Emission of Nitrous Oxide in Temperate Forests with Different Stages of Nitrogen Saturation in Central Japan

Abstract:

Long-term nitrogen deposition has caused a problem called nitrogen saturation in forest ecosystems globally. Aber et al. (1989) suggested that nitrogen saturation activate soil nitrification in forest systems, which is the main process of N₂O production in aerobic condition. Thus, nitrogen saturation may affect significantly the N₂O emission from forests, while the impact on flux has not been quantitatively evaluated yet.

 In the present study, 3-year monitoring of N₂O emission was performed in an N-saturated forests (Tama Hill, Tokyo): the emission rate of N₂O was measured monthly by a closed chamber method at 12 plots along a slope, and the net nitrification rate of surface soil (0–10 cm) was measured 4 times in situ. In addition, a comparative research was conducted in summer in eight temperate forests with different stages of nitrogen saturation in central Japan; the N₂O flux, soil moisture, nitrogen availability and stream water NO₃^- concentration were measured at each site. In an N-saturated forests, the annual N₂O emission was estimated to be 0.88 kg N ha^-1year^-1 , showing a typical seasonal variation . The seasonal patterns of N₂O emission were significantly related to soil moisture and ambient temperature. We also found high spatial variation of N₂O flux among 12 plots along the slope, which was generally higher at the bottom. Moreover, a positive correlation was found between the rate of N₂O emission and the net nitrification rate with WFPS<60%, while it was unclear in some humid spots with WFPS>60% , probably due to the effect of denitrification. In comparison sites, the N₂O emission rate ranged nearly 16-fold from 0.13-2.11 g N ha^-1day^-1 was linearly related to the stream water NO₃^- concentration ranged 10-fold from 0.14 to 1.4 mg N/L. Our results revealed N enrichment in forest obviously stimulate soil N₂O emission.

Keywords: Nitrous oxide, nitrogen saturation, nitrification, temperate forest