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题目：
Gains in soil carbon storage under anthropogenic nitrogen deposition are rapidly lost following its cessation
通讯作者：
Zachary B. Freedman
地址：
Department of Soil and Environmental Sciences, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin, USA
Abstract
在北半球，人为氮 (N) 沉降促进了全球陆地碳 (C) 吸收的增强，部分抵消了 CO2排放。在几项长期实地试验中，这种生态系统层面的反应被确定为部分由与土壤有机质分解相关的微生物活动抑制所驱动。然而，自20世纪70年代实施减排政策以来，全球大气氮沉降量下降，这种下降的后果尚不清楚。在这里，我们评估了土壤碳储存和相关微生物活动的响应，这是一项长期实地研究，该研究通过试验增加了24年的氮沉降。我们测量了土壤碳和氮、微生物活动，并比较了我们试验历史（1994-2022年）中土壤碳对氮沉降处理的响应和恢复的影响大小。我们的结果表明，有机层中积累的碳已经丢失，并且在终止氮沉降处理5年后表现出额外的缺陷。这些发现部分源于微生物活动的机械变化。迄今为止，矿物土壤中的土壤碳在恢复过程中反应较弱。如果这些有机层碳动态在其他温带森林中相似，那么北半球的碳吸收将减少，气候变暖将加剧。
Result
图 1. 提出了从历史上的高氮 (N) 沉降中恢复的概念模型，该模型以 Gilliam (2019)提出并由 Carrara (2022)改编的框架为基础。该概念模型大致假设，由高人为 N 沉降率支持的陆地 C 吸收将恢复，要么在高 N 沉降状态下保留在系统中（条件 1），要么返回到环境状态（条件 2），要么转向另一种稳定状态（条件 3；Du等，2024）。
图 2. 美国密歇根州研究地点的分布横跨北部硬木森林的地理范围。之所以选择这些地点，是因为它们的植物区系和土壤特征相似（见附录 S1：表 S2）。每个地点（n = 4）有6个 30 m × 30 m 的地块，其中三个在 1994 年至 2017 年期间以 30 kg NO3–N ha−1 y−1 的形式接受了实验性氮 (N) 添加，另外三个接受了环境大气中的氮沉降。
图 3. 长期实验中氮 (N) 沉降处理对有机层碳 (C) 的影响 的标准化效应大小 (Cohen's d)和 95%CI（附录S1：表 S3）。1994 年至 2017 年，每年进行氮沉降处理。红色垂直线表示未进行任何处理的第一年。点按地点着色（n = 4）。零以上的点表示与环境处理相比，氮沉降处理中的有机层 C 较多。零以下的点表示与氮沉降处理相比，环境处理中的有机层C较多。
图 4. 长期实验期间氮 (N) 沉降处理对地表 (0–10 cm) 土壤矿物碳 (C) 含量影响的 标准化效应大小 (Cohen's d ) 和 95% CI（附录S1：表 S3）。1994 年至 2017 年每年进行氮沉降处理。红色垂直线表示未进行任何处理的第一年。点按地点着色（n = 4）。零以上的点表示与环境处理相比，氮沉降处理中的土壤矿物碳更多。零以下的点表示与氮沉降处理相比，环境处理中的土壤矿物碳更多（a）。2022 年 9 月从环境和氮沉降处理中采集的样品中的土壤矿物碳（以克/平方米为单位），氮沉降处理终止后 5 年（处理F 1,22 = 1.10，p = 0.31）。值代表处理平均值±SE（n = 12）。有关完整的双向方差分析（部位×治疗）结果，请参见附录 S1：表 S4（b）。
图 5. 2022 年 9 月从环境和氮 (N) 沉降处理中收集的样品的有机层过氧化物酶 (PER) 活性（以纳摩尔/克/小时为单位），在 N 沉降处理终止后 5 年。进行了双向协方差分析（地点 × 处理），以检验在控制土壤湿度的情况下终止 N 沉降处理的影响（处理F 1,22 = 4.77，p = 0.045）。值代表处理平均值 ± SE（n = 12）。星号 (*) 表示p ≤ 0.05。有关完整的双向方差分析（地点 × 处理）结果，请参阅附录 S1：表 S4。
图 6. 从历史上的高氮 (N) 沉降中恢复有机层 (顶部) 和矿物土壤 (底部) 碳 (C) 的拟议未来恢复轨迹。在终止 N 沉降处理 5 年后（如黑色实线所示），在有机层 (即森林地表) 中积累的土壤 C 不仅表现出恢复到环境条件的状态（条件 2；图 1），而且相对于环境条件还存在额外的赤字。我们推测有机层 C 最终将恢复到环境状态。在高 N 沉降期间积累的矿物土壤 C 也在流失，但速度较慢。我们推测矿物土壤 C 将继续流失，可能达到新的稳定状态（条件 3；见图 1）。
Conclusion
结果表明，在试验性氮沉降恢复 5 年后，由于微生物活动的增加，最南端三个地点积累的有机层碳已经耗尽，而最北端地点积累的有机层碳仍然存在。值得注意的是，随着系统的恢复，这些条件可能会发生变化。恢复初期观察到的条件可能并不反映系统的最终状态，我们还不知道何时可以达到该状态。随着试验的恢复进展，我们假设将发生以下三种情况：第一，我们预计最北端地点前一次氮沉降处理中的有机层碳水平将变得更类似于环境条件下的有机层碳水平，最终可能表现出与最南端三个地点类似的降低。第二，鉴于我们观察到的矿物土壤碳损失，我们预计矿物土壤池将继续失去试验性氮沉降下积累的碳（图 6）。最后，我们预计最南端的三个地点不会继续失去有机层碳。相反，我们怀疑该系统处于过渡期，在扰动之后表现出扰动，这可能表现为不稳定的早期预警信号，因为这个全球相关的陆地碳汇正在向新的平衡点移动（图 6；Fernández-Martínez等，2023）。我们怀疑我们所提出的有机层动态可能发生在其他温带森林系统和长期氮添加研究中，尽管变化程度可能会因现有主要树种、土壤物理性质和气候因素而有所不同。需要对此项研究和其他长期恢复期试验性氮研究进行额外监测，以准确了解森林碳响应，这对于模拟未来环境变化下的森林碳储量至关重要。如果其他陆地生态系统对大气氮沉降减少做出类似反应，北半球的全球陆地碳汇将下降，随后加剧气候变暖。
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