DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-026-03313-5
تاريخ النشر: 2026-02-26
المؤلف: Daqing Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، بحثنا في التأثيرات المتناقضة لعلاج نترات الأمونيوم الكالسيوم (CAN) ونترات الأمونيوم اليوريا (UAN) على ديناميات النيتروجين (N) في غابة ثانوية معتدلة شابة. أسفرت كلا المعالجتين عن استعادة نيتروجين النظام البيئي الكلي بشكل كبير، حيث حقق CAN 69.7% و UAN 82.2%. ومع ذلك، اختلفت مسارات استقرار النيتروجين: حيث سهل CAN الاحتفاظ بالنيتروجين على المدى الطويل في الكتلة الحيوية الخشبية وطبقات التربة الأعمق، بينما أدى UAN إلى احتفاظ سريع بالنيتروجين في الطبقة السفلية واحتفاظ مستدام في التربة.
كما أبرزت نتائجنا دور الأشجار كمصارف نيتروجين على المدى الطويل، خاصة تحت علاج CAN، كما يتضح من زيادة تراكم \(^{15}N\) في السيقان مع مرور الوقت. كشفت الدراسة أيضًا عن آليات احتفاظ مميزة مرتبطة بأشكال النيتروجين المختلفة؛ حيث أظهرت \(^{15}NO_3^-\) حركة أكبر ومعدلات استعادة أعلى عبر مكونات النبات، خاصة في الأشجار، مقارنة بـ \(^{15}NH_4^+\). تؤكد هذه الأبحاث على أهمية شكل النيتروجين في التأثير على ديناميات النيتروجين في النظام البيئي واستراتيجيات الاحتفاظ.
الطرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية التقنيات المطبقة لجمع البيانات وتحليلها، مثل الاختبارات الإحصائية أو النماذج الحسابية، والتي تعتبر حاسمة للتحقق من النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، بما في ذلك تدابير التحكم وأي متغيرات تم التلاعب بها خلال الدراسة. يسمح هذا النهج الشامل بفهم واضح لكيفية إجراء البحث، مما يسهل تقييم موثوقية النتائج وأهميتها. بشكل عام، تدعم الدقة في الطرق المستخدمة استنتاجات الدراسة وتساهم في النقاش العلمي الأوسع.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أنه قبل إضافة النيتروجين (N)، كانت وفرة δ¹⁵N الطبيعية عبر مكونات الغابة المختلفة متشابهة لكل من علاج نترات الأمونيوم الكالسيوم (CAN) ونترات الأمونيوم اليوريا (UAN). ومن الجدير بالذكر أن أوراق الشجر في السقف والفروع أظهرت قيم δ¹⁵N سلبية، بينما كانت قيم δ¹⁵N في التربة تقريبًا 0‰ لكلا نوعي إدخال النيتروجين. بعد إضافة علامة ¹⁵N، زادت قيم δ¹⁵N عبر جميع خزانات النظام البيئي، مع ملاحظات اختلافات زمنية كبيرة بين المكونات المختلفة، مما يشير إلى استجابات مميزة لطريقتي التطبيق وشكل العلامة.
على وجه التحديد، أظهرت قيم δ¹⁵N في مكونات الأشجار زيادة مستمرة مع مرور الوقت، بينما بلغت الشجيرات والأعشاب والفضلات في الطبقة السفلية ذروتها بعد 7 أيام من إضافة العلامة قبل أن تنخفض. تحت علاج UAN، كانت قيم δ¹⁵N في الطبقة السفلية أعلى بكثير من تلك الموجودة تحت CAN (P < 0.01). بالإضافة إلى ذلك، زادت قيم δ¹⁵N في الجذور مع مرور الوقت تحت UAN، على عكس الانخفاض تحت CAN. كانت قيم δ¹⁵N في التربة لطبقة 0-40 سم أيضًا أعلى تحت UAN. لم يتم العثور على اختلافات كبيرة بين تأثيرات علاجات وضع العلامة ¹⁵NH₄⁺ و ¹⁵NO₃⁻ عبر مكونات الأشجار والتربة. ومع ذلك، كانت قيم δ¹⁵N في أوراق الأشجار والفروع أقل مع ¹⁵NH₄⁺ مقارنةً بوضع العلامة ¹⁵NO₃⁻ من 7 إلى 365 يومًا. أظهرت الطبقة السفلية باستمرار قيم δ¹⁵N أقل من 30 إلى 365 يومًا مقارنةً بالقياس الأولي لمدة 7 أيام، مع ملاحظات اختلافات كبيرة بين علاجين وضع العلامة لشجيرات الطبقة السفلية (F = 23.41، P = 0.001).
