本研究于2025年11月24日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，题为《气候变暖减少温带森林土壤气态氮损失》。论文的主要作者包括来自中国科学院应用生态研究所的黄凯（Kai Huang）和吴迪（Di Wu）作为共同第一作者，以及来自加州大学河滨分校的 Peter M. Homyak 和中国科学院应用生态研究所的方运霆（Yunting Fang）作为共同通讯作者。参与这项工作的研究团队阵容强大，成员来自中国、美国、挪威、丹麦、英国等多个国家的知名研究机构，包括中国科学院、加州大学河滨分校、挪威生命科学大学、奥胡斯大学、北京大学、北京师范大学、利兹大学、哥本哈根大学、纽约州立大学宾汉姆顿分校等。
本研究属于生态学与环境科学交叉领域，重点关注全球变化背景下陆地生态系统氮循环的关键过程。氮（N）是限制植物初级生产力和森林固碳能力的关键营养元素。然而，越来越多的全球证据表明，陆地生态系统的氮可利用性正在下降。其中一个可能的原因被认为是，随着全球温度升高，土壤中一氧化氮（NO，一种空气污染物和间接温室气体）、氧化亚氮（N2O，一种强效温室气体）和氮气（N2）等气态氮的排放会加速。其中，土壤N2O排放的加速尤其令人担忧，因为它可能刺激进一步变暖，从而形成正反馈循环。
目前，用于预测土壤氮排放如何响应变暖的模型，大多基于热力学理论（如阿伦尼乌斯方程），该理论认为氮排放速率随温度呈指数增长，这在实验室研究中已被观察到。然而，用于验证这些假设的野外实验研究却非常稀少，因为建立和维护野外增温站点资源密集，且进行原位氮气体测量存在诸多挑战。在主要的气态氮物种（NO、N2O和N2）中，N2O因其温室气体效应和对平流层臭氧的破坏作用而被研究得最多。尽管如此，全球仅有十个森林站点监测了原位增温如何影响N2O排放，且结果差异很大。相比之下，评估变暖对森林土壤NO排放影响的野外研究尚不存在，也没有关于变暖如何影响N2排放的原位观测，因为由于大气中N2背景值过高，直接测量N2通量目前仍不可行。
全球气温升高预计会直接和间接地改变土壤氮循环。直接地，变暖通过酶动力学影响微生物代谢；酶活性随温度升高而增加。间接地，变暖可能通过增加蒸散速率来降低土壤湿度，从而降低底物的溶解度和扩散速率，进而减少微生物对氮的获取。由于土壤湿度是控制微生物群落结构、酶活性和土壤氧有效性的关键因素，即使土壤湿度的微小变化也可能极大地改变气态氮生产和消耗对变暖的响应。然而，在气候变暖背景下，温度和土壤湿度变化对氮循环的相互作用尚不明确。
为了厘清温度和湿度如何相互作用以控制气态氮排放，研究团队在中国辽宁清原森林站（温带混交林）进行了一项为期6年的土壤增温实验。他们假设：1）根据热力学理论，变暖将增加土壤氮排放（模型A，温度响应主导）；或者2）变暖引起的土壤水分损失将抵消甚至超过温度效应，从而降低氮排放（模型B，湿度响应主导）。本研究的目标是通过大规模、高频次的原位测量，揭示在真实野外条件下，气候变暖对土壤NO和N2O排放的实际影响及其调控机制，从而检验并挑战现有基于实验室研究的模型预测。
本研究设计严谨，流程复杂，整合了长期野外控制实验、高频自动化气体通量测量、同位素示踪、室内培养实验以及分子生物学分析等多种手段。
1. 研究地点与实验设计： 实验地点位于中国科学院清原森林生态系统国家观测研究站。该森林为典型的温带针阔混交林。研究设置了六个18米 × 6米的样地，随机分配三个为增温处理，三个为对照。增温样地通过均匀悬挂在距地面2米高处的18个红外加热器（2 kW）对土壤进行辐射加热，目标是将矿质土壤5厘米深处的温度恒定提升2°C。对照样地安装形状相同的假加热器作为对照。增温处理每年在无雪期（3月底至12月初）进行，通过自动温控系统维持目标增温幅度。
