近日，地理科學(xué)學(xué)院白娥教授團(tuán)隊(duì)在生態(tài)系統(tǒng)碳氮耦合領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)將穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)與生態(tài)系統(tǒng)過程模型相結(jié)合，系統(tǒng)性解析了植物和土壤碳氮循環(huán)過程，為完善地球系統(tǒng)模型提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支撐。研究成果陸續(xù)發(fā)表在《The ISME Journal》、《Ecology Letters》、《Global Change Biology》、《Journal of Ecology》、《Global Biogeochemical Cycles》等頂級學(xué)術(shù)期刊上。
過去的200年里，人類向大氣層排放了數(shù)萬億噸CO2，如同給地球造了個(gè)大棚，減弱了地球的“散熱”，導(dǎo)致了全球氣候變暖。為遏制全球變暖，減少CO2排放和促進(jìn)CO2吸收成為維持生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的首要目標(biāo)。生態(tài)系統(tǒng)中植物和土壤對大氣中CO2的固定能夠一定程度緩解全球變暖，同時(shí)也是最為經(jīng)濟(jì)、最為便捷的固碳方式，對我國實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)至關(guān)重要。而生態(tài)系統(tǒng)固碳量的增加不僅涉及碳循環(huán)，也與氮循環(huán)息息相關(guān)。根據(jù)生物化學(xué)計(jì)量學(xué)原理，有機(jī)物的形成需要一定量的氮，并且氮與碳的比例通常保持相對恒定。因此，生態(tài)系統(tǒng)要固定一定量的碳，就要配比相應(yīng)的氮，這種現(xiàn)象稱為碳氮耦合。但是，在全球變化背景下，從植物到土壤碳氮循環(huán)的耦合關(guān)系尚不明確。
根據(jù)漸進(jìn)式氮限制理論，隨著大氣CO2濃度的上升，植物的光合作用增強(qiáng)，進(jìn)而促進(jìn)了植物對碳的固定。根據(jù)碳氮耦合關(guān)系，此時(shí)植物需氮量也逐漸增加。但土壤中氮的含量并不能滿足日益增長的氮需求，導(dǎo)致植物固碳受限。因此，如何緩解漸進(jìn)式氮限制進(jìn)而固定更多的碳，逐漸成為生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)以及政策決定者關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。通常，漸進(jìn)式氮限制可以通過三種方式緩解：第一種方式是增加土壤中的植物可利用氮的含量；第二種方式是提高葉片氮重吸收量（凋落前葉片中的一部分氮轉(zhuǎn)移到枝條）。但葉片氮的重吸收過程是否隨著CO2濃度的上升而增加，目前還不清楚。白娥教授團(tuán)隊(duì)利用15N標(biāo)記技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了氣候因素通過調(diào)節(jié)植物酶的活性，影響葉片氮重吸收量，并估算出葉片氮的重吸收量占植物需氮量的比例可達(dá)44.45%。但是進(jìn)一步結(jié)合全球文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)過去30年隨著大氣CO2濃度增加，葉片氮的重吸收量并未增加，因此，推斷這一方式無法緩解氮限制。相關(guān)成果分別以“Leaf enzyme plays a more important role in leaf nitrogen resorption efficiency than soil properties along an elevation gradient”和“Ectomycorrhizal trees rely on nitrogen resorption less than arbuscular mycorrhizal trees globally”為題，先后發(fā)表于生態(tài)類國際著名期刊《Journal of Ecology》（2022,110,2603–2614）、《Ecology Letters》（2023,27,e14346）上，后者被遴選為封面文章（圖1）。論文第一作者均為地理科學(xué)學(xué)院博士生劉柏。
圖1. Ecology Letters封面文章（Liu et al., 2023, Ecology Letters）。圖中為長白山北坡遠(yuǎn)景（吳正方攝）
上述兩種方式只是加快氮在植物和土壤的內(nèi)部循環(huán)，并沒有從根本上增加生態(tài)系統(tǒng)的氮輸入?；诖?，團(tuán)隊(duì)利用能夠反映萬年氣候變化的泥炭植物、通過探索其同位素豐度發(fā)現(xiàn)，在過去一萬年間隨著大氣CO2濃度增加，蘚類植物的生物固氮量也隨著增加，進(jìn)而增加了生態(tài)系統(tǒng)的氮輸入，一定程度上緩解了氮限制。因此只有通過第三種方式，即增加生物固氮或氮沉降才能從根本上緩解氮限制的路徑。該成果以“Isotopic evidence for increased carbon and nitrogen exchanges between peatland plants and their symbiotic microbes with rising atmospheric CO2 concentrations since 15,000 cal.year BP”為題，發(fā)表于國際著名期刊《Global Change Biology》（2023,29,1939–1950）上。論文第一作者為地理科學(xué)學(xué)院博士生楊倩楠。
