Forest in south China: An important sink for reactive nitrogen and a regional hotspot for N2O?

Lystgass (N2O), en viktig klimagass, har vist økende konsentrasjoner i atmosfæren siden den industrielle revolusjonen. Lystgass dannes i jorda som et bi-produkt ved ulike nitrogen omsetninger. Det er først og fremst den globale intensiveringen av nitrogen omsetninger i jorda, både pga utstrakt bruk av kunstgjødsel og økt nedfall av nitrogen (produsert ved forbrenning av fossile brensler), som stimulerer til produksjon av lystgass. Mye fokus har vært rettet mot lystgass utslipp fra landbruksjord siden det er disse som blir intensivt gjødslet. Ikke-landbruksjord (skog, utmark) har fått betraktelig mindre oppmerksomhet. Øst Asia, særlig Kina, har kommet de senere år raskt opp som en ny global hot-spot for nitrogen, både på grunn av tilsiktet nitrogen tilførsel (i landbruket) og ikke minst utilsiktet tilførsel i skog og utmark (via atmosfærisk transport). Nyere forskning, bla utført ved NMBU, har vist at lystgass produksjon i jord er sterk avhengig av jordas surhetsgrad (pH). Desto surere jordsmonn (desto lavere pH), desto større blir produksjonen av lystgass. Dette har først og fremst å gjøre med at produksjon av N2O-reduktase (det enzymet som er nødvendig for å omdanne lystgass til ufarlig nitrogengass (N2)) blir hemmet i jord med høy surhetsgrad (lav pH). I dette prosjekt har vi ved hjelp av meta-analyse med basis i en global data-sett kunnet vise at IPCCs «tier 1» tilnærming, som antar at lystgass utslipp tilsvarer 1% av tilført nitrogen gjødsel, underestimerer lystgass utslipp fra landbruksjord ved høy surhetsgrad (lav pH). Dette betyr at landbruk på marginal jord (med en høy naturlig surhetsgrad som det finnes mye av i tropene og sub-tropene) har en tendens til å slippe ut relativt mye av det tilførte nitrogen gjødsel som lystgass. Denne kunnskapen er viktig både for å forbedre våre estimater for det globale lystgass utslipp og lokalt for å tilpasse gjødslingsregimet til jordas egenskaper. Vanligvis har skog og utmark betraktelig høyere surhetsgrad (lavere pH) enn landbruksjord, slik at disse kan ha høy lystgass produksjon og utslipp til tross for en forholdsvis beskjeden nitrogen belastning. Dette fikk vi bekreftet for sub-tropisk skog med surt jordsmonn i sør Kina (Chongqing, Hunan, Jiangxi). Lystgass utslipp er særlig høy i jord hvor vanninnhold kjennetegnes av raske svingninger etter nedbørsepisoder. Resultatene viser at i år med forholdsvis våte sommer lystgass utslipp tilsvarer nesten 10% av nitrogenet tilført fra atmosfæren via langtransport. I tørre sommer (2013 og 2014) er lystgass utslippet signifikant lavere, slik at økt nedbørintensitet stimulerer lystgass konsentrasjon i atmosfæren. Høy pH i jorda (som i Nord Kina og i Zhejiang), og lite nitrogen nedfall (Guizhou) fører til signifikant lavere utslipp av lystgass. Jord med permanent høyt vanninnhold (for eksempel i grunnvannssonen ved bekker) har en mer stabil, men lavere lystgassproduksjon. Laboratorieforsøk viser at i disse soner, med lite tilgjengelig oksygen, mikroorganismene for denitrifisering har utviklet et permanent gen-uttrykk for N2O-reduktase, slik at nitrat-nitrogen bare i mindre grad fører til lystgass produksjon (N2O) og heller slipper ut N2. Disse resultater støtter hypotesen at aktiviteten av N2O reduktase i jord hemmes av høy surhetsgrad (lav jord pH) og sterk varierende vanninnhold. Som forventet er N2O utslippene generelt lave i den kalde sesongen med lav mikrobiell aktivitet. Studier av forholdet mellom 15N, en stabil isotop av nitrogen, og 14N i jordvannets nitrat (ofte kalt natural abundance) viser en signifikant anrikning av 15N i grunnvannssonen i alle felt, både i Sør og Nord Kina. Dette tyder på sterk denitrifisering (det viktigste nitrogen sluket i systemet). Forholdet 15N/14N i nitrat i grunnvannssonen varierer lite fra år til år, slik at denitrifisering virker effektiv selv i tørre år. 15N-markeringsforsøk i felt viser at 15N-markert nitrat-nitrogen lekker ut av rotsonen ganske raskt, selv om noe omdannes gjennom denitrifisering til lystgass (ca. 10%). Ammonium-nitrogen derimot lekker ikke ut; litt (men ikke mye) av markeringen kommer ut som nitrat-nitrogen etter nitrifisering. Det meste av det markerte ammonium-nitrogen blir immobilisert i det store jord-nitrogen lageret, hvor det langsomt frigjøres gjennom mineralisering. Siden nitrogen immobilisering er direkte koplet til karbon er disse resultater også av stor nytteverdi for estimering av karbon binding i subtropisk skog. Prosjektet har skaffet viktig kunnskap om både lystgassutslipp og denitrifisering i nitrogen-mettet subtropisk skog. Resultatene bør tas med i både det regionale og det globale lystgassregnskapet. Kvantitativ innsikt i denitrifisering som nitrogensluk (som fjerner en viktig næringsstoff for primær produksjon) på landskapsskala forbedrer våre estimater av landskapets karbon sekvestreringspotensial.

A systematic assessment in the 4.2 ha. forested TieShanPing catchment (Chongqing, PR China) lends support to our earlier hypothesis that nitrogen-saturated, sub-tropical forests in south China are regional hotspots for the emission of N2O, a potent GHG. TieShanPing receives about 40 kg ha-1 yr-1 of atmogenic reactive nitrogen, predominantly as ammonium derived from agriculture. Denitrification is the major sink removing about 80% of the input of reactive nitrogen. In wet years as much as one quarter of t his may be emitted as N2O. Recent research suggests that soil acidity, which is particularly high in many of the forest soils in south China, may be an important factor stimulating high N2O emission. If our findings in the TieShanPing catchment are repres entative for forest soils in southern China in general, these systems make an importantcontribution to China's national N2O budget. In addition, it would suggest that agriculture, through its contribution to atmogenic ammonia, which is subsequently deposi ted in forests, contributes far more to the national N2O budget than estimated from direct N2O emissions in croplands alone. The proposed research project has a two-step approach, where we 1. assess if south China is a regional hot spot for the emission o f N2O due to long-term high deposition of reactive nitrogen. This will be done through synoptic measurements of atmogenic deposition and runoff of nitrogen as well as measurements of N2O emission fluxes from five selected small, nitrogen-saturated catchme nts characterized by hot-humid summers. Results will be compared with nitrogen depositions and N2O emissions from two catchments in northern China with drier summers and more neutral soils. 2. characterize the underlying microbial processes by state-of-t he-art molecular methods to understand how N-removal and N2O emissions are regulated by soil physical and chemical factors in forest soils in south China.