針對上述問題，中國科學院沈陽應用生態研究所方運霆研究員團隊與中國科學院地理科學與資源研究所張揚建團隊等建立了15N標記量化土壤N2O和N2產生速率的技術，對中國18個森林土壤反硝化作用N2O和N2產生速率的溫度敏感性進行了研究，探討了主要驅動因素，并利用生態系統過程模型（DyN-LPJ）結合室內培養的溫度敏感性結果模擬了未來變暖情形下全球森林土壤反硝化作用氣態氮釋放的響應。研究的18個森林站點從南到北相距4000km，緯度相差33 （圖1），覆蓋了廣泛的氣候梯度（年均溫相差25 C，年降水量相差2000mm）。
該圖基于自然資源部標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2020)4619號的標準地圖制作，底圖邊界無修改
研究發現，中國不同氣候帶森林土壤的反硝化作用 N2O 和 N2 產生速率隨著溫度的升高呈指數增長并呈現一定的地理格局（圖 2 ）。然而，不同森林土壤之間 N2O 和 N2 釋放的 Q10 值與土壤理化和微生物指標及氣候因素無相關性，表明不同氣候帶下的森林土壤 N2O 和 N2 釋放具有一致的溫度敏感性， Q10 值分別為 2.1 0.5 和 2.6 0.6 （圖 3 ）。該研究的陸地生態系統反硝化作用 Q10 值（ 1.4-3.2 ）與已報道的水生生態系統反硝化作用 Q10 值（ 1.6-3.5 ）非常相近（圖 4 ）。該研究表明不管是土壤還是海洋沉積物環境，反硝化作用的溫度敏感性相對來說比較一致，有利于模型模擬和預測全球變暖情況下反硝化作用的響應。 N2O 是一種強效的溫室氣體。氣候變暖將促進更多的 N2O 排放，更多 N2O 釋放將進一步加劇變暖，對氣候變化形成正反饋。該研究還發現， N2 產生的溫度敏感性高于 N2O ，表明氣候變暖會使反硝化作用更加徹底，使土壤氣態氮損失更多以 N2 的方式進行。
圖2 18個森林土壤反硝化作用N2O、N2、N2O+N2產生速率對溫度的響應
目前，大多數森林仍然處于氮限制狀態，氣候變暖引起的氣態氮損失和由此產生的氮限制很有可能進一步限制陸地生態系統的初級生產力及其碳匯功能。為進一步揭示全球尺度上氣候變暖對森林土壤氣態氮損失的影響，該研究將森林土壤反硝化作用 N2O 和 N2 釋放的 Q10 值與生態系統過程模型 DyN-LPJ 結合，預測了在全球變暖和其他全球變化因子（比如氮沉降、降水、大氣 CO2 ）改變的背景下未來全球森林土壤反硝化作用氣態氮的釋放。模型的結果顯示，在 1991-2000 年全球森林生態系統土壤反硝化作用 N2O 和 N2 的釋放速率分別為 3.8 和 81.9 Tg N yr-1 ，氣態氮釋放以氮氣為主。在 SSP2-4.5 和 SSP5-8.5 情景下， 2100 年森林土壤反硝化作用 N2O 的釋放速率分別升高至 6.3 和 7.8 Tg N yr-1 ， N2 的釋放速率將分別為 121.1 和 133.0 Tg N yr-1 （圖 5 ）。
圖5 DyN-LPJ模型模擬不同溫室氣體排放情景模式下2100年全球森林生態系統反硝化作用N2O和N2釋放速率與2000年相比的年增量
a-c和d-f圖分別為SSP2-4.5和SSP5-8.5情景模式下的氣態氮釋放模擬結果
綜上所述，該研究在大陸尺度上量化了森林土壤反硝化作用產生的N2O和N2的溫度敏感性，為模型模擬提供重要的數據參數，有助于加深對未來變暖背景下森林生態系統復雜的碳氮耦合過程及其對變暖反饋的理解。
這項研究成果以“Universal temperature sensitivity of denitrification nitrogen losses in forest soils”為題于2023年6月22日發表在Nature Climate Change上（IF2021=28.66）。中國科學院沈陽應用生態研究所于浩明博士生為第一作者，方運霆研究員和中國科學院地理科學與資源研究所張揚建研究員為共同通訊作者。合作者還有挪威生命科學大學Jan Mulder教授和Peter Dorsch教授、美國紐約州立大學朱偉興教授、中國科學院青藏高原研究所旭日研究員等。該研究受到國家重點研發計劃（2016YFA0600802)和中國科學院盧嘉錫國際團隊項目（GJTD-2018-07）等項目資助。
