凋落物分解是森林碳循環(huán)和全球碳平衡的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其分解特性影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)。另外，凋落物分解也是維持森林生產(chǎn)力與土壤肥力的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)制。大量研究表明，氮元素是調(diào)控森林凋落物分解速率的關(guān)鍵因素，凋落物氮含量與分解速率的正相關(guān)關(guān)系已被廣泛應(yīng)用于生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)模型。該結(jié)論（氮與分解速率呈正相關(guān)關(guān)系）主要是基于短期的凋落物分解研究，其分解周期通常小于3年。然而，凋落物分解是一個(gè)持續(xù)數(shù)年至數(shù)十年的緩慢過程，尤其在分解速率較為緩慢的溫帶森林和北方森林。目前，氮元素對(duì)長期凋落物分解速率的調(diào)控如何，氮含量與分解速率的正相關(guān)關(guān)系在分解后期是否可以維持？研究結(jié)果是否具有普適性規(guī)律？這些問題均未解決，因而限制了森林生態(tài)系統(tǒng)凋落物管理。
鑒于此，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所（以下簡稱：沈陽生態(tài)所）北方生態(tài)屏障功能形成維持機(jī)制與提質(zhì)增效創(chuàng)新組群，對(duì)中國東北溫帶森林的62種樹木凋落物進(jìn)行了長達(dá)10年的分解實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，經(jīng)過為期10年的分解，仍有20%左右的凋落物殘留（圖1）。凋落物分解初期，初始氮含量（N/C）與分解速率呈正相關(guān)，氮含量較高（以62種樹木初始凋落物氮含量的中位數(shù)界定；初始氮含量高于1.39%）的凋落物分解速率高于氮含量較低（初始氮含量低于1.39%）的凋落物。高氮含量凋落物前期快速分解積累的微生物殘?bào)w可能是抑制后期分解的重要機(jī)制。然而，在分解時(shí)間達(dá)到第5年后，該模式發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，凋落物初始氮含量與后期分解速率呈負(fù)相關(guān)（圖1）。
圖1 東北溫帶森林62種樹木凋落物分解過程中殘留率的變化
為進(jìn)一步驗(yàn)證氮元素與長期凋落物分解速率存在的這一“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)凋落物基質(zhì)含量差異較大的2個(gè)不同樹種（五角槭和蒙古櫟）葉片添加氮肥的手段，得到了氮含量不同的凋落物樣品，并放置到野外進(jìn)行長期凋落物分解。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使對(duì)同一樹種，氮含量較高的凋落物初期分解較快而后期分解速率較慢，也就是氮濃度與分解速率的正相關(guān)關(guān)系也會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生“反轉(zhuǎn)”。同時(shí)，為了揭示氮元素與長期凋落物分解速率存在的這一“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象是否在溫帶森林和北方森林具有普適性規(guī)律，通過建立溫帶森林和北方森林120個(gè)物種、437個(gè)測(cè)定長期凋落物分解速率（分解周期大于5年）的數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)氮元素含量與后期殘留的凋落物或分解速率趨近平衡的漸進(jìn)值呈正相關(guān)，即氮元素與凋落物后期分解速率的負(fù)相關(guān)關(guān)系具有普適性規(guī)律。
圖2 氮肥處理對(duì)五角槭和蒙古櫟凋落物分解過程中殘留率的影響
圖3 氮元素對(duì)溫帶和北方森林長期凋落物分解速率趨近平衡時(shí)漸進(jìn)值的調(diào)控
本研究揭示了氮含量與凋落物初期分解速率存在的正相關(guān)關(guān)系到后期出現(xiàn)了“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)和地球系統(tǒng)模型中對(duì)氮-分解速率正相關(guān)關(guān)系的處理提出了挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)了長期凋落物分解研究的重要性。該成果以General reversal of N-decomposition relationship during long-term decomposition in boreal and temperate forests為題，于2024年5月份發(fā)表在PNAS期刊。沈陽生態(tài)所孫濤研究員為第一作者，沈陽生態(tài)所朱教君研究員、孫濤研究員、美國杜克大學(xué)William Schlesinger教授為論文的共同通訊作者。研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFA0608100、2022YFD2201300）和國家自然科學(xué)基金（32022054、32192432）等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2401398121?
