Sự tương tác giữa trạng thái nitơ lá và tuổi thọ trong mối liên hệ với chu trình nitơ ở ba tán rừng châu Âu khác nhau

Biogeosciences - Tập 10 Số 2 - Trang 999-1011
L. Wang1, Andreas Ibrom2, Janne F. J. Korhonen3, K.F.A. Frumau4, Junjun Wu2, Mari Pihlatie3, Jan K. Schjøerring1
1Plant and Soil Science Section, Department of Plant and Environmental Sciences, Faculty of Science, University of Copenhagen, Thorvaldsensvej 40, 1871 Frederiksberg C, Denmark.
2Technical University Denmark, Department of Chemical and Biochemical Engineering, Centre for Ecosystem & Environmental Sustainability, Frederiksborgvej 399, Risø-Campus, 4000 Roskilde, Denmark
3Department of Physics, P.O. Box 48, 00014 University of Helsinki, Finland
4ECN, Environmental Assessment group, P.O. Box 1, 1755 ZG, Petten, The Netherlands

Tóm tắt

Tóm tắt. Sự thay đổi theo mùa và không gian trong các thông số nitơ (N) lá được nghiên cứu ở ba khu rừng châu Âu với các loài cây khác nhau, đó là cây sồi (Fagus sylvatica L.), thông Douglas (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco) và thông Scots (Pinus sylvestris L.) được trồng tại Đan Mạch, Hà Lan và Phần Lan, tương ứng. Mục tiêu là để điều tra sự phân bố của các bể chứa N trong tán lá của các khu rừng khác nhau và liên kết sự phân bố này với các yếu tố và chiến lược cây trồng điều khiển sự phát triển của lá trong suốt quá trình mùa vụ. Các bể chứa N lá thường có sự biến động theo mùa và chiều dọc cao hơn nhiều ở cây sồi so với tán lá của các cây thông. Tuy nhiên, hai loài cây thông cũng có những hành vi rất khác nhau về nội dung N tán lá mùa hè cao điểm và hiệu suất hồi chuyển N, cho thấy rằng không thể đưa ra những tổng quát về chu trình N nội bộ trong cây so với chu trình N trong hệ sinh thái chỉ dựa trên độ dài của lá. Trong các giai đoạn luân chuyển N mạnh mẽ vào mùa xuân và mùa thu, nồng độ NH4+ trong lá sồi tăng lên đáng kể, trong khi lá sồi xanh phát triển hoàn toàn có nồng độ NH4+ trong mô tương đối thấp, tương tự như nồng độ luôn thấp ở thông Douglas và, đặc biệt, ở thông Scots. Tỷ lệ giữa nồng độ NH4+ và H+ trong lá, một chỉ số về tiềm năng phát thải NH3, phản ánh sự khác biệt trong nồng độ N của lá, với cây sồi có giá trị cao nhất, tiếp theo là thông Douglas và thông Scots. Bất kể thói quen lá, tức là rụng lá so với thường xanh, phần lớn N trong tán lá đều được giữ lại bên trong cây. Điều này đạt được thông qua việc hồi chuyển hiệu quả N (cây sồi), tuổi thọ lá cao hơn (thông) hoặc cả hai (rừng thông boreal). Kết hợp với dữ liệu từ một tổng quan tài liệu, một mối quan hệ chung về hiệu suất hồi chuyển N giảm dần với thời gian cần thiết để gia hạn tán lá được suy luận, cho thấy rằng những chiếc lá sống lâu hơn hồi chuyển tương đối ít N trong quá trình lão hóa. Cây thông Douglas, được tiếp xúc với nồng độ N trong khí quyển tương đối cao, có nội dung N tán lá mùa hè cao điểm lớn nhất và cũng trả lại lượng N lớn nhất trong lớp mùn lá, gợi ý rằng độ phì N cao hơn dẫn đến sự luân chuyển tăng lên trong chu trình N của hệ sinh thái với những rủi ro lớn hơn về sự mất mát như rửa trôi và phát thải khí.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Aerts, R.: Nutrient resorption from senescing leaves of perennials: Are there general patterns?, J. Ecol., 84, 597–608, 1996.

