028-8525-3068
新闻动态 News
News 行业新闻

氮沉降加速热带森林土壤碳吸存

日期: 2021-09-03
标签:

标题:Nitrogen deposition accelerates soil carbon sequestration in tropical forests

论文id:https://doi.org/10.1073/pnas.2020790118

原名:

译名:氮沉降加速热带森林土壤碳吸存

期刊:PNAS

IF:9.351

发表时间:2021年4月13日

第一作者: 鲁显楷

通讯作者:(选填)鲁显楷,PM. Vitousek,莫江明

合作作者:(选填)毛庆功、Frank S. Gilliam,骆亦其,Benjamin L. Turner,周国逸

主要单位:(选填)

Key Laboratory of Vegetation Restoration and Management of Degraded Ecosystems, South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510650, China;

Center of Plant Ecology, Core Botanical Gardens, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China;

Department of Biology, Stanford University, Stanford, CA 94305;

Department of Biology, University of West Florida, Pensacola, FL 32514;

Center for Ecosystem Science and Society, Northern Arizona University, Flagstaff, AZ 86011;

Smithsonian Tropical Research Institute, Apartado 0843-03092 Balboa, Ancon, Republic of Panama



Abstract: Terrestrial ecosystem carbon (C) sequestration plays an important role in ameliorating global climate change. While tropical forests exert a disproportionately large influence on global C cycling, there remains an open question on changes in below-ground soil C stocks with global increases in nitrogen (N) deposition, because N supply often does not constrain the growth of tropical forests. We quantified soil C sequestration through more than a decade of continuous N addition experiment in an N-rich primary tropical forest. Results showed that long-term N additions increased soil C stocks by 7 to 21%, mainly arising from decreased C output fluxes and physical protection mechanisms without changes in the chemical composition of organic matter. A meta-analysis further verified that soil C sequestration induced by excess N inputs is a general phenomenon in tropical forests. Notably, soil N sequestration can keep pace with soil C, based on consistent C/N ratios under N additions. These findings provide empirical evidence that below-ground C sequestration can be stimulated in mature tropical forests under excess N deposition, which has important implications for predicting future terrestrial sinks for both elevated anthropogenic CO2 and N deposition. We further developed a conceptual model hypothesis depicting how soil C sequestration happens under chronic N deposition in N-limited and N-rich ecosystems, suggesting a direction to incorporate N deposition and N cycling into terrestrial C cycle models to improve the predictability on C sink strength as enhanced N deposition spreads from temperate into tropical systems.

  摘

  要

陆地生态系统固碳(C)对缓解全球气候变化具有重要作用。虽然热带森林对全球碳循环产生了不成比例的巨大影响,但由于氮素供应往往不会限制热带森林的生长,全球氮(N)沉降增加下地下土壤碳储量的变化仍是一个悬而未决的问题。我们定量分析了一个富氮的热带原始林在经过近10年的连续施氮试验后土壤碳储量的变化。结果表明,长期施氮使土壤碳储量增加了7 ~ 21%,主要是由于土壤碳输出通量的减少和物理保护机制,但有机质化学成分没有发生变化。Meta-分析的结果进一步证实,过量氮输入导致的土壤碳吸存是热带森林的普遍现象。值得注意的是,基于土壤C/N比的恒定,在氮添加下土壤氮储量与土壤碳储量保持同步的增加。上述研究结果表明,过量氮沉降可促进热带成熟森林的地下碳吸存,这对预测人为CO2升高和N沉降下未来陆地碳汇都具有重要意义。我们进一步提出了一个概念模型假设以描述长期氮沉降下氮受限和氮丰富的生态系统土壤碳吸存是如何发生的。鉴于氮沉降增加的现象可从温带延伸至热带生态系统,本研究提出了应将氮沉降和氮循环纳入陆地碳循环模型以提高碳汇强度的可预测性。

Key words: Below-ground carbon sequestration; Soil carbon storage; Atmospheric nitrogen deposition; Nitrogen biogeochemistry; Global changes


