氮是植物必需的营养元素。地球北方陆生系统（以苔原和泥炭地为主）由于气温和土壤pH低，造成有机质分解和氮周转慢、土壤可利用态氮特别是可提取无机氮（EIN：包括铵氮NH4+、硝氮NO3-）比低纬度地区低很多。因此，北方植物生长一直被认为受氮限制，并且主要依赖可提取有机氮（EON），比如同位素标记认为北方植物平均63%的总氮来自土壤氨基酸（Chapin et al. 1993 Nature, Näshlom et al. 1998 Nature）。然而，近年来刘学炎课题组发现北方植物的总氮含量水平却和低纬度植物相当（Chen et al. 2021 Plant and Soil），吸收土壤NO3-的能力及其对总氮的贡献（平均达1/3）与低纬度植物相当或比其更高（Liu et al. 2018 PNAS）。显然，北方植物氮利用机制存疑，其中最优先的问题之一是：土壤不同形态氮对北方植物总氮的贡献及其随气候变暖和氮污染增加如何变化？因为这是评估北方植物氮有效性及其对植被固碳支撑能力和限制性的基本信息。
最近，刘学炎团队观测中国东北泥炭地（年均温-3.3℃和氮沉降5.1 kg-N/ha/yr）植物群落和土壤的氮同位素，应用其团队新构建的方法（Hu et al. 2024 Nature Communications）评估了泥炭植物氮源贡献，并对比阿拉斯加苔原（年均温-6.8℃和氮沉降0.4 kg-N/ha/yr）同属植物（共6个属31个种）的前期观测结果（Liu et al. 2018 PNAS）。发现：
1）尽管北方生态系统土壤EIN比EON含量低3倍，但EIN对植物总氮的贡献实际上比EON高（图1），EIN对植物的重要性被大大低估；
2）相比阿拉斯加苔原，气候较暖（年均温增加3.5℃）和人为氮污染（氮沉降增加12倍）导致我国东北泥炭地土壤EIN的增加量比EON低3倍多，但二者对植物总氮的贡献格局并未改变（图1）。
图1. 北方生态系统环境变化对土壤氮有效性和植物氮利用的影响
该研究丰富了北方生态系统氮循环过程的认识，为评估未来气候变化和人为扰动情景下氮循环对北方生态系统植被动态和固碳能力的影响提供了重要参考。论文于2025年5月在AGU旗下期刊《Earth’s Future》发表，天津大学讲师陈崇娟为第一作者，刘学炎教授为通讯作者。中科院地化所胡朝臣研究员、土壤所许士麒博士、东北地理所王宪伟研究员、江西农大毛瑢教授、京都大学Keisuke Koba教授参与了这项研究。该研究致谢国家自然科学杰出青年基金（42125301）、重点基金（42330505）和青年基金项目（42003061）的资助。
论文信息：
Chong-Juan Chen, Xue-Yan Liu*, Chao-Chen Hu, Shi-Qi Xu, Xian-Wei Wang, Rong Mao, Keisuke Koba. (2025) Inorganic nitrogen nutrition in boreal plants is underestimated and insensitive to environmental changes. Earth's Future, 13, e2024EF005723. https://doi.org/10.1029/2024EF005723
Chao-Chen Hu, Xue-Yan Liu*, Avery W. Driscoll, Yuan-Wen Kuang, E. N. Jack Brookshire, Xiao-Tao Lü, Chong-Juan Chen, Wei Song, Rong Mao, Cong-Qiang Liu, Benjamin Z. Houlton. (2024) Global distribution and drivers of relative contributions among soil nitrogen sources to terrestrial plants. Nature Communications, 15, 6407. https://doi.org/10.1038/s41467-024-50674-6
Chong-Juan Chen, Xue-Yan Liu*, Xian-Wei Wang, Chao-Chen Hu, Shi-Qi Xu, Rong Mao, Zhao-Jun Bu, Yun-Ting Fang, Keisuke Koba. (2021) Different leaf carbon, nitrogen, and phosphorus stoichiometry and carbon and nitrogen isotopes among peatland plants in northeastern China. Plant and Soil, 467, 345-357. https://doi.org/10.1007/s11104-021-05085-7
Xue-Yan Liu*, Keisuke Koba*, Lina A. Koyama, Sarah E. Hobbie, Marissa S. Weiss, Yoshiyuki Inagaki, Gaius R. Shaver, Anne E. Giblin, Satoru Hobara, Knute J. Nadelhoffer, Martin Sommerkorn, Edward B. Rastetter, George W. Kling, James A. Laundre, Yuriko Yano, Akiko Makabe, Midori Yano, Cong-Qiang Liu. (2018) Nitrate is an important nitrogen source for arctic tundra plants. PNAS, 115, 3398-3403. https://doi.org/10.1073/pnas.1715382115