植物中的碳一部分會以CO2的形式返回大氣，一部分會以調(diào)落物的形式進(jìn)入土壤，進(jìn)入土壤的碳在固定過程中同樣存在碳氮耦合現(xiàn)象。但是土壤中的碳氮耦合過程是怎么樣的？受到什么因素影響？在區(qū)域或全球的范圍內(nèi)如何分布的？這些問題也不清楚。土壤中的可利用氮主要是微生物分解有機(jī)物后的產(chǎn)物，因此凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的分解過程影響著土壤中的可利用氮。其分解過程主要取決于三大因素：微生物需求以及微生物資源利用效率、底物性質(zhì)、環(huán)境條件。團(tuán)隊(duì)根據(jù)大量實(shí)測數(shù)據(jù)，制定了全球土壤微生物碳氮分布地圖，奠定了微生物對碳氮需求的量化基礎(chǔ)，并開發(fā)了18O-標(biāo)記水的微生物碳利用效率測量技術(shù)（圖2），基于生態(tài)學(xué)代謝理論制定了土壤微生物生長速率和碳利用效率的全球地圖（圖3），相關(guān)成果分別以“Three-dimensional mapping of carbon, nitrogen, and phosphorus in soil microbial biomass and their stoichiometry at the global scale”、“Oxygen gas derived oxygen does not affect the accuracy of 18O-labelled water approach for microbial carbon use efficiency ”和“Global prediction of soil microbial growth rates and carbon use efficiency based on the metabolic theory of ecology”為題，先后發(fā)表于國際著名期刊《Global Change Biology》（2022,28,6728–6740）和《Soil Biology and Biochemistry》（2022,168,108649; 2024,190,109315）上。論文第一作者為地理科學(xué)學(xué)院博士生王梓橦、副教授高德才。
圖2.本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的18O-標(biāo)記水的技術(shù)（Wang et al.,2022,SBB）
圖3.0-30cm土壤深度中土壤微生物碳利用效率的全球格局（Gao et al.,2024,SBB）
碳在植物-凋落物-土壤轉(zhuǎn)移的過程中，是逐級減少的，但是減少比例如何？氮含量如何影響這一過程？目前也不清楚?；贚indeman效率的概念，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了微生物參與的凋落物分解模型以及土壤有機(jī)質(zhì)分解模型，分析了底物氮含量對碳從植物到土壤轉(zhuǎn)移效率的影響（圖4），相關(guān)成果分別以“Improved model simulation of soil carbon cycling by representing the microbially derived organic carbon pool”和“The carbon transfer from plant to soil is more efficient in less productive ecosystems”為題，發(fā)表于國際著名期刊《The ISME Journal》（2021,15,2248-2263）和《Global Biogeochemical Cycles》 (2023,37,e2023GB007727)上，論文第一作者為地理科學(xué)學(xué)院博士生樊憲磊。
圖4.凋落物分解和土壤有機(jī)質(zhì)分解模型（Fan et al.,2023,GBC）
基于上述關(guān)于植物和土壤碳氮來源的耦合研究，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)利用碳氮同位素示蹤技術(shù)，進(jìn)一步量化了泥炭地碳氮累積速率和微生物殘?bào)w碳氮周轉(zhuǎn)速率，揭示了環(huán)境條件對有機(jī)質(zhì)分解和累積過程的影響，以及土壤性質(zhì)對微生物殘?bào)w分解和累積過程的影響，相關(guān)成果分別以“Comparison of carbon and nitrogen accumulation rate between bog and fen phases in a pristine peatland with the fen-bog transition”和“Mineral composition controls the stabilization of microbially derived carbon and nitrogen in soils: Insights from an isotope tracing model”為題，發(fā)表于國際著名期刊《Global Change Biology》（2023,29,6350–6366;2024,30,e17156）上，論文第一作者分別為地理科學(xué)學(xué)院博士生楊倩楠和沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所助理研究員王旭。