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على نتائج هامة تتعلق باستعادة نظائر النيتروجين ($^{15}N$) في نظام بيئي غابة معتدلة تحت طريقتين لإضافة النيتروجين (N): تطبيق السقف (CAN) ونترات الأمونيوم اليوريا (UAN). وجدت الدراسة أن إجمالي استعادة $^{15}N$ كان أعلى بكثير تحت UAN (82.2%) مقارنةً بـ CAN (69.7%) عند علامة 365 يومًا، على الرغم من أن هذا الاختلاف تضاءل مع مرور الوقت. يشير الاستعادة الأعلى الأولية تحت UAN إلى أن النيتروجين المكتسب من الأوراق من CAN أكثر عرضة للفقد من خلال عمليات مثل التسرب والتبخر، مما قد يؤدي إلى احتفاظ أقل على المدى الطويل في النظام البيئي.
بالإضافة إلى ذلك، اختلف توزيع $^{15}N$ بين مكونات النظام البيئي المختلفة بشكل كبير بين الطريقتين. تحت CAN، كانت الأشجار تعمل كمصرف نيتروجين أكبر من التربة، خاصة في الكتلة الحيوية فوق الأرض، بينما فضل UAN الاحتفاظ السريع بالنيتروجين في الطبقة السفلية. كشفت الدراسة أيضًا أن استعادة $^{15}N$ تأثرت بشكل النيتروجين المضاف، حيث أظهرت $^{15}NO_3^-$ معدلات استعادة أعلى في الأنسجة الخشبية مقارنةً بـ $^{15}NH_4^+$. تؤكد هذه النتائج على أهمية طرق إضافة النيتروجين في تشكيل ديناميات النيتروجين في النظام البيئي وأنماط الاحتفاظ، مما يشير إلى أن تطبيقات السقف قد تعزز امتصاص النيتروجين على المدى القصير ولكن تؤدي إلى احتفاظ أقل على المدى الطويل مقارنةً بتطبيقات التربة.
القيود
في هذه الدراسة، يعالج استخدام تكنولوجيا الطائرات بدون طيار والتحديد عالي الدقة لمحاكاة ترسيب النيتروجين (N) في قمم الأشجار عدة قيود متأصلة في تجارب ترسيب النيتروجين التقليدية، مثل تجاهل اعتراض السقف والعمليات المرتبطة بالنيتروجين. تشير النتائج إلى أن مسارات إدخال النيتروجين المختلفة تؤثر بشكل كبير على توزيع النيتروجين في النظام البيئي؛ على وجه الخصوص، يعزز علاج CAN استقرار النيتروجين في الخشب والتربة الأعمق، بينما يعزز UAN الاحتفاظ السريع بالنيتروجين في النباتات السفلية والتربة السطحية.
ومع ذلك، فإن الدراسة مقيدة بعدة عوامل، أساسًا بسبب التمويل المحدود. قيدت التكلفة العالية لنظائر ^15N نطاق التجربة، وقد تؤدي غياب القياسات للكتلة الحيوية الميكروبية العابرة، أو التسرب، أو فقدان النيتروجين الغازي (مثل نزع النيتروجين) إلى استعادة غير كاملة لـ ^15N، مما يشير إلى أن تقديرات الاحتفاظ بالنيتروجين متحفظة. بالإضافة إلى ذلك، فإن إجراء تجربة علامة ^15N في قطع معالجة باليوريا يمثل قيدًا، على الرغم من أن القياسات السابقة للتجربة لم تشير إلى اختلافات كبيرة في قيم δ^15N الخلفية. يشير هذا إلى أن التغيرات الملحوظة في δ^15N واستعادة ^15N من المحتمل أن تكون ناتجة عن علامات ^15NH₄⁺ و ^15NO₃⁻ المطبقة بدلاً من المدخلات السابقة لليوريا. أخيرًا، فإن فترة المراقبة التي تمتد لعام واحد غير كافية لتحديد الاستقرار على المدى الطويل للنيتروجين المخزن، مما يبرز ضرورة إجراء أبحاث موسعة في هذا المجال.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-026-03313-5
Publication Date: 2026-02-26
Author(s): Daqing Yang et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
In this study, we investigated the contrasting effects of calcium ammonium nitrate (CAN) and urea ammonium nitrate (UAN) treatments on nitrogen (N) dynamics in a young temperate secondary forest. Both treatments resulted in significant total ecosystem nitrogen recovery, with CAN achieving 69.7% and UAN 82.2%. However, the pathways of nitrogen stabilization differed: CAN facilitated long-term nitrogen retention in woody biomass and deeper soil layers, while UAN led to rapid nitrogen retention in the understory and sustained retention in the soil.
