凋落物分解是森林碳循環和全球碳平衡的一個關鍵環節，其分解特性影響著森林生態系統的能量流動和物質循環。另外，凋落物分解也是維持森林生產力與土壤肥力的關鍵驅動機制。大量研究表明，氮元素是調控森林凋落物分解速率的關鍵因素，凋落物氮含量與分解速率的正相關關系已被廣泛應用于生物地球化學循環和生態系統模型。該結論（氮與分解速率呈正相關關系）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，凋落物分解是一個持續數年至數十年的緩慢過程，尤其在分解速率較為緩慢的溫帶森林和北方森林。目前，氮元素對長期凋落物分解速率的調控如何，氮含量與分解速率的正相關關系在分解后期是否可以維持？研究結果是否具有普適性規律？這些問題均未解決，因而限制了森林生態系統凋落物管理。

鑒于此，中國科學院沈陽應用生態研究所（以下簡稱：沈陽生態所）北方生態屏障功能形成維持機制與提質增效創新組群，對中國東北溫帶森林的62種樹木凋落物進行了長達10年的分解實驗。結果表明，經過為期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，氮含量較高（以62種樹木初始凋落物氮含量的中位數界定；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體可能是抑制后期分解的重要機制。然而，在分解時間達到第5年后，該模式發生了逆轉，凋落物初始氮含量與后期分解速率呈負相關（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

為進一步驗證氮元素與長期凋落物分解速率存在的這一“反轉”現象，研究團隊通過對凋落物基質含量差異較大的2個不同樹種（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，并放置到野外進行長期凋落物分解。研究結果發現，即使對同一樹種，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關系也會隨時間而發生“反轉”。同時，為了揭示氮元素與長期凋落物分解速率存在的這一“反轉”現象是否在溫帶森林和北方森林具有普適性規律，通過建立溫帶森林和北方森林120個物種、437個測定長期凋落物分解速率（分解周期大于5年）的數據庫，發現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值呈正相關，即氮元素與凋落物后期分解速率的負相關關系具有普適性規律。

圖2 氮肥處理對五角槭和蒙古櫟凋落物分解過程中殘留率的影響

圖3 氮元素對溫帶和北方森林長期凋落物分解速率趨近平衡時漸進值的調控

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關系到后期出現了“反轉”現象。研究結果對現有生態系統和地球系統模型中對氮-分解速率正相關關系的處理提出了挑戰，強調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月份發表在PNAS期刊。沈陽生態所孫濤研究員為第一作者，沈陽生態所朱教君研究員、孫濤研究員、美國杜克大學William Schlesinger教授為論文的共同通訊作者。研究得到了國家重點研發計劃項目（2020YFA0608100、2022YFD2201300）和國家自然科學基金（32022054、32192432）等項目資助。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2401398121?