面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

首頁 > 科研進展

沈陽生態所在森林生態系統尺度硝化作用速率研究中取得進展

2020-03-27 沈陽應用生態研究所
【字體:

語音播報

  過去半個世紀以來,人類活動向大氣釋放的活性氣態氮急劇增加,從而導致了陸地生態系統氮沈降也隨之增加。絕大多數森林植物生産力受氮供應限制。因此,氮沈降一定程度上會促進森林樹木生長,但長期過量的氮沈降則會對森林生態系統産生不利影響,導致土壤酸化、養分流失、植物養分失衡、溫室氣體排放增加和生物多樣性損失。硝化作用是微生物將铵態氮或可溶性有機氮轉化爲硝態氮的過程。铵態氮和硝態氮均是植物和微生物利用的主要氮形態,但硝態氮易于發生淋溶進入下遊水體,從而引起土壤鹽基養分的損失和下遊水體的富營養化。硝態氮是反硝化作用(硝態氮逐步還原成氮氣的過程)的底物,過多的硝態氮會增加反硝化作用的發生。硝化和反硝化作用是産生溫室氣體N2O的重要微生物途径。因此,硝化作用影响森林氮的有效性和组成,是生态系统氮循环过程关键环节之一。此外,集水区尺度上量化土壤硝化作用速率是量化反硝化作用速率的必要步骤之一(Fang et al. 2015. PNAS)。但由于森林土壤硝化作用的時空異質性,在生態系統尺度上量化硝化作用速率的問題一直難以解決。

  Greg Michalski等首次測定了大氣沈降硝酸鹽的17O自然豐度,發現大氣沈降硝酸鹽在形成過程中經與臭氧(O3)的相互作用獲得了額外的17O(定義爲17O盈余,用D17O表示,D17O = δ17O – 0.52*δ18O),D17O值爲20 ~ 31‰Michalski et al. 2003. Geophysical Research Letters)。硝酸鹽進入土壤後,部分被植物或者微生物利用而消耗,但這些消耗過程都不會對剩余硝酸鹽的D17O産生影響。硝化作用生成的硝酸鹽中3個氧原子1個來自氧氣,2個來自水,不存在17O盈余(即D17O0‰)。因此,如果土壤硝化作用越強,那麽對土壤中來自大氣沈降硝酸鹽17O盈余的稀釋作用越強。也就是說大氣沈降硝酸鹽D17O是一種天然的示蹤劑。根據這一原理,通過測定降水和溪水的硝酸鹽D17O和降水硝酸鹽量,利用同位素混合模型,方運霆等首次量化森林生態系統尺度上年硝化作用速率(Fang et al. 2015. PNAS)。然而,由于該硝化作用速率量化方法必須依賴硝酸鹽17O的測定,目前世界上僅有少數實驗室具備分析能力。因此,生態系統尺度上的硝化作用速率研究仍然很少,有關森林土壤硝化作用是否存在季節和年際變化,受什麽因子控制等還不得而知。

  中國科學院沈陽應用生態研究所稳定同位素生态学组以中國科學院清原森林生态系统观测研究站的一个面积爲536公顷的森林集水区爲研究对象,于2014~2017年連續4年采集了降水和溪水樣品,測定了樣品中的硝酸鹽含量和D17O,量化了清原森林生態系統尺度的硝酸鹽輸入、流失和土壤硝化作用速率 (圖12)。研究表明,研究期间氮沉降量爲17.0~21.4 kg N ha-1 yr-1(平均19.2 kg N ha-1 yr-1),其中硝态氮爲6.6~7.4 kg N ha-1 yr-1(平均7.0 kg N ha-1 yr-1),占32~41%(平均36%)。降水硝酸鹽D17O18.3~32.7‰,溪水爲-0.1~4.8‰(圖2),說明降水硝酸鹽的17O盈余进入土壤后被土壤硝化作用大大稀释。土壤硝化作用速率爲71~120 kg N ha-1 yr-1 (平均94 kg N ha-1 yr-1),表现出较大的年际变化。另外,该研究还量化了土壤硝化作用的月动态,但未发现与土壤气温和降水之间的明确关系。氮流失量爲4.2~8.9 kg N ha-1 yr-1(平均6.9 kg N ha-1 yr-1),高于判斷溫帶森林是否達到氮飽和的臨界值(5 kg N ha-1 yr-1)。利用硝酸鹽氮氧同位素自然豐度法(Fang et al. 2015. PNAS)计算得到该集水区尺度气体氮损失爲3.8 kg N ha-1 yr-1,占總氮損失(氣態氮損失+氮流失,10.7 kg N ha-1 yr-1)的35%。生態系統尺度總氮損失占氮沈降輸入(19.2 kg N ha-1 yr-1)的56%。綜合來看,可初步判斷所研究的森林生態系統表現一定程度氮飽和,但需要其他研究進一步證實。該研究顯示,量化生態系統尺度硝化作用速率是揭示土壤氮內部循環的重要一步,其結果有利于揭示森林生態系統內部氮循環過程和氮狀態,深化對森林氮循環的認識。

  該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、中科院前沿科學重點部署項目和國際團隊項目等的支持。研究成果以Multiyear measurements on Δ17O of stream nitrate indicate high nitrate production in a temperate forest 爲题,于324日正式在線發表于Environmental Science & Technology。博士黄韶楠爲第一作者,研究员方运霆爲通讯作者。

  文章鏈接

图1. 清原站森林生态系统硝酸盐17O盈余和通量

  圖2. 清原溫帶森林2014~2017年日平均氣溫和日降水量(a)、日徑流量(b)、大氣降水和溪水硝酸鹽含量(c)、17O盈余(d

打印 責任編輯:葉瑞優

© 1996 - 中國科學院 版权所有 京ICP備05002857號 京公網安備110402500047號

地址:北京市三里河路52号 邮编:100864

电话: 86 10 68597114(总机) 86 10 68597289(值班室)

编辑部郵箱:casweb@cashq.ac.cn