森林植物氮利用关键过程及其对大气氮输入的响应

Nitrogen (N) is a nutrient limiting plant growth and carbon fixation. However, plant N strategies of plant N utilization and their variations with environments are poorly understood in the knowledge of surface-earth N cycle. China is currently facing severe atmospheric N pollution, the N availability and N utilization in natural plants altered by increasing atmospheric N inputs are not clarified, which constitutes a ‘bottle-neck’ question for accurately evaluating ecological effects of anthropogenic N deposition. Combined methods and theories of biogeochemistry, isotopic geochemistry and plant ecology, based on forest ecosystems with different atmospheric N inputs in North China, this project is designed to investigate explicit geochemical characterizations of N passed through the forest canopy to soil and rhizospheric N being available to plants. Using these information, the main contents of this project is to clarify the N uptake and reduction in plant leaves and roots and their variations with atmospheric N inputs and rhizospheric N availability, elucidating the key geochemical mechanisms of atmospheric N inputs, rhizospheric N status and plant N utilization processes. This project focuses on interface processes influencing plant N utilization of forests in surface-earth systems and their responses to human disturbance, the results can enrich the knowledge of how increasing anthropogenic N inputs influence forest N cycle and provide scientific evidences on evaluating relationships between regional environmental pollution and changes of ecosystem processes.

氮是限制植物生长和固碳能力的营养元素，然而植物的氮利用策略及其随环境的变化机制在地表氮循环知识体系中较缺失。我国正面临严重的大气活性氮污染，大气氮输入增加造成的生态系统氮可利用性和自然植物氮利用策略的变化并不十分清楚，这是准确评价人为成因氮沉降生态效应的瓶颈问题。本项目结合生物地球化学、同位素地球化学和植物生态学的方法原理，基于华北地区不同大气氮输入水平下的森林生态系统，通过穿冠输入土壤的氮和土壤中植物根际可利用氮的地球化学特征的详细分析，重点研究植物根系和叶片的氮吸收和还原过程特征及其随大气氮输入和根际氮可利用性的变化机制，厘清‘大气氮输入-根际氮状态-植物氮利用’的关键地球化学过程机制。本项研究聚焦表层地球系统中影响森林植被氮利用的界面过程及其对人为扰动的响应，丰富大气氮输入增加如何影响森林氮循环的知识体系，为评价区域环境污染和生态系统过程变化的关系提供科学依据。

氮是地球生物必需元素，然而地表植物氮利用关键过程及其环境响应机制认知一直较缺失，这也是准确评估人为成因氮沉降增加产生的生态环境效应所缺失的关键信息。本项目基于京津冀区域氮污染严重的环境背景，围绕森林植被外源氮输入、土壤氮供给和植物氮利用策略的前沿问题开展了系统研究，在氮同位素方法学和地表氮循环过程机制方面取得了突破或创新成果。一、大气氮输入方面：结合大气氮组分化学浓度观测数据整合和地理空间分析明确了京津冀地区的氮沉降通量及其时空变异；在东灵山森林定点观测并与北半球其它森林结果对比揭示了林冠改变氮沉降的幅度和机制；同时在大气氮源贡献的同位素量化与非化石源氮氧化物和燃烧源氨排放方面取得了方法学突破和重要科学证据。二、土壤氮状态方面：通过历史数据收集和27个森林点位的详细调查分析，明确了京津冀森林土壤氮素水平、时空变化及其主控因素；在国际上率先构建了土壤主要形态氮原位转化比例的自然同位素定量评估方法，揭示氮沉降增加促进各微生物氮转化过程的幅度和机制。三、植物氮利用方面：在国际上率先建立了量化叶片吸收大气硝态氮、根系吸收土壤无机和有机氮、土壤氮在植物地上-地下的分配比例和策略的氮氧同位素新指标和新方法，并通过不同气候背景、氮污染物梯度、入侵梯度的优势植物种群的详细调查分析，在北极苔原植物硝态氮利用、低纬度植被氮利用策略及其如何响应氮沉降增加、外来入侵植物和消失、共存的本地植物氮利用策略等方面获得了一系列关键科学证据。上述研究成果为基于地表植被系统氮循环过程认知制定活性氮减排策略和评估全球或区域氮污染的生态效应提供了新的科学支撑。目前，部分研究结果已在NC、PNAS、NSR、GBC、GCB、JGR等发表SCI共31篇、EI和中文核心6篇，并入选‘2021年度氮循环十大科学进展’和入围全球“前沿地球奖”。本项目已资助出站和在站博士后共2名、毕业和在读研究生共28名。