大气氮沉降是陆地自然生态系统外源性氮的重要来源，主要通过改变生态系统的氮素有效性进而影响生态系统生产力以及碳汇功能。森林是陆地生态系统中最大的碳汇功能区，沉降氮对森林生态系统碳汇功能的影响主要取决于氮输入到生态系统后的去向。然而，目前关于外源氮输入后在不同森林组分中的固持格局及其驱动机制仍然缺乏系统量化。
图1 不同组分氮固持驱动机制的初步概念框架及假设
鉴于此，通过集成分析全球森林生态系统15N示踪实验的氮固持数据，该研究系统量化了不同森林类型下土壤的氮固持率以及植物器官中的氮分配系数，明确不同形式的氮沉降到森林生态系统后的具体去向，定量揭示森林生态系统中沉降氮的固持和重新分配的规律和机制；厘清气候、氮沉降以及养分供需等因素对森林生态系统不同组分氮固持率的影响过程与调控机制，为氮沉降对森林氮循环格局的影响和生态效应提供科学支撑。
图2 森林生态系统15N添加实验的站点分布图
结果表明，全球森林生态系统平均固持了63.04 ± 1.23%的外源性氮输入，其中土壤是主要的氮汇，固持了约45.76 ± 1.29%的氮。植物固持了约17.28 ± 0.83%的外源性氮，更多的氮被分配到叶（5.83 ± 0.63%）和根（5.84 ± 0.44%）。不同森林类型固持氮的差异主要体现在生态系统内部组分的差异上，植物和矿物质土壤是亚热带和热带森林最重要的氮汇，温带森林中的有机质土壤则更为重要。此外，森林生态系统对铵态氮的固持要显著高于硝态氮，主要表现为有机质土壤对铵态氮的固持多于硝态氮。在森林生态系统不同组分氮固持机制上，表现为生态系统尺度上的氮固持随大气氮沉降的增加而呈现先增加后减少的趋势，植物氮固持更多地受到植被和微生物养分需求的直接影响，而土壤氮固持则受到气候因子和土壤养分供给的共同调控。该研究系统揭示了全球森林生态系统氮固持的变异特征以及驱动机制，为氮素的长期持续供应与大气沉降氮的去向提供科学依据，也为进一步制定大气氮减排政策以及探讨大气氮沉降对森林生态系统的固碳效应提供数据支持。
图3 森林生态系统不同组分氮固持率的密度分布图（a）和变异特征（b）
图4 环境要素对生态系统（a）、植物（b）、有机质土壤（c）、矿物质土壤（d）氮固持率的相对重要性和多重影响，以及相应结构方程模型中的标准化总效应值（e）
上述研究成果以“Patterns and drivers of atmospheric nitrogen deposition retention in global forests”为题，于2024年7月在线发表于国际学术期刊Global Change Biology。中国科学院地理科学与资源研究所在读博士生林权虹为论文第一作者，朱剑兴副研究员为通讯作者，于贵瑞院士、王秋凤研究员以及天津大学的张琼予博士共同参与指导了研究工作。该项研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目、国家自然科学基金青年科学基金、以及中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1111/gcb.17410