氮素作為生物生存必須的元素之一，常常是限制生態(tài)系統(tǒng)功能的主要因子,因此研究氮素在干旱區(qū)域的循環(huán)對于預測未來氣候變化下陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)及生態(tài)功能具有重要意義。
2012年7月至8月，沈陽生態(tài)所組織了針對我國北方干旱、半干旱區(qū)東西樣帶的科研調查，完成了約4000公里草地的土壤和植被采樣工作（圖1）。其中，白娥研究員帶領的科研團隊，探討了土壤和植物的氮的穩(wěn)定性同位素（ 15N）在樣帶上的變化趨勢。研究發(fā)現(xiàn)：土壤 15N值隨著干旱指數(shù)（AI）的變成呈現(xiàn)鐘型曲線變化模式，分界值出現(xiàn)在AI= 0.32處（圖2）。進一步分析發(fā)現(xiàn)植物 15N值、土壤氮循環(huán)微生物基因（包括硝化微生物和反硝化微生物）以及土壤呼吸熵等隨著AI的變化都表現(xiàn)出AI= 0.32的分界點。由此可以推測：在干旱區(qū)域（AI< 0.32），草地生態(tài)系統(tǒng)氮流失主要以氣態(tài)損失為主，并且高于植物對氮的固定量；而在半干旱區(qū)域（AI>0.32），氮素主要被植物固定，其固定量高于氣態(tài)的損失量。本研究首次揭示了中國北方干旱和半干旱區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)氮同位素影響機制，提出AI=0.32為此區(qū)域氮循環(huán)的分界值，在此分界兩側氮循環(huán)的影響機制不同。這種非線性關系對于更好的理解干旱區(qū)域氮循環(huán)特征，預測養(yǎng)分循環(huán)對未來氣候變化的響應提供了新的思路。
研究結果以“Aridity threshold in controlling ecosystem nitrogen cycling in arid and semi-arid grasslands”為題發(fā)表在國際著名綜合刊物Nature communications (doi: 10.1038/ncomms5799) (IF: 10.742, 2014)上。
該研究得到國家青年973項目、國家自然科學基金和中國科學院戰(zhàn)略先導專項B等課題的支持。
圖1 研究選取草地分布區(qū)域及樣點的空間分布圖
圖2 研究樣點土壤 15N、總氮、C/N和pH值隨AI的變化趨勢