关键词

地下碳吸存,土壤碳储量,大气氮沉降,氮素生物地球化学,全球变化


研究背景 

随着全球人为氮沉降(Nitrogen deposition)的提升,由于陆地生态系统精粗肌圣餐礼(NPP)普遍受到N限制,因此在许多生态系统中C吸存得以提高。然而, 热带地区通常是相对丰富的,实验表明氮素供给不会限制富氮生态系统的NPP。而且,已有关于森林C吸存的研究绝大多数关注的是植物生产力而不是土壤碳库作为一个碳汇。土壤是陆地生物圈中最大的有机碳库,超过半数以上的土壤碳保存在森林生态系统中。因此,从数量上看,以土壤有机质为形式的C吸存对森林C收支平衡可能比植物碳库更加重要。

当前关于森林土壤碳吸存对氮沉降的响应仍存在几个局限性:(1)不同于生物质C吸存,森林土壤C吸存对氮沉降的响应尚不明确。许多关于土壤碳动态的研究表明,氮沉降可以通过减少植物凋落物和土壤有机质的分解,抑制土壤呼吸,或改变微生物酶活性来增加土壤碳吸存。相反,一些其他的研究报道了长期氮添加不会改变土壤吸存,而也有研究表明氮添加可以通过与过量氮转化的微生物呼吸而加速土壤C库的消耗。这些相互矛盾的证据表明,进一步研究土壤碳汇对氮沉降增加的响应是十分必要的。其次,目前的大部分研究都是在北半球中高纬度地区进行的,这些地区大多数森林生态系统都受到N的限制,氮供应量的增加可以提高NPP和地上凋落物产量。然而,到目前为止,我们缺乏关于热带森林中土壤碳储量随氮供应增加而变化的数据,而相对于温带来说,这些热带森林往往是相对富氮的生态系统。这种信息的缺乏导致了氮沉降这些热带森林生态系统是否能实现C中和这一争议。事实上,由于相关信息的缺失,我们仍不清楚氮沉降会对富氮森林生态系统土壤碳吸存产生怎样的影响。


主要结果

1. 加氮十年后饱和氮热带森林的土壤碳吸存

11年的氮添加(50 to 150 kg N ha-1 y-1)显著地提高鼎湖山自然保护区热带原始林土壤C和N含量(Fig. 1 A, B)。与对照相比,施氮显著增加了全层土壤C和N的固存量,分别增加了7 ~ 21%和12 ~ 25%(Fig.1 C, D)。土壤固碳量和固氮量随施氮量的增加而增加,主要分布在土壤上部20cm(Fig. 1 E, F),土壤固碳量和固氮效率(单位施氮量诱导的固碳量或固氮量)随施氮量的增加而降低(Fig. 1 G, H)。全剖面(0-40cm)土壤固碳效率为8.6 ~ 10.5 kg C kg-1 N。首先,氮添加减少了土壤碳以CO2的形式损失,这可能是由于负激发效应(通过改变微生物对养分的需求来抑制土壤有机碳的微生物矿化)和土壤酸化效应(Fig. 2B)。

氮沉降加速热带森林土壤碳吸存


Fig. 1 长期(11年)氮添加对热带N饱和森林0 ~ 40cm土层土壤C和N的影响. (A) 土壤C含量,(B)土壤N含量,(C)土壤C库,(D)土壤N库,(E)净C吸存,(F)净N吸存,(G)固碳效率(单位氮添加诱导的C吸存速率),(H)固氮效率(单位氮添加诱导的C吸存速率)。


氮沉降加速热带森林土壤碳吸存

Fig.2 中国华南地区热带N饱和森林0 ~ 40 cm土层样品和样地土壤C、N和pH的关系。


研究还发现长期施氮显著改变了土壤C的物理组成:促进了重组分(有机矿物复合体)SOC含量的升高,降低了轻组分(未受物理保护的颗粒有机质)SOC含量(Table 1)。在改森林中,土壤C库以重组有机碳为主(占总SOC的80%),表明N处理下土壤矿物结合态有机碳的增加促成了SOC储量的增加。然而,研究发现N添加对土壤C的化学组成没有影响,烷基C、氧烷基C、芳香C和羧基C的丰度对N沉降的响应均不敏感(Fig. 3)


