華南植物園提出土壤碳吸存假說
熱帶森林碳吸存（Carbon sequestration）在調節全球碳循環和緩和氣候變化中扮演著關鍵角色。以往關于森林碳吸存的研究主要集中在中高緯度的溫帶和北方地區，該區域森林生態系統生產力通常受氮限制，氮沉降增加促進生態系統碳吸存。相反，熱帶森林生態系統具有開放式氮循環，傳統觀點認為自然條件下氮不是植物生長的限制因子, 氮輸入增加也不會提升生態系統固碳能力。然而這種觀點并沒有得到充分驗證，熱帶森林地下生態系統固碳潛力也一直被忽略，特別是在氮沉降全球化背景下。
中科院華南植物園生態中心魯顯楷博士及科研人員，通過在鼎湖山“富氮”的南亞熱帶成熟林進行11年的長期模擬氮沉降試驗研究（圖1），魯顯楷博士等發現氮輸入顯著促進了土壤碳庫，氮沉降促進的土壤碳吸存率約9公斤碳每公斤氮（kg C kg-1 N），與溫帶森林生態系統的相當。進一步研究還發現，土壤碳吸存增加的關鍵原因是物理保護作用增強（如增加重組碳含量）和碳素輸出通量下降。有趣的是，長期氮輸入并沒有改變土壤碳氮比，土壤氮含量與儲存的碳呈正相關。該發現得到了熱帶亞熱帶區域野外氮添加試驗研究的進一步驗證，表明氮沉降促進熱帶森林碳吸存的觀點具有普適性。
為了進一步評估森林生態系統固碳潛力，研究團隊基于目前研究進展提出了土壤碳吸存假說（Soil carbon sequestration hypothesis；圖2）。該假說認為，氮沉降促進土壤碳吸存的現象在全球尺度上普遍存在，但是“氮限制”和“富氮”生態系統的表現機制不同。在“氮限制”生態系統，氮沉降增加促進了凈初級生產力（NPP），土壤碳吸存增加的主要驅動因素是地上凋落物量輸入增加和CO2排放通量降低；在“富氮”生態系統，長期氮沉降沒有影響到凈初級生產力，土壤碳吸存增加的主要驅動因素是降低CO2和可溶性有機碳（DOC）輸出通量。盡管氮沉降驅動的兩大生態系統碳流通過程有差異，但是在土壤有機碳積累的格局上表現一致，尤其是增加了不活躍碳庫（Recalcitrant carbon stock）的比重。該假說把氮沉降作為驅動因子，為發展和完善陸地系統碳氮耦合循環模型提供了重要的機理支撐。此外，值得注意的是，土壤碳吸存的增加，并不是向大氣增加活性氮排放的理由，因為人類對全球氮循環的干擾已超出了可控范圍。
通過在鼎湖山南亞熱帶森林進行的長期氮沉降試驗研究結合熱帶亞熱帶區域氮添加試驗研究的整合分析，魯顯楷博士等發現長期氮沉降可促進熱帶森林捕獲大氣碳，并提出了土壤碳吸存假說。該研究首次提供了過量氮沉降促進熱帶“富氮”森林土壤有機碳積累的直接證據。研究的開展可為中國森林生態系統碳匯潛力評估和“碳中和”目標實現提供重要的決策基礎。
相關研究成果于4月13日發表在國際知名學術期刊PNAS（《國家科學院院刊》）上，研究團隊的莫江明研究員和美國斯坦福大學的Peter M. Vitousek教授/院士為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金優青項目和重點項目、以及中科院青促會優秀會員項目的資助。文章鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2020790118
圖1. 長期氮輸入對鼎湖山“富氮”森林土壤碳、氮含量及其吸存的影響。
圖2. 土壤碳吸存假說的框架模型：氮沉降增加促進 “氮限制”生態系統（A）和 “富氮”生態系統（B）土壤碳吸存。