Bauer, G., Schulze, E. D., and Mund, M.: Nutrient contents and concentrations in relation to growth of Picea abies and Fagus sylvatica along a European transect, Tree Physiol., 17, 777–786, 1997.

Beier, C., Rasmussen, L., Pilegaard, K., Ambus, P., Mikkelsen, T., Jensen, N. O., Kjøller, A., Priemé, A., and Ladekarl, U. L.: Fluxes of NO3-, NH4+, NO, NO2, and N2O in an old Danish beech forest, Water Air Soil Pollut. Focus, 1, 187–195, 2001.

Boxman, A. W., Van Dam, D., Van Dijk, H. F. G., Hogervorst, R. F., and Koopmans, C. J.: Ecosystem responses to reduced nitrogen and sulphur inputs into two coniferous forest stands in the Netherlands, Forest Ecol. Manag., 71, 7–29, 1995.

Britto, D. T. and Kronzucker, H. J.: NH4+ toxicity in higher plants: a critical review, J. Plant Physiol., 159, 567–584, 2002.

Cape, J. N., van der Eerden, L. J., Sheppard, L. J., Leith, I. D., and Sutton, M. A.: Evidence for changing the critical level for ammonia, Environ. Pollut., 157, 1033–1037, 2009.

Chabot, B. F. and Hicks, D. J.: The ecology of leaf life span, Annu. Rev. Ecol. Systemat., 13, 229–259, 1982.

Chapin, F. S. and Kedrowski, R. A.: Seasonal changes in nitrogen and phosphorus fractions and autumn retranslocation in evergreen and deciduous taiga trees, Ecology, 64, 376–391, 1983.

David, M., Loubet, B., Cellier, P., Mattsson, M., Schjoerring, J. K., Nemitz, E., Roche, R., Riedo, M., and Sutton, M. A.: Ammonia sources and sinks in an intensively managed grassland canopy, Biogeosciences, 6, 1903–1915, https://doi.org/10.5194/bg-6-1903-2009, 2009.

Escudero, A., Iriondo, J. M., and Torres, M. E.: Spatial analysis of genetic diversity as a tool for plant conservation, Biol. Conservat., 113, 351–365, 2003.

Escudero, A. and Mediavilla, S.: Decline in photosynthetic nitrogen use efficiency with leaf age and nitrogen resorption as determinants of leaf life span, J. Ecol., 91, 880–889, 2003.

Evers, P. W., Jans, W. W. P., and Steingröver, E. G.: Impact of air pollution on ecophysiological relations in two Douglas fir stands in the Netherlands. De Dorschkamp, Research Institute for Forestry and Urban Ecology, Wageningen, Rep. no. 637, 306 pp., 1991.

FAO: Global forest resources assessment 2005. Progress towards sustainable forest management, FAO Forestry paper 147, 11–36, 2006.

Flechard, C. R., Nemitz, E., Smith, R. I., Fowler, D., Vermeulen, A. T., Bleeker, A., Erisman, J. W., Simpson, D., Zhang, L., Tang, Y. S., and Sutton, M. A.: Dry deposition of reactive nitrogen to European ecosystems: a comparison of inferential models across the NitroEurope network, Atmos. Chem. Phys., 11, 2703–2728, https://doi.org/10.5194/acp-11-2703-2011, 2011.

Fowler, D., Pilegaard, K., Sutton, M. A., Ambus, P., Raivonen, M., Duyzer, J., Simpson, D., Fagerli, H., Fuzzi, S., Schjoerring, J. K., Granier, C., Neftel, A., Isaksen, I. S. A., Laj, P., Maione, M., Monks, P. S., Burkhardt, J., Daemmgen, U., Neirynck, J., Personne, E., Wichink-Kruit, R., Butterbach-Bahl, K., Flechard, C., Tuovinen, J. P., Coyle, M., Gerosa, G., Loubet, B., Altimir, N., Gruenhage, L., Ammann, C., Cieslik, S., Paoletti, E., Mikkelsen, T. N., Ro-Poulsen, H., Cellier, P., Cape, J. N., Horvath, L., Loreto, F., Niinemets, U., Palmer, P. I., Rinne, J., Misztal, P., Nemitz, E., Nilsson, D., Pryor, S., Gallagher, M. W., Vesala, T., Skiba, U., Brueggemann, N., Zechmeister-Boltenstern, S., Williams, J., O'Dowd, C., Facchini, M. C., de Leeuw, G., Flossman, A., Chaumerliac, N., and Erisman, J. W.: Atmospheric composition change: Ecosystems-Atmosphere interactions, Atmos. Environ., 43, 5193–5267, 2009.

