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植物所《PNAS》:长期氮添加下,土壤呼吸的时间变化规律
自然新知 2026-11-10 11:07:24

生态前沿⊙


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✓ 简报

11月4日,中科院植物研究所植被结构与功能研究团队在国际学术期刊PNAS发表题为“Progressive shifts in soil respiration response to long-term nitrogen enrichment across global forests and grasslands”的文章,揭示了持续氮添加下土壤呼吸的时间变化规律。

理解生态系统碳通量如何响应持续的全球变化对约束碳-气候反馈至关重要。氮素是陆地生态系统植物生产力的关键限制性元素,氮沉降被长期视为调控陆地碳封存的重要驱动因子。土壤呼吸是陆地生态系统向大气释放碳的主要通量,在全球碳循环中发挥着重要作用。既往研究多关注氮添加对土壤呼吸影响的空间差异或短期效应,而对持续氮输入下土壤呼吸响应的时间动态缺乏系统认识。


中科院植物研究所 植被与环境变化实验室植被结构与功能研究团队整合了来自全球森林和草地长期氮添加控制实验的土壤呼吸数据,系统揭示了土壤呼吸响应持续氮添加的时间演变规律。


研究发现,土壤呼吸对氮添加的响应呈现由短期促进向长期抑制转变的特征。具体而言,氮添加初期促进土壤呼吸,但这一正向效应仅持续约两年,随后逐渐转变为抑制,且这一变化在森林和草地生态系统中均表现一致。进一步分析表明,土壤呼吸的响应遵循非线性变化,即早期快速下降,随后逐渐趋于平稳。为探究氮添加强度对响应过程的影响,研究以数据集氮添加速率的中位数(50 kg N ha-1 y-1)为界,将实验划分为低、高氮添加速率组,发现高水平氮添加使土壤呼吸平均降低约11%,而低水平氮添加则无显著的整体效应。这些结果表明氮添加对土壤碳通量的影响高度依赖于暴露时长与累积氮输入量。


该研究拓展了既往静态响应范式,为认识长期氮沉降背景下陆地生态系统碳循环的动态变化,以及提高碳循环模型和碳-气候反馈评估的准确性提供了新的科学依据。

 土壤呼吸对长期氮添加的时间动态响应规律

实验室邢爱军副研究员为论文第一作者,方精云院士和沈海花研究员为共同通讯作者。北京师范大学杜恩在教授、美国耶鲁大学刘上石副研究员、英国斯特灵大学Arthur Broadbent研究员等参与了本研究工作。该研究得到国家自然科学基金项目的资助。


相关论文:

A. Xing,M. Zhao,S. Liu,A.A. D. Broadbent,E. Du,H. Shen, & J. Fang,  Progressive shifts in soil respiration response to long-term nitrogen enrichment across global forests and grasslands, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (45) e2622400123

扩展阅读

Understanding how soil respiration (Rs) responds to sustained nitrogen loading is critical for constraining carbon–climate feedbacks. However, current assessments largely overlook the potential for substantial temporal shifts in these responses. Here, we address this gap by synthesizing time-series Rs records from long-term manipulation experiments worldwide. We reveal a nonlinear temporal trajectory in Rs responses to nitrogen addition, transitioning from short-term stimulation to long-term suppression. Nitrogen addition rate did not significantly accelerate this temporal shift, but higher nitrogen inputs produced stronger overall suppression. Our findings extend the prevailing spatial-oriented analyses by showing that nitrogen enrichment effects on soil carbon fluxes depend strongly on exposure duration and cumulative nitrogen input. Abstract Soil stores the largest pool of actively cycling carbon (C) on land, and its dynamics under global changes are critical for projecting climate feedbacks. Global nitrogen (N) deposition has more than doubled since the 1860s; however, the temporal dynamics of soil C emissions under prolonged N deposition are poorly understood. Here, using a global time-series dataset compiled from 38 long-term experiments in forests and grasslands, we find that the response of soil respiration (Rs) to N addition systematically shifts from a transient increase persisting for approximately 2 y to a sustained suppression over time (mean effect = −6%; 95% CI = [−10%, −3%]). Rs in forests and grasslands followed consistent nonlinear trajectories, characterized by a rapid initial decline in the magnitude of the response, which progressively leveled off. Notably, suppression of Rs emerged when cumulative N inputs exceeded a threshold of ~100 kg N ha−1. Consequently, the suppression was both stronger and occurred more rapidly under high-level N additions (>50 kg N ha−1 y−1). These temporal dynamics were associated with N-induced soil acidification and related changes in microbial properties. Overall, these findings indicate that accurate prediction of land–atmosphere C fluxes under global change requires models to capture the reported temporal dynamics.

来源:植物所、期刊官网

本月编辑:白露|审核:EE编委团


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发布时间:2026-11-10 10:10:16


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