變暖背景下森林生態系統復雜的碳氮耦合過程及其對變暖反饋的認知。
6月22日，相關研究成果以Universal temperature sensitivity of denitrification nitrogen losses in forest soils為題，發表在《自然-氣候變化》(Nature Climate Change)上。挪威生命科學大學、美國紐約州立大學、中國科學院青藏高原研究所的科研人員參與研究。研究工作得到國家重點研發計劃和中國科學院“盧嘉錫國際團隊”項目等的支持。
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。
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。
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4.陸地和水生生態系統反硝化作用溫度敏感性隨緯度的變化。
圖5.DyN-LPJ模型模擬不同溫室氣體排放情景模式下2100年全球森林生態系統反硝化作用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情景模式下的氣態氮釋放模擬結果。
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