Gebauer, G. and Schulze, E. D.: Carbon and nitrogen isotope ratios in different compartments of a healthy and a declining Picea abies forest in the Fichtelgebirge, NE Bavaria, Oecologia, 87, 198–207, 1991.

Givnish, T. J.: Adaptive significance of evergreen vs. deciduous leaves: Solving the triple paradox, Silva Fennica, 36, 703–743, 2002.

Gundersen, P., Emmett, B. A., Kjonaas, O. J., Koopmans, C. J., and Tietema, A.: Impact of nitrogen deposition on nitrogen cycling in forests: a synthesis of NITREX data, Forest Ecol. Manag., 101, 37–55, 1998.

Hatcher, P. E.: Seasonal and age-related variation in the needle quality of five conifer species, Oecologia, 85, 200–212, 1990.

Helmisaari, H. S.: Nutrient retranslocation within the foliage of Pinus sylvestris, Tree Physiol., 10, 45–58, 1992.

Husted, S., Schjoerring, J. K., Nielsen, K. H., Nemitz, E., and Sutton, M. A.: Stomatal compensation points for ammonia in oilseed rape plants under field conditions, Agric. Forest Meteorol., 105, 371–383, 2000.

Jansson, P. and Karlberg, L.: Coup manual-coupled heat and mass transfer model for soil-plantatmosphere systems, Technical manual for the CoupModel, 2004.

Killingbeck, K. T.: Nutrients in senesced leaves: Keys to the search for potential resorption and resorption proficiency, Ecology, 77, 1716–1727, 1996.

Koopmans, C. J., vanDam, D., Tietema, A., and Verstraten, J. M.: Natural 15N abundance in two nitrogen saturated forest ecosystems, Oecologia, 111, 470–480, 1997.

Kruit, R. J. W., van Pul, W. A. J., Otjes, R. P., Hofschreuder, P., Jacobs, A. F. G., and Holtslag, A. A. M.: Ammonia fluxes and derived canopy compensation points over non-fertilized agricultural grassland in The Netherlands using the new gradient ammonia – high accuracy – monitor (GRAHAM), Atmos. Environ., 41, 1275–1287, 2007.

Launiainen, S.: Seasonal and inter-annual variability of energy exchange above a boreal Scots pine forest, Biogeosciences, 7, 3921–3940, https://doi.org/10.5194/bg-7-3921-2010, 2010.

Massad, R. S., Loubet, B., Tuzet, A., and Cellier, P.: Relationship between ammonia stomatal compensation point and nitrogen metabolism in arable crops: Current status of knowledge and potential modelling approaches, Environ. Pollut., 154, 390–403, 2008.

Massad, R. S., Tuzet, A., Loubet, B., Perrier, A., and Cellier, P.: Model of stomatal ammonia compensation point (STAMP) in relation to the plant nitrogen and carbon metabolisms and environmental conditions, Ecol. Modell., 221, 479–494, 2010.

Mattsson, M. and Schjoerring, J. K.: Dynamic and steady-state responses of inorganic nitrogen pools and NH3 exchange in leaves of Lolium perenne and Bromus erectus to changes in root nitrogen supply, Plant Physiol., 128, 742–750, 2002.

Mattsson, M. and Schjoerring, J. K.: Senescence-induced changes in apoplastic and bulk tissue ammonia concentrations of ryegrass leaves, New Phytol., 160, 489–499, 2003.