Table 1 中国华南地区热带N饱和森林土壤碳物理组分对长期氮添加的响应

氮沉降加速热带森林土壤碳吸存

氮沉降加速热带森林土壤碳吸存

Fig 3. 长期施氮对热带N饱和森林0-10cm土层(A)SOC化学组成的影响以及(B)稳定性指标的影响。注:SOC稳定性指标包括顽抗性指数和化度指数。顽抗指数表示为(烷基C+芳香C)/(氧烷基C+羧基C);脂化度指数表示为(氧烷基C)/烷基C。


2. 热带地区土壤碳吸存与氮沉降---meta-analysis

Meta-分析的结果显示,从整个热带地区(热带/亚热带),施氮时间(小于或大于5年)以及施肥计量(小于或者大于50 kg N ha-1 y-1)来看,施氮显著增加了森林有机质层和矿质层土壤碳和氮储量(总储量分别为8.2%和9.5%)(Fig. 4A,B),这一结果表明长期氮沉降是可以提升热带/亚热带森林土壤C吸存。分析还发现超过5 y的高氮添加(例如,50 kg N ha-1 y-1)导致这些热带和亚热带森林的土壤氮吸存显著(图4B),表明即使是高氮有效性的生态系统也具有不可忽视的氮截留能力(Fig. 4B)。

氮沉降加速热带森林土壤碳吸存

Fig 4. 试验施氮量对热带地区土壤C(A)、N(B)和C/N(C)的平均效应大小


3. 土壤碳吸存假说

为了评估生态系统碳固存,我们提出了一个概念模型假设,描述了长期氮沉降条件下,在氮限制和氮丰富的生态系统中,土壤碳吸存是如何发生的。在氮受限的生态系统中,氮添加诱导的土壤C吸存主要由于地上凋落物产量的增加以及CO2排放的降低(Fig. 5A),而在富氮生态系统中,CO2排放以及DOC流失的减少导致更多的土壤碳以顽固性碳的形式固存(Fig. 5B)。该假说表明,氮沉降引起的土壤碳吸存广泛存在于陆地生态系统中,与生态系统氮状况和气候带无关。