2. 土壤NO和N2O排放的野外原位观测： 这是本研究方法学的核心亮点。研究团队采用了高度自动化的连续测量系统，从2018年8月到2023年12月进行观测。每个样地内安装了5个自动通量箱。这些箱体在非测量期间保持开放，以确保气体浓度恢复至环境背景值，从而获得具有空间代表性的通量数据。测量时，箱体关闭20分钟，期间箱内空气通过管路循环至一台氮氧化物分析仪（用于测量NO）和一台温室气体分析仪（用于测量N2O）。每5小时对所有箱体进行一次测量（每天4-5次），每日的NO和N2O排放速率由15个箱体（3个样地 × 5个箱体）的72次测量值平均得出。这种高时间分辨率的连续测量（超过20万次测量）提供了前所未有的数据密度，能够捕捉气体通量对环境和处理响应的精细动态，包括季节变化、冻融事件和降水脉冲的影响。
3. 环境因子监测： 在每个样地中，使用多个温度探头（5厘米深）监测土壤温度，为温控系统提供反馈。使用基于频域反射技术的探头监测0-10厘米矿质土壤层的体积含水量，并计算土壤充水孔隙度。此外，还在不同土壤深度（5, 10, 20, 30, 40厘米）以及有机层安装了温湿度探头，以全面了解增温对土壤剖面温湿度的影响。降水数据来自附近的气象站。
4. 土壤N2排放的估算： 由于直接测量N2通量极其困难，研究采用了一种创新的“升尺度”方法进行估算。首先，他们在同一研究区域（非增温实验区）进行了一项原位15N标记实验，建立了土壤湿度与N2:N2O比率之间的显著正相关关系。其次，他们进行了补充室内培养实验，将来自对照和增温样地的土壤在温度梯度下进行培养，并测量N2O和N2的产生。结果证实了湿度对N2:N2O比率的调控作用在不同处理间一致，且温度无显著影响。基于此，他们利用野外实测的N2O通量和土壤湿度数据，结合之前建立的湿度-N2:N2O比率关系式，估算了每日的N2排放通量。
5. 土壤化学与生物学分析： 在2019年至2023年的生长季，定期采集土壤样品（有机层和0-10厘米矿质层）。分析了土壤可提取铵态氮、硝态氮、可提取有机碳氮、微生物生物量碳氮等指标。此外，还利用实时定量PCR技术测定了与硝化和反硝化过程相关的功能基因丰度，包括氨氧化古菌和细菌的氨单加氧酶基因、亚硝酸盐还原酶基因以及N2O还原酶基因。这些分析旨在从底物供应和微生物功能潜力层面解释气体通量的变化机制。
6. 净氮矿化与硝化速率测定： 在生长季末期，采集新鲜土壤样品，在5个不同温度下进行为期一周的室内培养，测定土壤净氮矿化速率和净硝化速率。这有助于区分温度对过程的直接影响与野外增温（通过改变湿度）产生的间接影响。
7. 数据分析： 研究采用了线性回归分析环境因子与气体通量的关系。为减少数据变异性，在分析前将通量数据按温度或湿度区间进行平均。使用重复测量方差分析和混合效应模型检验增温和时间对气体通量、土壤性质等的影响。计算了标准化响应比来量化增温效应。此外，还通过荟萃分析，整合了全球其他十个森林增温实验的N2O排放数据，以在更大尺度上验证土壤湿度的调控作用。
1. 增温对土壤温湿度的影响： 红外加热器成功地将矿质土壤5厘米深处的温度平均提高了2.0 ± 0.1°C。作为响应，增温导致有机层土壤湿度降低了16%，0-10厘米矿质层土壤湿度降低了5%。这证实了变暖导致了土壤干燥。
2. 增温对土壤气态氮排放的影响： 与基于热力学理论的预测相反，为期6年的增温显著降低了土壤NO和N2O的排放。 * NO排放：增温第一年（2018年）无显著影响。但从2019年到2023年，增温使年NO通量相对于对照降低了19%，降至每年每公顷0.6公斤氮。 * N2O排放：在2019-2023年间，增温使年N2O通量相对于对照降低了16%，降至每年每公顷0.8公斤氮。 * N2排放：基于升尺度方法的估算表明，对照样地的N2排放约为每年每公顷0.9公斤氮，且增温对其没有显著影响。 * 总体效应：增温使年平均总气态氮（NO+N2O+N2）通量降低了约9%。根据对照样地数据建立的Q10函数预测，2°C的增温本应使NO排放增加28%，N2O增加16%。然而，实际观测到的NO和N2O排放分别比基于温度的预期值低了37%和28%。这一结果明确支持了“模型B”，即湿度响应主导了变暖对气态氮排放的效应。