Mattsson, M., Herrmann, B., David, M., Loubet, B., Riedo, M., Theobald, M. R., Sutton, M. A., Bruhn, D., Neftel, A., and Schjoerring, J. K.: Temporal variability in bioassays of the stomatal ammonia compensation point in relation to plant and soil nitrogen parameters in intensively managed grassland, Biogeosciences, 6, 171–179, https://doi.org/10.5194/bg-6-171-2009, 2009.

May, J. D. and Killingbeck, K. T.: Effects of preventing nutrient resorption on plant fitness and foliar nutrient dynamics, Ecology, 73, 1868–1878, 1992.

Meir, P., Kruijt, B., Broadmeadow, M., Barbosa, E., Kull, O., Carswell, F., Nobre, A., and Jarvis, P. G.: Acclimation of photosynthetic capacity to irradiance in tree canopies in relation to leaf nitrogen concentration and leaf mass per unit area. Plant, Cell Environ., 25, 343–357, 2002.

Millard, P. and Grelet, G. A.: Nitrogen storage and remobilization by trees: ecophysiological relevance in a changing world, Tree Physiol., 30, 1083–1095, 2010.

Nadelhoffer, K. J., Emmett, B. A., Gundersen, P., Kjonaas, O. J., Koopmans, C. J., Schleppi, P., Tietema, A., and Wright, R. F.: Nitrogen deposition makes a minor contribution to carbon sequestration in temperate forests, Nature, 398, 145–148, 1999.

Neirynck, J. and Ceulemans, R.: Bidirectional ammonia exchange above a mixed coniferous forest, Environ. Pollut., 154, 424–438, 2008.

Nemitz, E., Sutton, M. A., Schjoerring, J. K., Husted, S., and Wyers, G. P.: Resistance modelling of ammonia exchange over oilseed rape, Agr. Forest Meteorol., 105, 405–425, 2000.

Näsholm, T.: Removal of nitrogen during needle senescence in Scots pine (Pinus sylvestris L.), Oecologia, 99, 290–296, 1994.

Pearson, J., Woodall, J., Clough, E. C. M., Nielsen, K. H., and Schjoerring, J. K.: Production and consumption of NH3 in trees, in: Trace gas exchange in forest ecosystems, edited by: Gasche, R., Papen, H., and Rennenberg, H., Kluwer Academic Publishers, The Netherlands, 53–77, 2002.

Pilegaard, K., Ibrom, A., Courtney, M. S., Hummelshoj, P., and Jensen, N. O.: Increasing net CO2 uptake by a Danish beech forest during the period from 1996 to 2009, Agr. Forest Meteorol., 151, 934–946, 2011.

Pinho, P., Theobald, M. R., Dias, T., Tang, Y. S., Cruz, C., Martins-Loução, M. A., KMáguas, C., Sutton, M., and Branquinho, C.: Critical loads of nitrogen deposition and critical levels of atmospheric ammonia for mediterranean evergreen woodlands, Biogeosciences, 9, 1205–1215, https://doi.org/10.5194/bg-9-1205-2012, 2012.

Reich, P. B., Ellsworth, D. S., and Uhl, C.: Leaf carbon and nutrient assimilation and conservation in species of differing successional Status in an oligotrophic Amazonian forest, Funct. Ecol., 9, 65–76, 1995.

Rennenberg, H., Kreutzer, K., Papen, H., and Weber, P.: Consequences of high loads of nitrogen for spruce (Picea abies) and beech (Fagus sylvatica) forests, New Phytol., 139, 71–86, 1998.

Repola, J.: Biomass equations for Scots pine and Norway spruce in Finland, Silva Fennica, 43, 625–647, 2009.

Santa-Regina, I. and Tarazona, T.: Nutrient cycling in a natural beech forest and adjacent planted pine in northern Spain, Forestry, 74, 11–28, 2001.

Schjoerring, J. K., Husted, S., Mack, G., Nielsen, K. H., Finnemann, J., and Mattsson, M.: Physiological regulation of plant-atmosphere ammonia exchange, Plant Soil, 221, 95–102, 2000.

