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 - 08 - 13
    栢晖分区服务升级通知2025年8月为进一步提升服务质量,优化检测服务体验,栢晖正式宣布完成技术对接团队分区服务升级!现将最新分区服务内容公告如下:
  • 点击次数: 0
    2025 - 08 - 13
    土壤氨基糖是指一类含有氨基和羟基的糖类化合物,主要来源于微生物细胞壁的残留以及微生物代谢产物。它们是土壤有机质的重要组成部分,具有较高的稳定性和微生物异源性,在土壤中能够长期保存。土壤氨基糖不仅是评估微生物对土壤有机碳、氮贡献的重要指标,还能通过不同组分的比值反映微生物群落组成的变化。常见的土壤氨基糖包括氨基葡萄糖、氨基半乳糖、氨基甘露糖和胞壁酸等,它们在土壤生态系统的物质循环和结构稳定中发挥着关键作用。土壤氨基糖来源:微生物合成:大部分来源于微生物残体(真菌/细菌生物量)植物输入:少量来自植物根系分泌物有机质转化:腐殖质结合态氨基糖(与铁铝氧化物共沉淀)实验方法气相色串联质谱01称取约0.5~1.0g的土样于水解管中,沿管壁加入5 mL 6 mol/L盐酸,用氮气置换水解管中空气2min后密封。在烘箱中105℃放置8h水解。02待水解液冷却至室温后,加入250μg肌醇。涡旋仪震荡30s混匀。取水解液于5mL离心管中,于8000rpm离心1min。取上清液1mL于50mL离心管中用氮气于吹干。用20mL纯水溶解残渣。用0.4mol/LKOH 0.01mol/LHCL调节pH至6.6~6.8。离心管以4000rpm离心10min,转移出上清液于100mL茄型瓶中,于65℃,25rpm旋转蒸发至干。再加入10mL无水甲醇溶解瓶中残渣。后转移至另一50mL离心管。氮吹至5mL左右,涡旋溶解管壁有机物后,以4000rpm离心10min,除盐。再将上清液转移到5mL衍生瓶中吹干。并加入100μg戊五醇1mL水,冻干。03 标准样品制备:同时准备3个标准样品。另取衍生瓶中加入100μL混标(1mg/mL的氨基葡萄糖、氨基半乳糖、0.5mg/mL氨基甘露糖,0.25mg/mL胞壁酸),50μg肌醇,100μg戊五醇,轻轻摇匀后,与样品衍生瓶一起冻干。04衍生:a) 向吹干的样品...
  • 点击次数: 0
    2025 - 07 - 21
    文献解读原名:Soil carbon accrual and crop production enhanced by sustainable subsoil management.译名:可持续性底土管理促进土壤碳积累与作物产量提升。期刊:Nature GeoscienceIF:16.1发表日期:2025.7第一作者:阚正荣 南京农业大学https://doi.org/10.1038/s41561-025-01720-501背景传统保护性农业(如免耕和秸秆覆盖)虽能减少水土侵蚀,但在稻田系统中存在显著局限。免耕虽然增加了表层有机碳,但下层土壤碳储量下降,整体固碳潜力低,并且稻田厌氧环境导致覆盖秸秆分解产生有毒物质(如硫化物),抑制了微生物活动及碳转化。Meta分析显示免耕导致作物平均减产5-10%,中国南方稻田尤为严重。因此,本研究提出一种秸秆集中沟埋还田技术,通过将秸秆注入底土实现土壤固碳与作物增产协同提升。02科学问题(1)评估秸秆集中沟埋还田技术(DB-SR)对土壤有机碳(SOC)及作物产量的影响;(2)阐明SOC与作物产量提升的内在机制;(3)比较DB-SR与旋耕秸秆还田(RT-SR)的技术可行性;(4)采用Meta分析全面量化DB - SR对中国区域土壤有机碳储量和作物产量的影响。03材料与方法(1)田间试验于2008年11月在江苏省沿江区农业科学研究所进行(32°13′N, 121°03′E),该地区属亚热带季风气候,年平均气温14.5℃,降水量1 057.0 mm。(2)RT-SR代表旋耕秸秆还田,DB-SR代表秸秆集中沟埋还田。RT-SR处理中,秸秆被切碎为5-10 cm段,通过旋耕机混入0-10 cm土层。DB-SR处理则需将秸秆打捆称重后,置于田垄晾晒三日,随后埋入深20 cm、宽20 cm、间距2 m的沟渠(图1a)。(3)对于RT-...
  • 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...
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