近日，中國科學(xué)院植物研究所研究員劉玲莉、特別研究助理彭勇等解析了土壤穩(wěn)定氮同位素自然豐度（δ15N）的空間格局及其驅(qū)動機制。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-地球科學(xué)》（Nature Geoscience）。
氮是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關(guān)鍵限制性養(yǎng)分。氮能否在生態(tài)系統(tǒng)中有效固持，直接影響生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、碳匯功能和氣候反饋強度。然而，氮循環(huán)涉及植物吸收、微生物轉(zhuǎn)化、土壤固持和淋溶流失等多個過程，且具有高度的時空變異性，因此直接量化生態(tài)系統(tǒng)氮固持能力十分困難。
土壤穩(wěn)定氮同位素自然豐度（δ15N）能夠整合氮輸入、轉(zhuǎn)化和輸出的長期信號，因而被視為反映氮循環(huán)狀態(tài)的“綜合指標(biāo)”。一般而言，較低的土壤δ15N值通常表明氮循環(huán)較為保守、氮固持能力較強；較高的土壤δ15N值則意味著氮損失比例較高，氮循環(huán)更加“開放”。盡管土壤δ15N的空間格局已被廣泛研究，但不同氣候條件下植物、土壤和微生物過程如何共同調(diào)控氮固持，以及這種調(diào)控機制是否會隨降水變化發(fā)生轉(zhuǎn)換，仍缺乏系統(tǒng)認識。
對此，劉玲莉研究團隊利用美國國家生態(tài)觀測網(wǎng)絡(luò)（NEON）31個站點的標(biāo)準(zhǔn)化觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合植被結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)及微生物群落組成等信息，系統(tǒng)解析了土壤δ15N的空間格局及其驅(qū)動機制。
研究結(jié)果顯示，土壤δ15N與年平均降水量呈非線性關(guān)系，在約700 mm降水處出現(xiàn)明顯閾值，該閾值與北美干濕分界線相吻合，反映了從干旱、半干旱生態(tài)系統(tǒng)向濕潤生態(tài)系統(tǒng)過渡過程中氮循環(huán)機制的轉(zhuǎn)變。
在干旱地區(qū)，土壤δ15N隨降水增加而下降。在這一區(qū)間，降水增加促進了植物多樣性，強化了植物與微生物對無機氮的競爭，有效抑制了硝酸鹽積累和氮流失，提升了生態(tài)系統(tǒng)氮固持能力。
在濕潤地區(qū)，土壤δ15N隨降水增加而升高。此時，土壤理化性質(zhì)成為主導(dǎo)因素，高粘粒含量與高土壤水分易形成利于反硝化的厭氧微環(huán)境，加速了硝酸鹽淋溶和氣態(tài)損失，使氮循環(huán)更加“開放”。
該研究表明，降水對生態(tài)系統(tǒng)氮固持的影響并非單向變化，而是通過調(diào)節(jié)植物—微生物—土壤過程之間的相互作用，改變氮循環(huán)的開放程度。該發(fā)現(xiàn)為理解降水格局變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的影響提供了新的機制認識，也為改進陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)模型提供了重要參考。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41561-026-01992-5