上述系列工作，證實(shí)了生物固氮或氮沉降是緩解氮限制的有效方式，加深了氮對碳固持限制的理解，揭示了植物源和微生物源碳氮在土壤中穩(wěn)定保存的機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)固碳持續(xù)增加和“雙碳”目標(biāo)提供了新思路。
上述工作得到了國家級高層次領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目和面上項(xiàng)目，以及吉林省自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的資助。
相關(guān)論文清單：
1．Yang,Q.#,Liu,Z.,Houlton,B.Z.,Gao,D.#,Chang,Q.,Li,H.,Fan,X.#,Liu,B.#,&Bai,E.*(2023a).Isotopic evidence for increased carbon and nitrogen exchanges between peatland plants and their symbiotic microbes with rising atmospheric CO2 concentrations since 15,000 cal.year BP.Global Change Biology,29:1939–1950.
2．Liu,B.#,Gao,D.#,Chang,Q.,Liu,Z.,Fan,X.#,Meng,D.#,Bai,E.*(2022).Leaf enzyme plays a more important role in leaf nitrogen resorption efficiency than soil properties along an elevation gradient.Journal of Ecology,110,2603–2614.
3．Liu,B.#,Fan,X.#,Meng,D.#,Liu,Z.,Gao,D.#,Chang,Q.#,Bai,E.*(2023).Ectomycorrhizal trees rely on nitrogen resorption less than arbuscular mycorrhizal trees globally.Ecology Letters,27(1):e14346.
4．Wang,Z.#,Yang,J.#,Wang,C.#,Bai,E.*(2022).Oxygen gas derived oxygen does not affect the accuracy of 18O-labelled water approach for microbial carbon use efficiency.Soil Biology and Biochemistry.168:108649.
5．Gao,D.#,Bai,E.*,Wang,S.,Zong,S.,Liu,Z.,Fan,X.#,Zhao,C.and Hagedorn,F.(2022).Three-dimensional mapping of carbon, nitrogen, and phosphorus in soil microbial biomass and their stoichiometry at the global scale.Global Change Biology,28,6728–6740.
6．Gao,D.#,Bai,E.*,Wasner,D.and Hagedorn,F.(2024).Global prediction of soil microbial growth rates and carbon use efficiency based on the metabolic theory of ecology.Soil Biology and Biochemistry,190:109315.
7．Fan,X.#,Gao,D.#,Zhao,C.,Wang,C.#,Qu,Y.,Zhang,J.,Bai,E.*(2021).Improved model simulation of soil carbon cycling by representing the microbially derived organic carbon pool.The ISME Journal.15:2248–2263.
8．Fan,X.#,Bai,E.*,Zhang,J.,Wang,X.,Yuan,W.,Piao,S.(2023).The carbon transfer from plant to soil is more efficient in less productive ecosystems.Global Biogeochemical Cycles,37(8):e2023GB007727.
9．Yang,Q.#,Liu,Z.,Bai,E.*(2023b).Comparison of carbon and nitrogen accumulation rate between bog and fen phases in a pristine peatland with the fen-bog transition.Global Change Biology,29(6):6350–6366.
10．Wang,X.#,Wang,C.#,*,Fan,X.#,Sun,L.#,Sang,C.#,Jiang,P.,Fang,Y.and Bai,E.*(2024).Mineral composition controls the stabilization of microbially derived carbon and nitrogen in soils: Insights from an isotope tracing model.Global Change Biology,30(1):17156-17156.
#為白娥教授指導(dǎo)學(xué)生，*為通訊作者