氮沉降加速热带森林土壤碳吸存

Fig. 5 土壤碳吸存假说:森林生态系统长期氮沉降下土壤碳吸存如何发生的概念框架。(A)N受限生态系统。(B)富N生态系统。


原文网络链接:https://doi.org/10.1073/pnas.2020790118


  • 最新资讯 MORE+
  • 点击次数: 0
    2025 - 07 - 15
    ——文献解读原名:Effects of DOM Chemodiversity on Microbial Diversity in Forest Soils on a Continental Scale译名:溶解性有机质化学多样性对大陆尺度森林土壤微生物多样性的影响期刊:Global Change BiologyIF:12.05发表日期:2025年3月通讯作者:王超(中国科学院沈阳应用生态所)01背景土壤溶解性有机质(DOM)是森林生态系统中碳和养分的关键储库,在碳循环和微生物群落动态中起着核心作用。然而,DOM 分子水平多样性(化学多样性)对微生物群落多样性和空间分布的影响仍知之甚少。02关键问题(1)大规模森林生态系统中土壤 DOM 组分的组成和多样性特征是什么?(2)除了已确定的因素如土壤 pH 和温度外,DOM 的多样性和分子组成能否增强对微生物群落多样性模式的解释力?03材料与方法(1)从中国东部南北样带的 11 个森林站点采集土壤样品。在每个站点从5个亚样地(20×20 m)的上层 10 cm 土壤中采集土壤样品,总共 55 份。过10目筛以去除根系和碎屑。(2)测定指标:pH、含水量、TN、SOC、TP、DOC、DON、DOM、16S rRNA测序,ITS测序。04结果(1)55 个森林土壤样品中,共鉴定出 10826 种独特的分子式。通过峰强度加权计算得出的 DOM 分子式范围为 C17.94₋18.99H16.61₋19.98N0.43-0.66O9.36-9.88S0.04-0.10。DOM 的分子量在 398 至 413 Da 之间。DOM 的平均双键当量在 9.4 至 10.8 之间,平均修正芳香性指数(AIₘₒd)在 0.38 至 0.49 之间。(2)土壤 DOM 分子多样性和丰富度沿森林样带从北到南大致呈钟形曲线分布,且在不同采样点之间...
  • 点击次数: 0
    2025 - 06 - 19
  • 点击次数: 0
    2025 - 06 - 13
    原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-025-60036-5 如有检测相关需求欢迎so栢晖生物了解更多~
  • 点击次数: 0
    2025 - 06 - 05
    根系分泌物的研究是理解土壤-植物-微生物互作的核心环节,是破解土壤“黑箱”的钥匙。对生态理论(如植物-微生物共进化)、应用实践(智能农业、生态修复)均具深远意义。01土壤生态系统的“隐形语言”根系分泌物是植物与土壤环境沟通的化学信号,包含有机酸、糖类、氨基酸、酚类、酶等数千种化合物。它们如同植物的“代谢指纹”,动态响应环境变化(如干旱、养分胁迫或病原体攻击),并调控周围土壤生物的活性。研究这些物质能揭示植物如何主动塑造其根际微环境,而非被动适应。02驱动土壤养分循环的关键引擎养分活化:例如,植物在缺磷时分泌柠檬酸、苹果酸等有机酸,溶解土壤中固定的磷酸盐;缺铁时分泌酚类化合物(如禾本科植物的麦根酸)螯合铁离子。碳分配策略:根系分泌物占植物光合产物的5%-40%,是土壤微生物的主要能源。其化学组成直接影响微生物介导的碳氮磷循环效率,进而决定土壤肥力。03超微生物群落的“指挥棒”选择性招募:植物通过分泌物招募互利菌群(如固氮根瘤菌、菌根真菌),或抑制病原菌(如分泌抗菌酚类)。例如,豆科植物分泌黄酮类物质诱导根瘤菌结瘤基因表达。群落结构调控:分泌物组成差异会导致根际微生物α/β多样性变化,影响生态功能(如抑病型微生物组的形成)。04应对全球变化的潜在杠杆气候适应性:高温或CO₂升高可能改变分泌物量与成分(如增加糖类分泌),进而反馈于土壤碳封存潜力。理解这一机制有助于预测生态系统碳平衡。污染修复:某些分泌物(如紫苏酮)能激活根际降解菌,加速石油烃、农药等污染物的分解,为植物-微生物联合修复提供策略。05农业可持续性的突破口精准施肥:解析作物品种的分泌物特征可指导微生物菌剂开发,减少化肥依赖(如利用磷solubilizing 细菌)。抗逆育种:筛选分泌物中关键抗逆物质(如干旱诱导的脱落酸类似物),可为抗性品种选育提供分子标记。连作障碍缓解:阐明分泌物积累导致的土传病原菌富集机制(如黄瓜...
文体活动 MORE+
案例名称: 孵化中心
说明: 栢晖生物科技有限公司项目孵化中心成立于2015.06.01日,研发领域涉及生物试剂耗材、仪器、新产品开发及各生物科技服务类项目等。自成立以来,陆续吸引了大批专家教授加盟合作,并与全国数十家高校及知名企业建立了良好的合作关系。中心共有博士及以上学位骨干人员10人,专门负责公司新产品研发等工作,已成功研发出无线温度监控器及NO检测试剂盒等产品(详情见成功案例),另有细胞分选仪等三个项目正在积极孵化当中。
2017 - 05 - 31
案例名称: 孵化中心流程
说明:
2017 - 07 - 17
微信公众号
检测咨询热线
 
地址:四川省成都市成华区成宏路72号-四川检验检测创新科技园2号楼4层
          湖南省长沙市芙蓉区雄天路98号广发隆平创业园2栋6002
官方热线:028 8525 3068
投诉电话:18181920125
传真:+86 0755-2788 8009
Copyright ©2005 - 2013 成都栢晖生物科技有限公司
犀牛云提供企业云服务