Skiba, U., Drewer, J., Tang, Y. S., van Dijk, N., Helfter, C., Nemitz, E., Famulari, D., Cape, J. N., Jones, S. K., Twigg, M., Pihlatie, M., Vesala, T., Larsen, K. S., Carter, M. S., Ambus, P., Ibrom, A., Beier, C., Hensen, A., Frumau, A., Erisman, J. W., Bruggemann, N., Gasche, R., Butterbach-Bahl, K., Neftel, A., Spirig, C., Horvath, L., Freibauer, A., Cellier, P., Laville, P., Loubet, B., Magliulo, E., Bertolini, T., Seufert, G., Andersson, M., Manca, G., Laurila, T., Aurela, M., Lohila, A., Zechmeister-Boltenstern, S., Kitzler, B., Schaufler, G., Siemens, J., Kindler, R., Flechard, C., and Sutton, M. A.: Biosphere-atmosphere exchange of reactive nitrogen and greenhouse gases at the NitroEurope core flux measurement sites: Measurement strategy and first data sets, Agr. Ecosyst. Environ., 133, 139–149, 2009.

Son, Y. and Gower, S. T.: Aboveground nitrogen and phosphorus use by five plantation-grown trees with different leaf longevities, Biogeochemistry, 14, 167–191, 1991.

Staaf, H.: Plant nutrient changes in beech leaves during senescence as influenced by site characteristics, Acta Oecologica-Oecologia Plantarum, 3, 161–170, 1982.

Su, Z., Timmermans, W. J., van der Tol, C., Dost, R., Bianchi, R., Gómez, J. A., House, A., Hajnsek, I., Menenti, M., Magliulo, V., Esposito, M., Haarbrink, R., Bosveld, F., Rothe, R., Baltink, H. K., Vekerdy, Z., Sobrino, J. A., Timmermans, J., van Laake, P., Salama, S., van der Kwast, H., Claassen, E., Stolk, A., Jia, L., Moors, E., Hartogensis, O., and Gillespie, A.: EAGLE 2006 – Multi-purpose, multi-angle and multi-sensor in-situ and airborne campaigns over grassland and forest, Hydrol. Earth Syst. Sci., 13, 833–845, https://doi.org/10.5194/hess-13-833-2009, 2009.

Sutton, M. A., Howard, C. M., Erisman, J. W., Billen, G., Bleeker, A., and Grennfelt, P. (Eds.): The European Nitrogen Assessment: Sources, Effects and Policy Perspectives, Cambridge University Press, New York, USA, 2011.

Thomas, R. C. and Mead, D. J.: Uptake of nitrogen by Pinus radiata and retention within the soil after applying 15N-labelled urea at different frequencies. 2. Seasonal trends and processes, Forest Ecol. Manag., 53, 153–174, 1992.

Vitousek, P. M. and Howarth, R. W.: Nitrogen limitation on land and sea – How can it occur, Biogeochemistry, 13, 87–115, 1991.

Wang, L., Xu, Y. C., and Schjoerring, J. K.: Seasonal variation in ammonia compensation point and nitrogen pools in beech leaves (Fagus sylvatica), Plant Soil, 343, 51–66, 2011.

Xia, J. Y. and Wan, S. Q.: Global response patterns of terrestrial plant species to nitrogen addition, New Phytol., 179, 428–439, 2008.

Yasumura, Y., Onoda, Y., Hikosaka, K., and Hirose, T.: Nitrogen resorption from leaves under different growth irradiance in three deciduous woody species, Plant Ecol., 178, 29–37, 2005.

Zhang, G. L., Jiang, H., Niu, G. D., Liu, X. W., and Peng, S. L.: Simulating the dynamics of. carbon and nitrogen in litter-removed pine forest, Ecol. Modell., 195, 363–376, 2006.

Zhang, L., Wright, L. P., and Asman, W. A. H.: Bi-directional air-surface exchange of atmospheric ammonia: A review of measurements and a development of a big-leaf model for applications in regional-scale air-quality models, J. Geophys. Res., 115, D20310, https://doi.org/10.1029/2009JD013589, 2010.