人类活动已经增加许多地区陆生系统的大气氮输入，改变土壤微生物氮循环过程速率和通量、植物氮源及其吸收-同化策略，进而诱导外来植物入侵或物种组成变化，影响陆生系统结构功能以及区域环境质量。然而，由于活性氮形态多、生物过程复杂，土壤氮转化和植物氮利用机制及其如何响应大气氮沉降增加并不十分清楚，影响了人为氮源去向和生态环境效应的评估。
土壤氮转化和植物氮利用主要过程示意图
（SON：土壤有机氮；EON：可提取有机氮；ON：植物有机氮；NH4+：铵根；NO3-：硝酸根）
最近，天津大学地科院刘学炎课题组构建了利用氮同位素自然丰度评估土壤有机氮解聚、矿化、硝化、反硝化过程发生的比例，以及土壤铵氮和硝氮对植物根-叶总氮同化贡献的新方法。自本世纪初土壤主要形态氮同位素测试方法建立以来（Sigman et al. 2000 Anal Chem; Koba et al. 2010 RCM, 2012 JGR; Weigand et al. 2016 RCM），他们实现了上述土壤微生物氮循环过程的同位素定量解析（Xu et al. 2022 GBC）。自应用叶片氮同位素定量解译土壤铵氮和硝氮贡献以来（Houlton et al. 2007 PNAS; Liu et al., 2018 PNAS; Hu et al., 2019 J Ecol），他们重新考虑了植物根系的氮同位素、菌根氮吸收和根-叶氮分配的同位素效应，提高了约束植物铵硝同化贡献和偏好度的准确性（Hu et al., 2022 STE）。进而，他们对东亚地区不同氮沉降通量下的森林土壤氮同位素，以及中国西双版纳受外来物种不同程度入侵下的植物氮同位素分别进行观测和分析，发现：1）大气氮沉降增加促进森林土壤氮解聚、矿化和硝化作用，但减少硝酸根的总丢失比例；在硝酸根总丢失中，微生物反硝化过程相对于淋溶过程的贡献随氮沉降增加而增加。该研究定量评估了氮沉降增加如何及多大程度促进森林土壤氮素的微生物转化过程（Xu et al. 2022 GBC）。2）外来入侵植物（飞机草和紫茎泽兰）叶片中来自土壤铵氮和硝氮的贡献均高于根系，其叶片相对于根系更优先的氮分配策略总体强于本地植物。相对于无入侵下的同种植物，共存本地植物也表现出了叶片氮分配优先的策略，但仅体现在铵氮上。该研究揭示叶片优先的氮分配是植物能够入侵和共存的重要策略之一（Hu et al., 2022 STE）。
上述方法学创新和所获得的关键科学证据丰富了氮同位素地球化学与氮生物地球化学的交叉发展，为区域陆生系统中大气氮沉降去向和氮循环的效应评估提供了新证据。相关论文信息如下：
Shi-Qi Xu（2017级博士）, Xue-Yan Liu*, Zhong-Cong Sun, Chao-Chen Hu, Wolfgang Wanek, Keisuke Koba. (2022) Isotopic elucidation of microbial nitrogen transformations in forest soils. Global Biogeochemical Cycles, 36, e2021GB007070, https://doi.org/10.1029/2021GB007070
Chao-Chen Hu（博士后）, Xue-Yan Liu*, Ya-Xin Yan, Yan-Bao Lei, Yun-Hong Tan, Cong-Qiang Liu. (2022) A new isotope framework to decipher leaf-root nitrogen allocation and assimilation among plants in a tropical invaded ecosystem. Science of the Total Environment, 86, 151203. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151203
致谢国家自然科学基金（41473081, 41522301, 41730855, 42125301, 42103075）和国家重点研发计划（2016YFA0600802）的资助。感谢中科院成都山地所类延宝研究员、版纳植物园谭运洪研究员、维也纳大学Wolfgang Wanek教授、京都大学Keisuke Koba教授等参与和帮助。
