近日，華東師范大學科研團隊在National Science Review發表研究論文，該研究將全球數據集與野外實驗相結合，發現增加樹種多樣性可減少森林土壤氧化亞氮（N2O）排放，其機制在于與反硝化作用相關的N2O生成量降低。

模型分析表明，與單一樹種相比，擁有2種樹種的森林可以減少全球森林10.39%的N2O排放；擁有24種樹種的森林減排效果最大，達56.30%。該發現強調了增加植物多樣性在減緩N2O排放方面的重要作用。

研究背景

已有的研究表明，植物多樣性喪失會削弱生態系統生產力和功能。N2O是一種強效溫室氣體，森林是陸地生態系統中最大的N2O自然排放源，因此森林N2O通量的微小變化會對全球氣候變暖產生重大影響。然而，目前對森林N2O排放量的估算仍存在不確定性，且未考慮到樹種多樣性變化如何影響N2O排放。

樹種多樣性對全球森林N2O通量的影響

研究團隊將來自全球森林的201個配對觀測數據與基于中國亞熱帶森林生物多樣性與生態系統功能研究平臺（BEF-China）的三年原位N2O通量觀測數據相結合，利用效應值評估樹種多樣性對森林N2O通量的影響。結果表明，樹種多樣性增加對全球森林土壤N2O通量具有顯著的負效應（R2=0.64, P<0.05），且無論是文獻數據還是原位觀測數據，均呈現出隨著樹種多樣性增加，N2O排放下降的趨勢。


圖1 通過Meta分析和長期原位觀測數據構建的全球樹種多樣性-森林土壤N2O通量數據集樣點分布（a）及樹種多樣性與樹種多樣性對N2O通量影響的效應值之間的線性關系（b）

樹種多樣性增強減少森林N2O排放的機制

通過進一步區分并量化不同樹種多樣性下森林土壤N2O產生過程，結果表明，隨著樹種多樣性增加，硝化、反硝化過程N2O產生量同時下降。其中，樹種多樣性增加使得反硝化過程N2O產生占比由70%下降至40%左右，因此反硝化過程成為N2O通量變化的主導過程。結構方程模型結果表明，反硝化過程受到土壤無機氮含量的顯著影響（通徑系數為0.32，P<0.001）。樹種多樣性增加促進了植物對土壤無機氮的吸收利用，減少了反硝化作用所需底物（通徑系數為-0.44，P<0.001），使得反硝化過程N2O產生量下降。


圖2 不同樹種多樣性下亞熱帶森林原位土壤N2O平均排放率（a）及硝化過程、反硝化過程N2O產生量占比（b）

模型模擬未來不同樹種多樣性情景下全球森林N2O排放

最后，該研究將植物多樣性因子納入N2O過程模型，構建植物多樣性-土壤-N2O通量模型，量化不同樹種多樣性情景下的全球森林土壤N2O排放。模擬結果表明與單一樹種相比，擁有2種樹種的森林可以減少全球森林10.39%的N2O排放；擁有24種樹種的森林減排效果最大，達56.30%。


圖3 植物多樣性-土壤-N2O通量模型模擬不同樹種多樣性情景下全球森林土壤N2O排放

小結

該研究首次量化了增加樹種多樣性在減少森林土壤N2O排放方面的潛力，強調了在森林中保持較高的樹種多樣性作為一種減緩全球氣候變化影響策略的重要性。在未來，有必要將樹種多樣性納入陸地生態系統模型，以更加準確地估算森林N2O通量的動態變化。

來源: 《中國科學》雜志社