鹤山站科研人员揭示长期大气氮沉降抑制微生物磷竞争促进植物生长
作者：鹤山站 更新时间：2025-6-11 09:48:11
人为氮沉降显著提升了全球氮的可利用性，深刻改变了陆地生态系统的结构、功能和关键生态过程，甚至影响植物对磷的营养限制。磷作为植物生长的必需元素，其有效性常常限制着生态系统的初级生产力。根据生态化学计量学理论，长期持续的氮输入可能加剧植物对磷的限制，特别是在亚热带森林中，该地区氮沉降强烈而磷生物有效性较低。然而，已有研究发现氮沉降并未削弱该地区的植物生产力，反而可能促进其增长。因此，一个关键科学问题是：氮添加如何通过调控植物和土壤磷循环，缓解植物磷限制并维持甚至提升其生长潜力？此外，与以往主要基于林下施氮的氮沉降模拟不同，林冠施氮更加真实地反映了大气氮沉降情景，考虑了氮在林冠的截留和再分配过程，进而影响叶片直接氮吸收、土壤酸化等多个生态环节，可能导致与林下施氮截然不同的磷循环响应机制。
为揭示这些潜在差异及其机制，本研究依托鹤山站长期林冠与林下氮添加实验平台，基于10年持续处理后的植物与土壤数据，系统分析了不同氮沉降方式下森林植物获取磷策略的响应过程与调控机制。同时，结合荟萃分析评估本地实地结果在全球尺度上的代表性与一致性。研究结果表明，林冠氮添加显著提升了植物生物量和磷吸收量，同时降低了土壤微生物磷含量，有效缓解了植物磷限制。荟萃分析进一步证实，这一促进效应在包括热带、亚热带、温带森林在内的多种森林类型中具有一致性。与林下氮添加相比，林冠氮添加下植物磷吸收能力的增强与细根生物量提升、叶片蒸腾速率加快及磷再吸收效率提高密切相关。此外，林冠氮添加还显著激活了土壤酸性磷酸酶活性和与无机磷转化相关的phoC基因丰度，从而提升了土壤对植物的磷供应能力，造成土壤微生物和无机磷库的下降。本研究通过结合实地长期实验与全球荟萃数据，深入揭示了高氮沉降背景下植物如何通过调整磷获取策略保持高生产力，为在现实氮沉降场景下更准确地预测森林生态系统的碳汇潜力和养分限制机制提供了理论基础与实践支持。
为揭示这些潜在差异及其机制，本研究依托鹤山站长期林冠与林下氮添加实验平台，基于10年持续处理后的植物与土壤数据，系统分析了不同氮沉降方式下森林植物获取磷策略的响应过程与调控机制。同时，结合荟萃分析评估本地实地结果在全球尺度上的代表性与一致性。研究结果表明，林冠氮添加显著提升了植物生物量和磷吸收量，同时降低了土壤微生物磷含量，有效缓解了植物磷限制。荟萃分析进一步证实，这一促进效应在包括热带、亚热带、温带森林在内的多种森林类型中具有一致性。与林下氮添加相比，林冠氮添加下植物磷吸收能力的增强与细根生物量提升、叶片蒸腾速率加快及磷再吸收效率提高密切相关。此外，林冠氮添加还显著激活了土壤酸性磷酸酶活性和与无机磷转化相关的phoC基因丰度，从而提升了土壤对植物的磷供应能力，造成土壤微生物和无机磷库的下降。本研究通过结合实地长期实验与全球荟萃数据，深入揭示了高氮沉降背景下植物如何通过调整磷获取策略保持高生产力，为在现实氮沉降场景下更准确地预测森林生态系统的碳汇潜力和养分限制机制提供了理论基础与实践支持。
研究成果以“Long-term atmospheric nitrogen deposition enhances forest production by suppressing microbial competition for phosphorus”为题，于2025年6月发表于全球变化生态学领域期刊Global Change Biology（IF5year=13.0），论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.70264。论文第一作者为鹤山站陈焕镛副研究员罗先真，侯恩庆研究员和张玲玲副研究员为通讯作者。研究得到广东省基础与应用基础研究基金和国家自然科学基金的资助。
图1 林冠林下氮添加对生态系统磷循环的影响
图2 荟萃分析全球林冠林下氮添加对生态系统磷循环的影响及磷有效性预测