林冠上与林下施氮导致温带森林中氮滞留时空格局分化

为何额外的氮对森林重要

在全球范围内，人类活动正向森林投洒越来越多的活性氮——这是肥料和大气污染中的关键养分。这种看不见的沉降可以促进树木生长，但也可能破坏土壤、水体和生物多样性。为了预测我们将走向何种未来，科学家需要知道一个看似简单但出乎意料地复杂的问题：当氮落在森林时，它最终落到哪里？本研究通过将施加在树冠上的氮与直接喷洒到林下地面的氮进行比较，解决了这一问题，研究地点位于中国的一片温带森林。

氮进入森林的两种方式

大多数模拟氮污染的实验只是把肥料加到地面。然而现实中，雨雪和干沉降中的大部分氮首先打到叶片冠层，可能在到达土壤之前被截留、转化甚至损失。研究人员利用秦岭山脉的一片年轻次生栎树林（该地区大气氮沉降较高）开展研究。他们用无人机在冠层上方喷洒少量掺有稳定同位素“标记”的氮，并用背负式喷雾器在冠层下对林下和土壤施加相同的标记氮。通过对这一无害示踪剂进行为期一年的追踪，他们能够以前所未有的精度跟踪氮进入叶片、木质部、根系和土壤层的去向。

追踪带标记的氮在森林中的去向

研究团队在冠层和林下处理中，都施用了两种常见的无机氮形式——铵盐与硝酸盐。随后他们在365天内的若干时间点采集了叶片、枝条、树干、林下植物、根系和下至40厘米的土壤样本。同位素标记使他们能够把新加入的氮与森林中已有的氮分开识别。施用后不久，林下施氮导致生态系统中新增氮的占比更高，主要因为在到达地面前很少被截留或损失。然而，随着一年时间的推进，这一差距缩小：到第365天，林下施加时约有82%的示踪剂被保留，而冠层施加时接近70%，表明在两种情形下都存在显著的长期储存。

冠层与地面输入的不同储存位置

虽然总体滞留量最终相似，但氮的储存位置在两种施加方式间差别明显。冠层上方施加时，更多的示踪氮最终积累到树体生物量中，尤其是木质主杆，成为一年后最大的单一储存库。在这种情况下，树木持有的新氮量几乎是土壤的两倍，且更多份额进入更深的土层。相反，氮直接施入林下时，首先被林下灌木、草本和表层凋落物强烈捕获，随后逐渐储存在上部40厘米土壤中。林下施加促进了浅层土壤的高滞留，而非树木中的储存，这反映了根系和表层微生物的立即吸收以及较少的冠层过滤效应。

氮的化学形态如何影响其命运

氮的化学形态也影响其在森林中的迁移。总体而言，生态系统对铵态氮和硝态氮的总滞留量相似，但植物明显偏好硝态氮。树木和灌木更多地将硝酸盐纳入其组织中，尤其是长期存在的树干，而土壤对铵盐和硝酸盐的持有量大致相当。这一格局可能源于硝酸盐在土壤水相中更易迁移并更易被植物运输，而铵态氮倾向于吸附在土壤颗粒上。有趣的是，在这个相对富氮的地点，微生物和土壤化学能够有效地固定这两种形态，帮助防止大量新增氮被迅速流失。

对森林与气候的意义

对非专业读者来说，本研究的核心信息是：我们在实验中如何模拟氮污染会强烈影响得到的结论。仅在地面施氮会高估落入表层土壤的氮量，并低估冠层作为“门控者”以及木材和深层土壤长期储存枢纽的作用。在这片年轻的温带林中，落在冠层的氮会缓慢供给树木与更深的土壤，而到达林下的氮则被小型植物和表层土迅速捕获。两条路径都能储存大量外来氮，但储存位置和时间尺度不同。这些见解有助于改进将氮污染与森林生长及碳存储联系起来的模型，最终更准确地预测森林对大气质量持续变化的响应。

引用: Yang, Z., Guerrieri, R., Ye, N. et al. Above canopy and understory nitrogen additions lead to divergent spatio-temporal nitrogen retention patterns in a temperate forest. Commun Earth Environ 7, 316 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03313-5

关键词: 氮沉降, 森林冠层, 土壤养分, 稳定同位素示踪, 碳封存