3. 增温对土壤氮循环及相关参数的影响： * 氮底物与转化速率：在植物生长季，增温使有机层的净氮矿化速率降低了21%，净硝化速率降低了14%。有机层的铵态氮浓度也呈下降趋势。这表明增温引起的土壤干燥限制了下游氮转化过程的底物供应。 * 微生物参数：增温降低了有机层的微生物生物量氮和矿质层的可提取有机氮。 * 功能基因：增温改变了与氮转化相关的微生物功能基因丰度，例如增加了有机层中氨氧化古菌和某些反硝化基因的丰度，但降低了氨氧化细菌的基因丰度。然而，负责将N2O还原为N2的nosZ基因丰度未受影响，这与观测到的N2排放无变化的结果一致。
4. 机制阐释： 研究排除了其他可能机制，最终将排放降低归因于增温引起的土壤干燥。 * 排除机制一（促进N2产生）：N2排放未增加，且N2O还原酶基因丰度未变，表明增温并未促进NO和N2O向N2的完全还原。 * 排除机制二（增加植物吸收或淋溶）：观测未发现增温增加了氮淋溶量、植物组织氮含量、根系生物量、木材生产或凋落物产量。 * 确认机制三（土壤干燥抑制微生物活动）：观测数据强烈支持这一机制。NO排放主要受硝化作用驱动，而硝化速率与土壤湿度正相关。增温降低的土壤湿度直接抑制了净氮矿化和硝化作用，减少了可供产生NO和N2O的底物。对于N2O，其排放响应与土壤湿度的变化密切相关。在春季冻融期，增温使土壤解冻提前了8-11天，缩短了已知能强烈刺激N2O排放的冻融循环暴露时间，这也部分解释了N2O排放的降低。
5. 跨研究验证： 通过对全球已发表的十个森林增温实验进行荟萃分析，研究发现N2O对增温的响应方向与幅度主要受土壤湿度变化的控制。在年降水量低于约1000毫米的地区，增温通常导致土壤干燥，并抑制了N2O排放；而在更湿润的地区，增温未引起干燥时，N2O排放则可能增加。这进一步强调了在预测变暖对土壤氮排放影响时，必须明确考虑原位土壤湿度条件。
本研究的主要结论是：在年降水量低于约1000毫米的生态系统中，气候变暖引起的土壤干燥可以抵消甚至逆转基于纯温度效应的理论预测，导致土壤NO和N2O排放减少，而非增加。这一发现挑战了普遍认为的“变暖单独作用会加速生态系统氮损失”的模型假设。
其科学价值在于： 1. 提供了关键的原位验证：这项为期6年、包含超过20万次测量的研究，为理解野外真实条件下气候变暖对土壤氮循环的影响提供了极其宝贵和可靠的数据集，弥补了实验室研究与全球模型预测之间的关键验证缺口。 2. 阐明了核心调控机制：研究明确地将土壤湿度确立为调控变暖对气态氮排放效应的关键因子，强调了温度与水分相互作用的重要性，而非仅仅关注温度敏感性。 3. 修正了对气候反馈的认知：研究表明，在广泛存在的半干旱至湿润地区，变暖可能通过降低土壤氮排放而形成一个负反馈或弱反馈环节，这与许多当前模型中假设的强正反馈（变暖→更多N2O排放→更强变暖）有所不同。 4. 对模型改进具有指导意义：研究结果强烈指出，未来预测陆地氮循环变化及森林碳汇动态的模型，必须明确纳入变暖对土壤湿度的间接影响，以及湿度与氮转化过程的耦合关系。
研究还详细报告了环境背景下对照样地的气体排放规律：NO排放主要在生长季，与土壤温度呈强正相关；而N2O排放峰值则出现在春季冻融期。这些基线数据对于理解温带森林氮气体通量的自然动态具有重要价值。此外，论文中展示的关于气体通量与温度、湿度关系的详细响应曲线，以及不同季节（生长季、休眠季）响应模式的差异，为发展和验证过程模型提供了宝贵的参数化依据。