华南国家植物园郑棉海研究团队在Nature Geoscience发表论文

人类活动所导致的大气CO₂增加已成为当前重要的科学话题并引起了广泛的政治和社会关注。巴黎协议和IPCC报告均指出有效遏制大气CO₂增加是缓和气候变化的有效措施之一，同时强调需要深入理解大气碳源和碳汇。相比人为排放的CO₂而言，每年从土壤释放的CO₂总量更高。土壤是陆地生态系统最大的碳库，至少有一半的土壤有机碳储存于森林中。值得关注的是，热带和亚热带森林主导全球森林碳循环，它们占据全球森林78%总碳排放和55%总碳吸收。人类活动也导致大气氮沉降加剧。从全球尺度看，氮沉降已从1984年86.6 Tg增加到2016年93.6 Tg。中国氮沉降总体上趋于稳定，但仍维持在较高水平，部分地区氮沉降已达到30-50 kg N ha^-1yr^-1。氮沉降通过影响植物生长和微生物活性改变森林土壤呼吸及碳排放，但目前学术界关于氮沉降如何影响森林土壤呼吸的认识主要源于短时间尺度的研究。全球191项相关研究中，有80%是短时间尺度实验，少数研究达到7-9年，但仅在生长季观测。由于氮沉降是个长期的生态环境过程，缺乏长期且连续的研究将无法准确认识氮沉降调控森林土壤碳排放的格局及机制。

中国科学院华南植物园生态系统管理研究团队依托我国最早建立的模拟森林氮沉降研究平台，发现了长期氮沉降对南亚热带森林土壤碳排放的影响呈现阶段性变化。研究平台位于广东省鼎湖山国家级自然保护区，包括3种典型森林类型：季风常绿阔叶林、针阔叶混交林和马尾松针叶林。模拟氮沉降实验样地包括两部分：1）2003年在3个森林中建立的对照（0 kg N ha^-1 yr^-1）、低氮（50 kg N ha^-1 yr^-1）和中氮（100 kg N ha^-1yr^-1）处理样方；2）2007年在这些森林中建立的对照（0 kg N ha^-1 yr^-1）和高氮（150 kg N ha^-1yr^-1）处理样方。在2011年至2019年（低、中氮处理）和2007年至2019年（高氮处理）两个时间段，采用静态箱法监测每月土壤呼吸速率。结果显示，9-13年长期氮添加处理后，3个森林土壤呼吸均呈现“无显著变化-显著降低-无显著变化”的三阶段格局（图1）。相比低、中氮处理，高氮处理缩短了三阶段格局的时间。在整个实验过程，氮添加累计减少土壤CO₂排放总量为6.53-9.06 Mg CO₂ ha^-1，其中在第二阶段的效应达到显著水平。氮添加减少土壤CO₂排放的效率为5.80-13.13 Mg CO₂ Mg N^-1，在第二阶段效率最高，但随着氮添加水平的增加，效率逐渐降低。

图 1 长期氮添加对鼎湖山森林土壤碳排放的影响

研究团队还基于过去20年在鼎湖山模拟氮沉降样地测定的849项有关土壤、植物和微生物碳氮循环数据，构建了氮沉降调控热带森林土壤碳排放的机理框架（图2）。在第1阶段，氮添加主要改变了土壤碳氮过程，包括增加土壤无机氮、氮矿化和硝化速率、氮流失、不稳定性有机碳和顽固态有机碳，但植物和微生物碳氮过程的响应较弱。进入第2阶段，土壤氮矿化和硝化速率减弱，土壤总氮增加并可能超过生态系统的氮需求。此时，土壤酸化加剧导致植物细根和土壤微生物量减少，分解土壤碳的功能基因强度减弱，土壤呼吸速率降低，土壤有机碳逐渐积累。到了第3阶段，植物和微生物在长期氮富集环境下可能出现群落结构的调整，出现一些新的藤本植物和微生物类群，植物细根生物量和土壤微生物量不再减少，土壤呼吸速率趋于稳定。

图 2 长期氮沉降调控热带森林土壤碳排放的机理框架

上述结果表明过去许多短期氮添加实验无法准确反映森林土壤呼吸响应氮沉降的格局。研究成果为氮沉降促进热带森林土壤碳固持现象提供了重要证据，也为全球气候变化的预测和生态系统碳中和目标的实现提供新的依据。此外，本研究关于氮沉降调控森林土壤碳排放的机理框架有助于认识森林生态系统对长期氮沉降的响应和适应，为气候-生物圈相关地球系统模型的构建提供理论支撑。

研究结果于2022年12月1日发表在地球科学领域顶级期刊Nature Geoscience（https://www.nature.com/articles/s41561-022-01080-4；IF=21.53），该文同时还以Research Briefing的形式在Nature进行报导，强调了本研究所展现的高分辨率土壤呼吸响应规律以及以往许多短期实验研究无法发现的阶段性变化。中科院华南植物园郑棉海副研究员为论文的第一作者，张炜副研究员和莫江明研究员为论文的共同通讯作者。此外，鲁显楷研究员、黄娟副研究员、毛庆功助理研究员、王森浩博士以及合作者美国康奈尔大学骆亦其教授、中科院华南植物园叶清研究员、刘菊秀研究员和岭南师范大学张涛博士也参与了该项工作。研究成果得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、中科院青促会项目和中国生态学会青年人才托举工程项目等资助。

第一作者简介：郑棉海，中国科学院华南植物园副研究员，中国科学院特聘骨干研究员，博士生导师，生态系统管理研究团队负责人。从事森林生态学和氮素生物地球化学研究，重点关注氮沉降和生物固氮的属性特征、调控机制和生态效应。主持国家和省部级科研项目7项，发表SCI论文30余篇，其中以第一/通讯作者在Nature Geoscience，Ecology Letters，Global Change Biology（3篇），Ecology等地球科学和生态学领域期刊发表论文17篇。入选中国科学院青年创新促进会会员、中国生态学学会青年人才托举工程、中国博士后创新人才支持计划。曾获评中国科学院百篇优秀博士学位论文、博新计划-优秀创新成果、中科院院长优秀奖等。担任Frontiers in Plant Science和Frontiers in Soil Science期刊编委、Forests和Nitrogen期刊客座编委、《地球环境学报》青年编委。