人类活动导致全球大气氮沉降量增加，进而影响森林生态系统碳氮循环。氮沉降能够提升森林生态系统碳汇，缓解全球气候变暖，然而，氮沉降对森林碳汇影响的大小仍存在很大争议。氮沉降对森林碳汇的影响主要取决于沉降氮的去向，即沉降氮是被植物利用还是被土壤固持或是以淋溶和气体方式损失。不同形态沉降氮在生态系统内的去向也存在一定差异。因此，在氮沉降增加的背景下，准确量化不同形态沉降氮在森林中的去向和分配是评估氮沉降对森林碳汇影响的关键。目前，国际上虽已有较多的森林¹⁵N示踪研究，但多数实验尺度小时间短，而且对于不同形态沉降氮在不同类型森林中的去向及截留机制尚不清楚。另外，全球氮沉降总量及其形态也存在较大的空间变异性，大大增加了评估氮沉降对森林碳汇贡献的不确定性。氮沉降对森林碳汇贡献的不确定性一定程度上限制了对全球未来气候变化的预测。
针对这一问题，中国科学院沈阳应用生态研究所方运霆研究员团队建立了中国森林生态系统¹⁵N示踪网络，由15个站点20个森林组成。基于该网络中9个¹⁵N成对标记站点和欧美4个成对¹⁵N示踪实验结果，该团队联合中国北京大学、清华大学、东北师范大学、北京师范大学、南京信息工程大学、河南大学、中国科学院亚热带农业生态研究所、西双版纳热带植物园、植物研究所、中国林科院热带林业研究所、法国气候与环境科学实验室、英国利兹大学、丹麦哥本哈根大学、荷兰瓦戈宁根大学、美国密歇根大学、新罕布什尔大学、纽约州立大学宾汉姆顿分校、日本京都大学等多家单位，首次量化了不同形态沉降氮在不同类型森林生态系统中的去向及其对全球森林碳汇的贡献。研究发现70%左右的氮沉降被森林生态系统截留，而且森林生态系统（植物+土壤）对铵态氮和硝态氮的总截留效率相近。但植物吸收更多硝态氮，表明森林植物可能偏好利用硝态氮（图1）。该研究利用沉降氮去向和分配的研究结果进一步评估了全球氮沉降在全球森林的分配及其对森林碳汇功能的贡献与空间格局，发现全球每年的氮沉降能增加森林碳汇0.72 Pg C yr^-1，占全球陆地生态系统碳汇的20%左右，高于以往的研究结果（图2），说明过去的研究很可能低估了氮沉降对陆地生态系统碳汇的贡献。
该研究量化了不同形态沉降氮在不同类型森林中的去向，有助于提高氮沉降对我国乃至全球森林生态系统碳氮循环影响的理解。该研究成果也证明氮沉降是森林碳汇的重要贡献因子。
该研究结果以“Retention of deposited ammonium and nitrate and its impact on the global forest carbon sinks”为题于2022年2月15日发表在Nature Communications（IF=14.919）。沈阳生态所方运霆研究员与北京大学彭书时研究员为共同通讯作者，沈阳生态所特别研究助理Geshere A. Gurmesa和副研究员王盎为共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、卢嘉锡国际团队项目、大气重污染成因与治理攻关项目和国家自然科学基金资助。
图1 全球森林生态系统氮沉降空间格局和本研究¹⁵N成对标记实验站点（a）、不同生态系统组分对不同形态沉降氮的截留率（b）、生态系统及各组分对铵态氮和硝态氮的截留效率相关图（c）

图2 不同研究的大气氮沉降及其对全球森林生态系统碳汇的贡献结果比较