古干旱气候对生物圈的影响研究多集中于植物多样性和初级生产力等宏观过程，对土壤微生物过程及其干旱响应机制的研究较少。氮是生物必需的营养元素。随着干旱的加剧，植被退化打破了植物-土壤氮循环，微生物氮周转主导或维持着生态过程。然而，相比现代湿润地区，干旱或沙漠系统氮循环过程直接观测难，而古干旱气候下的微生物氮循环记录更为匮乏和难以模拟。因此，发展新的记录重建古干旱气候下的氮循环过程，对于理解现代和未来不同干旱情景下的生态过程动力和效应至关重要。
最近，刘学炎团队发现华南牛蹄塘组平引剖面黑色页岩层具有较高硝酸根（NO3-含量平均2.4 ± 3.8 mg N kg-1）和17O异常（∆17O值平均11.0 ± 7.4 ‰），推测为古干旱气候下大气和古土壤微生物成因NO3-的侵入（Fan et al. 2024 GRL）。据此，他们分析δ15N和δ18O值并建立同位素箱式模型（图1a），结合现代沙漠大气NO3-沉降通量，定量评估了华南古干旱气候下土壤微生物硝化、反硝化和同化过程的通量。发现：
1）低干旱下土壤硝化通量是大气输入（0.29 kg N ha-1 yr-1）的11倍，但高干旱下减少了16倍（图1bc）；
2）低干旱下反硝化通量是微生物同化（0.39 kg N ha-1 yr-1）的6倍，但高干旱下减少了37倍，而同化通量（0.33 kg N ha-1 yr-1）基本不变（图1bc）；
3）干旱气候下，土壤微生物硝化和反硝化过程仍能敏感响应干旱度变化，而NO3-同化过程不响应（图1d-f）。
该研究为量化旱地氮循环通量提供了新记录和新方法，有助于理解生物过程和功能对古干旱的响应，并为模拟当前旱区和未来干旱情景下土壤氮循环提供了重要参考。论文于2025年6月在AGU旗下期刊《Global Biogeochemical Cycles》发表，天津大学地科院2020级博士生范伟国（现为中科院地化所博士后）为第一作者，刘学炎教授为通讯作者。贵州师范大学周明忠教授、天津大学宋韦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）和重点基金（42330505）的资助。
图1. 土壤NO3-收支过程（a）及其在高、低干旱度下的通量（bc, 单位：kg N ha-1 yr-1）和随干旱度的变化（d-f）
论文信息：
Wei-Guo Fan, Mingzhong Zhou, Wei Song, Xue-Yan Liu* (2025). Nitrogen and oxygen isotopes of shale nitrate recorded soil nitrate biogeochemistry under arid paleoclimates. Global Biogeochemical Cycles, 39(6), e2024GB008419. https://doi.org/10.1029/2024GB008419
Wei-Guo Fan, Xue-Yan Liu*, Mingzhong Zhou, Wei Song, Yongyun Hu, Yanan Shen, Cong-Qiang Liu (2024). Sedimentary 17O‐nitrate evidence for Phanerozoic aridity and humidity oscillations in South China, Geophysical Research Letters, 51(20), e2024GL111475. https://doi.org/10.1029/2024gl111475