Our findings also highlighted the role of trees as long-term nitrogen sinks, particularly under CAN treatment, as evidenced by increased accumulation of \(^{15}N\) in stems over time. The study further revealed distinct retention mechanisms associated with different nitrogen forms; \(^{15}NO_3^-\) demonstrated greater mobility and recovery rates across plant components, especially in trees, compared to \(^{15}NH_4^+\). This research underscores the importance of nitrogen form in influencing ecosystem nitrogen dynamics and retention strategies.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the techniques applied for data collection and analysis, such as statistical tests or computational models, which are crucial for validating the findings.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, including control measures and any variables manipulated during the study. This comprehensive approach allows for a clear understanding of how the research was conducted, facilitating the assessment of the results’ reliability and significance. Overall, the rigor in the methods employed underpins the study’s conclusions and contributes to the broader scientific discourse.
Results
The results of the study indicate that prior to nitrogen (N) addition, the natural δ¹⁵N abundances across various forest components were similar for both calcium ammonium nitrate (CAN) and urea ammonium nitrate (UAN) treatments. Notably, canopy foliage and branches displayed negative δ¹⁵N values, while soil δ¹⁵N values were approximately 0‰ for both N input types. Following the addition of the ¹⁵N tracer, δ¹⁵N values increased across all ecosystem pools, with significant temporal variations observed among different components, suggesting distinct responses to the two application methods and tracer forms.
Specifically, δ¹⁵N values in tree components showed a consistent increase over time, whereas understory shrubs, herbs, and litter peaked at 7 days post-tracer addition before declining. Under UAN treatment, δ¹⁵N values in the understory layer were significantly higher than those under CAN (P < 0.01). Additionally, root δ¹⁵N values increased over time under UAN, contrasting with a decrease under CAN. Soil δ¹⁵N values for the 0-40 cm layer were also higher under UAN. No significant differences were found between the effects of ¹⁵NH₄⁺ and ¹⁵NO₃⁻ labeling treatments across tree and soil components. However, δ¹⁵N values in tree foliage and branches were lower with ¹⁵NH₄⁺ compared to ¹⁵NO₃⁻ labeling from 7 to 365 days. The understory layer consistently exhibited lower δ¹⁵N values from 30 to 365 days compared to the initial 7-day measurement, with significant differences noted between the two labeling treatments for understory shrubs (F = 23.41, P = 0.001).
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant findings regarding the recovery of nitrogen isotopes ($^{15}N$) in a temperate forest ecosystem under two nitrogen (N) addition methods: canopy application (CAN) and urea ammonium nitrate (UAN). The study found that total $^{15}N$ recovery was significantly higher under UAN (82.2%) compared to CAN (69.7%) at the 365-day mark, although this difference diminished over time. The initial higher recovery under UAN suggests that foliar-acquired nitrogen from CAN is more susceptible to loss through processes such as leaching and volatilization, which may lead to lower long-term retention in the ecosystem.
Additionally, the distribution of $^{15}N$ among various ecosystem components varied significantly between the two methods. Under CAN, trees acted as a larger nitrogen sink than soil, particularly in the aboveground biomass, while UAN favored short-term nitrogen retention in the understory layer. The study also revealed that the recovery of $^{15}N$ was influenced by the form of nitrogen added, with $^{15}NO_3^-$ showing higher recovery rates in woody tissues compared to $^{15}NH_4^+$. These findings underscore the importance of nitrogen addition methods in shaping ecosystem nitrogen dynamics and retention patterns, suggesting that canopy applications may enhance short-term nitrogen uptake but lead to lower long-term retention compared to soil applications.
Limitations
In this study, the use of drone technology and high-precision positioning for simulating nitrogen (N) deposition in tree canopies addresses several limitations inherent in traditional N deposition experiments, such as neglecting canopy interception and the associated nitrogen processes. The results indicate that different N input pathways significantly influence ecosystem N distribution; specifically, the CAN treatment promotes N stabilization in wood and deeper soil, while UAN enhances rapid N retention in understory plants and surface soil.
However, the study is constrained by several factors, primarily due to limited funding. The high cost of ^15N isotopes restricted the experimental scale, and the absence of measurements for transient microbial biomass N, leachate, or gaseous N losses (e.g., denitrification) may have led to an incomplete recovery of ^15N, suggesting that N retention estimates are conservative. Additionally, conducting the ^15N tracer experiment in plots treated with urea poses a limitation, although pre-experiment measurements indicated no significant differences in background δ^15N values. This suggests that observed changes in δ^15N and ^15N recovery are likely due to the applied ^15NH₄⁺ and ^15NO₃⁻ tracers rather than prior urea inputs. Lastly, the one-year observation period is insufficient to ascertain the long-term stability of stored N, highlighting the necessity for extended research in this area.