氮（N）是森林生态系统初级生产力的重要限制性营养元素，但其限制程度在不同环境条件下仍存在较大不确定性。气态氮排放是森林土壤氮损失的关键途径，其中一氧化氮（NO）和氧化亚氮（N2O）占主导地位，并对水分变化敏感。地形借助坡位间土壤水分差异调控氮排放空间格局，而冻融循环等季节性环境过程进一步改变其排放格局，使其具有显著时空变异性。尽管已有研究分别关注地形或季节对土壤氮排放的影响，但二者如何通过水分梯度共同调控NO和N2O排放仍缺乏系统性认识。因此，解析土壤水分梯度在地形与季节共同作用下对NO和N2O排放的调控机制，是理解森林坡位尺度氮循环空间异质性的关键科学问题。
基于此，中国科学院沈阳应用生态研究所稳定同位素生态学团队依托辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站开展了森林坡位梯度野外观测实验，旨在揭示土壤水分梯度及其季节变化对NO和N2O排放空间分布及其驱动机制的影响。研究团队搭建了土壤NO和N2O排放速率自动观测系统（包括16个土壤呼吸室、SF3000自动控制系统、NO-NO2-NOx和GC-2014分析仪），实现了坡位尺度气态氮排放的连续高频观测（图1）。
图1. 东北清原森林坡位实验和土壤NO和N2O排放的研究假说
研究团队沿森林坡位设置观测样地（坡上 US、坡背 BS、坡下 FS 和坡底 TS），开展了为期两年的连续观测（图2）。结果表明，NO和N2O排放在坡位尺度上呈现显著空间异质性，低坡位区域排放强度显著高于坡上位置，分别达到坡上NO 和N2O排放的1.5~2倍和1.3~7.2倍（图2）。在整个坡位尺度上，土壤NO和N2O的年排放量分别为0.2 kg N ha-1和1.0 kg N ha-1。
图2. 清原森林坡位实验土壤NO和N2O排放分布格局
进一步研究表明，坡位通过调控土壤水分梯度及氮素底物供给（图2），进而影响硝化与反硝化过程，是驱动土壤氮排放空间格局的关键机制。其中，坡底区域因水分汇集和氮素富集，为反硝化过程提供了有利环境，从而显著促进N2O生成；而上坡区域因相对干燥条件限制了反硝化作用，使NO和N2O排放水平较低。总体而言，气态氮NO和N2O排放的空间差异主要受环境条件及底物的可利用性共同控制，而微生物过程响应在其中起到关键介导作用（图3）。
图3. 土壤理化性质的主成分分析与随机森林模型预测年尺度NO和N2O排放
该研究从“水分梯度–底物–气态氮释放”的耦合框架出发，系统揭示了森林坡位控制土壤气态氮排放空间分布的关键机制，弥补了森林坡位尺度高频通量观测数据的不足。研究结果不仅深化了对森林生态系统氮循环空间异质性的理解，也为提升全球变化背景下氮循环过程模拟与预测精度提供了重要依据，并为森林温室气体排放评估与生态系统管理提供科学支撑。
该研究成果以“Topography-Mediated Soil Moisture Controls Forest Hillslope-Scale NO and N2O Emissions”为题在2026年4月17日发表在Global Change Biology期刊。沈阳生态所特别研究助理黄凯为第一作者，方运霆研究员和美国加州大学河滨分校 Peter M. Homyak副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目和中国科学院青年创新促进会项目等的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1111/gcb.70873
