【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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)揮著重要作用。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)每年吸收人為活動(dòng)排放CO2的30%左右，但其碳匯功能往往受到氮供應(yīng)的限制。與1850-1900年相比，全球地表溫度目前升高1.1°C左右。IPCC第六次評(píng)估報(bào)告預(yù)測(cè)在21世紀(jì)末(2081-2100年)升溫幅度或?qū)⑦_(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，故推測(cè)全球變暖可能會(huì)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(duì)全球變暖的響應(yīng)對(duì)于剖析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)困難，鮮有關(guān)于土壤氣態(tài)氮損失溫度敏感性方面的研究，進(jìn)而限制了陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變暖響應(yīng)的模型模擬和預(yù)測(cè)。
 

　　中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所研究員方運(yùn)霆團(tuán)隊(duì)與地理科學(xué)與資源研究所研究員張揚(yáng)建團(tuán)隊(duì)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(duì)中國18個(gè)森林土壤反硝化作用N2O和N2產(chǎn)生速率的溫度敏感性開展研究以探討主要驅(qū)動(dòng)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(gè)森林站點(diǎn)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(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(bào)道的水生生態(tài)系統(tǒng)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(huán)境，反硝化作用的溫度敏感性相對(duì)來說比較一致，利于模型模擬和預(yù)測(cè)全球變暖情況下反硝化作用的響應(yīng)。N2O是強(qiáng)效的溫室氣體。氣候變暖將促進(jìn)更多的N2O排放，而更多N2O釋放將進(jìn)一步加劇變暖，對(duì)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(huì)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。
 

　　目前，多數(shù)森林處于氮限制狀態(tài)，氣候變暖引起的氣態(tài)氮損失和由此產(chǎn)生的氮限制可能進(jìn)一步限制陸地生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力和碳匯功能。為進(jìn)一步揭示全球尺度上氣候變暖對(duì)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(cè)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(tài)氮的釋放。模型的結(jié)果顯示，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?dú)鉃橹?。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(chǎn)生的N2O和N2的溫度敏感性，為模型模擬提供了重要的數(shù)據(jù)參數(shù)，有助于加深對(duì)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(duì)變暖反饋的認(rèn)知。
 

　　6月22日，相關(guān)研究成果以Universal temperature sensitivity of denitrification nitrogen losses in forest soils為題，發(fā)表在《自然-氣候變化》(Nature Climate Change)上。挪威生命科學(xué)大學(xué)、美國紐約州立大學(xué)、中國科學(xué)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國科學(xué)院“盧嘉錫國際團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目等的支持。
 

　　圖1.本研究18個(gè)森林站點(diǎn)的地理位置分布，站點(diǎn)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(hào)為GS(2020)4619號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖邊界無修改。
 

圖2.18個(gè)森林土壤反硝化作用N2O、N2、N2O+N2產(chǎn)生速率對(duì)溫度的響應(yīng)。
 

　　圖3.18個(gè)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。
 

　　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。