穩(wěn)定同位素技術(shù)具有整合和指示的功能，利用土壤總氮同位素開(kāi)展的氮循環(huán)相關(guān)研究較多。相對(duì)而言，無(wú)機(jī)氮同位素能夠直接記錄氮的循環(huán)過(guò)程。但是由于受方法學(xué)的限制，土壤無(wú)機(jī)氮同位素的研究相對(duì)較少。
2012年7月至8月，在韓興國(guó)研究員的組織和帶領(lǐng)下，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所9個(gè)課題組參加了中國(guó)北方干旱、半干旱區(qū)草地樣帶調(diào)查（年均降水量36 mm至436 mm，圖1）。其中，穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)組劉冬偉博士主要負(fù)責(zé)土壤無(wú)機(jī)氮樣品的采集，并運(yùn)用自主建立的化學(xué)方法對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮的15N自然豐度和硝酸根18O的自然豐度進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮15N自然豐度隨降水量的增加而降低，硝態(tài)氮15N自然豐度隨降水的增加呈現(xiàn)先增加后降低的格局（圖2）。通過(guò)同生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)組和生物地球化學(xué)組合作，結(jié)合草地樣帶植被分布格局和微生物功能基因豐度數(shù)據(jù)，該研究進(jìn)一步表明降水量約100 mm的區(qū)域是土壤氮循環(huán)的分界區(qū)域，土壤的氮循環(huán)表現(xiàn)出由非生物因素向生物因素轉(zhuǎn)變的控制機(jī)制。當(dāng)降水量小于100 mm時(shí)，植被稀疏，微生物過(guò)程受限制，來(lái)自大氣的沉降氮累積在土壤表面，由土壤較高的pH造成的氨揮發(fā)表現(xiàn)強(qiáng)烈。當(dāng)降水量大于100 mm時(shí)，土壤無(wú)機(jī)氮庫(kù)受生物因素調(diào)控，主要表現(xiàn)為植物的氮吸收利用和反硝化作用，優(yōu)勢(shì)植物對(duì)銨態(tài)氮的偏好利用提高了硝態(tài)氮以反硝化作用形式損失的可能性。
該研究結(jié)果以“Abiotic versus biotic controls on soil nitrogen cycling in drylands along a 3200 km transect”發(fā)表在Biogeosciences雜志上。劉冬偉博士和王曉波博士為共同第一作者，朱偉興教授和方運(yùn)霆研究員為共同通訊作者。
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圖1 中國(guó)北方草地樣帶樣點(diǎn)分布圖
圖2 土壤總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量及其同位素自然豐度
