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
    2024 - 07 - 25
    一、木质素酚实验流程:→氧化:CuO+Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O+2 M NaOH高温氧化。收集上清液→提取:纯水洗渣两次,合并上清液,调PH→衍生:吡啶+BSTFA衍生→上机:(GS-MS)图谱展示:二、角质、软木质实验流程:→水解:称取约1.0~2.0g的土样于四氟乙烯反应釜中,1mol/L甲醇化氢氧化钠3mL,沸水浴3h。→净化:a.酸化:待水解液冷却至室温后,用10ml甲醇:二氯甲烷(1:1)混合液冲洗水解管,超声15min。取上清液用HCl酸化至ph b.萃取:收集有机相于5mL衍生瓶中,于38°C下轻轻氮吹至干。→衍生:向吹干的衍生瓶中加入100uL吡啶和400uLBSTFA后盖紧。漩涡30s混匀,70°C反应3h,待冷却后上机。→上机:(GC-MS)图谱展示:三、脂类(游离态脂)实验流程:→萃取:称取约0.5~1.0g的土样于10mL离心管中,加入5mL丙酮:二氯甲烷(1:1)混合液超声萃取20min,离心收集上清液。重复两次合并上清液并氮气吹干,衍生后上机测试。→衍生:向吹干的样品和标准的衍生瓶中加入100uL吡啶和400uLBSTFA后盖紧。涡旋30s混匀,70°C反应3h,待冷却后上机。→上机(GC-MS)图谱展示:更多相关检测讯息so栢晖生物~
  • 点击次数: 0
    2024 - 07 - 24
    文献解读原名:Not all soil carbon is created equal: Labile and stable pools under nitrogen input译名:并非所有的碳都是相同的:氮输入下的易分解库和稳定库期刊:Global Change BiologyIF:10.8发表日期:2024.7.8第一作者:臧华栋 中国农业大学农学与生物技术学院背景人类活动提高了世界范围内的氮输入,由于农业活动和化石燃料的使用,人类氮输入比自然来源大30%-50%。鉴于碳氮之间的密切关系,活性氮输入水平将极大地影响全球碳循环,氮输入的增加刺激了土壤碳储存,因为氮的增加促进了植物生物量的产生和植物来源的碳输入,然而氮输入对不同周转时间的有机质(SOM)库影响仍存在争议,特别是其潜在机制。因此,探究有机质库对氮输入的响应对阐明全球C循环的复杂性至关重要。假设(1)通过方法组合可以有效地评价C池(从数年到数十年的周转率)对氮施肥的响应。(2)“碳限制”和“微生物氮开采”这两种机制都与SOM池相关,取决于它们的可用性,这代表这两种理论之间的联系。科学问题(1)分析不稳定到稳定有机质的矿化反应;(2)量化各种有机质库分解对氮输入的敏感性;(3)评估细菌和真菌群落变化,并阐明微生物群落的变化程度如何反映有机质分解对氮输入的响应。材料与方法方法:将有机质中的13C自然丰度与21年的C3-C4植被转换和长期孵化实验结合起来,估算氮输入对不稳定碳库和稳定碳库有机质矿化的影响。土壤取自霍恩海姆大学试验站0-10厘米深度(有机碳约2.4%,总氮含量0.25%,pH值5.1)和邻近草地(有机碳约2.5%,总氮0.21%,pH 5.1)。巨芒草作为一种C4植物,在21年前被引入到之前的C3草地土壤中,导致δ13C从−27‰转移到−17‰。δ13C中这种差异被用来区分新土壤和老土壤有机碳。C4-...
  • 点击次数: 0
    2024 - 07 - 15
    土壤氨基糖实验流程如下:一、实验方法及原理氨基糖在吡啶-甲醇溶液中,以 4-二甲氨基吡啶为催化剂的条件下与盐酸羟胺和乙酸酐发生糖腈乙酰酯反应, 所得衍生物可利用气相色谱测定。二、实验步骤2.1主要实验仪器   GC(毛细管分流进样口, FID检测器)鼓风烘箱(涵盖105℃,可定时8h)涡旋混合仪(2850rpm)离心机(50mL,3650rpm)冷冻干燥机水浴锅(45℃、80℃)旋转蒸发仪(100mL,65℃)离心机(5mL,8000rpm)2.2 实验步骤1、水解: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。2、净化:a) 除酸:待水解液冷却至室温后,加入200μgN-甲基氨基葡萄糖(1mg/mL水溶液,200μL)。涡旋仪震荡30s混匀。取部分水解液于5mL离心管中,于8000rpm离心1min。取上清液2.5mL于50mL离心管中用氮气于65℃吹干。用25mL纯水溶解吹干后的残渣。加0.4mol/LKOH和0.01mol/LHCL调节pH至6.6~6.8。b) 除盐:离心管以3000rpm离心5min,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无水甲醇分两次溶解瓶中残渣。后转移至另一50mL离心管。氮吹至5mL以下,涡旋溶解管壁有机物后,以4000rpm离心5min,除盐。再将上清液转移到5mL衍生瓶中并加入100μg戊五醇(1mg/mL水溶液,100μL),于40℃氮气吹干。3、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、氨基甘露糖,0.5mg/mL胞壁酸),100μgN-甲基氨基葡萄糖(1mg/mL水溶液,100μL),100μg戊...
  • 点击次数: 0
    2024 - 07 - 01
    原名:Conversion of SIC to SOC enhances soil carbon sequestration and soil structural stability in alpine ecosystems of the Qinghai-Tibet Plateau.译名:无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性。期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:9.7发表日期:2024.8(网络首发2024.5)第一作者:马云桥 青海大学高原生态与农业国家重点实验室(李希来课题组)一、背景陆地生态系统储存了大量的有机碳(SOC)和无机碳(SIC),土壤有机碳和土壤无机碳由非生物和微生物因素驱动具有潜在动态相互关系,对土壤结构和固碳有重要影响(图1)。同时青藏高原约占国土面积的五分之一,是我国巨大的碳库,因此对该区域生物和非生物因子介导的土壤有机碳和无机碳动态转化过程和机制研究显得尤为重要。图1 微生物驱动的有机碳和无机碳周转关系示意图二、科学问题(1)评估不同空间尺度下不同植被类型中聚集体的组成和稳定性;(2)量化SOC、MBC、DOC、SIC和碳水解酶酶活性(α-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶)的分布,以及不同植被类型不同土壤团聚体中细菌和真菌群落的组成和多样性;(3)分析调控团聚体内SOC和SIC动态转化的主要生物和非生物因子,以约束土壤团聚体形成与土壤碳库动态转化的关系。三、材料与方法(1)研究地点位于中国青海省河南-蒙古自治县(北纬34°05′-34°56′,东经100°53′-102°16′),海拔范围3400-4200米。(2)MS代表高寒草甸阳坡,SS代表高寒草甸阴坡,WR代表河滨湿地。每种地形的优势植物机水汽条件有所不同(...
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
Q  Q : 2105984845
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
电话:028 8525 3068
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