華南植物園揭示豆科主導森林的大氣沉降氮去向和分配模式
人類活動引起大氣氮沉降量增加，進而影響森林生態系統的結構和功能。氮沉降對森林生態系統的影響取決于沉降氮的去向。豆科樹種在全球森林廣泛分布，尤其在熱帶地區。由于具有共生固氮能力，豆科樹種在森林生態系統碳氮循環中發揮著重要作用。然而，目前有關豆科森林氮循環特征的研究集中在固氮特性和固氮速率等，豆科森林對其他外源輸入氮（如大氣沉降氮）的留存能力仍然不清楚，這限制了我們對大氣氮沉降效應和陸地生態系統氮收支的準確評估。此外，豆科固氮植物廣泛分布于“富氮”的熱帶森林，因此豆科森林對外源氮的留存潛力目前學術界還存在爭議，普遍認為其潛力較低。
中科院華南植物園生態中心毛晉花博士等在鄭棉海副研究員和莫江明研究員的指導下，以廣東省鶴山長期（10年）氮沉降樣地為試驗平臺，選取豆科種植林（Acacia auriculiformis）和非豆科林（Eucalyptus urophylla）為試驗對象，首次開展了生態系統尺度的15N標記實驗。通過為期1年的15NH415NO3持續噴施，對比了外源輸入氮（大氣沉降氮和氮添加）在兩個森林不同組分中的留存和分配模式。研究發現 “富氮”的豆科林對大氣沉降氮仍具有很高的留存潛力，且豆科林生態系統總15N回收率顯著高于非豆科林。礦質土是大氣沉降氮的主要匯，但土壤回收率在兩個森林中不存在顯著差異。豆科林相對于非豆科林較高的生態系統15N回收率主要是由豆科樹種驅動。此外，長期氮添加沒有改變兩個森林的氮留存模式。研究結果表明 “富氮”豆科林對大氣沉降氮有較高的留存潛力，而豆科樹種在生態系統截留外源氮中發揮主要作用。該研究強調了將豆科主導森林納入地球系統氮循環模型的必要性，用以準確評估全球氮沉降對陸地生態系統的生態學效應。
由于以往多數研究認為氮素是合成磷獲取酶（磷酸酶等）的重要元素，該研究結果揭示豆科林較高的氮留存能力有助于理解“富氮缺磷”熱帶地區中豆科樹種廣泛分布這一“悖論”現象。相關研究結果已近期發表在Global Change Biology（《全球變化生物學》）（IF2021= 10.863；生態學排名5/166）。華南植物園生態中心毛晉花博士為論文第一作者，毛慶功助研為第二作者，鄭棉海副研究員和莫江明研究員為論文的共同通訊作者。該項研究得到國家自然科學基金重點和面上項目、中科院青年創新促進會和生態學青年人才托舉工程項目等資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1111/gcb.16005
圖1. 外源輸入氮（大氣沉降氮和氮添加）在豆科林和非豆科林中的留存和分配模式
圖2. 豆科林和非豆科林氮循環示意圖
