文章二
测定15N自然丰度 (δ15N)是一种综合反应外源氮输入条件下，生态系统中氮循环动态和状态的简单而有效的方法。过去关于模拟氮沉降对生态系统的影响主要基于单一的氮肥添加实验（例如NH4NO3添加），而自然条件下氮沉降往往包括多种氮化合形态（无机氮、有机氮）。由于不同氮素化合物导致土壤酸化的能力不同，常会造成氮循环速率和开放程度存在差异，最终形成不同的土壤15N信号。土壤氮库的15N信号是影响植物叶片δ15N值的最主要因素，植物叶片15N富集与土壤氮含量升高、氮循环速率加快以及氮流失增加之间存在很大的相关性。除此之外，植物的氮吸收策略（例如利用菌根真菌或者共生固氮）也会影响到植物的15N信号（图1）。但目前仍然缺乏关于不同氮化合物的输入对植物的生长及其15N信号影响的研究。
图1. 外源氮输入对植物15N自然丰度影响的概念框架
本研究团队依托于2014年在额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站建立的氮素化合物添加平台，探讨了3种氮素化合物（碳酸氢铵NH4HCO3, 尿素urea，硝酸铵NH4NO3）添加后对分属3个功能群的优势物种（禾本科植物羊草Leymus chinensis、莎草科植物寸草苔Carex duriuscula，和豆科植物黄华Thermopsis lanceolata）的叶片15N信号以及生长的影响。研究发现，3种植物因为不同的氮素吸收策略具有不同的初始δ15N值，表现为δ15N值羊草>寸草>黄华 （图2）。叶片δ15N值均随3种氮素化合物添加量的增加而增加，尤其是当氮添加量超过10 g N m-2 yr-1时，叶片δ15N值急剧增加，表明过量的外源氮素输入刺激了土壤氮转化速率。氮添加削弱了植物对菌根或生物固氮依赖，但并未消除物种δ15N值的差异，主要是由于植物对不同氮形态（15NH4+一般高于15NO3-）的获取能力不同。碳酸氢铵与尿素处理下的叶片δ15N值明显高于硝酸铵处理，表明弱酸肥料比强酸肥料导致了更加开放的氮循环过程（通过氨挥发、硝化、反硝化过程损失的氮增加），但是不同氮素化合物处理下植物叶片氮含量和植物生物量无显著差异。我们结果表明，在草地生态系统中，植物叶片中氮稳定氮同位素的自然丰度比植物生物量或叶片氮含量更能反映加外源氮输入对氮转化过程的影响，在全球氮沉降增加的背景下评估氮转化过程需要考虑氮沉降速率、氮素化合物形态以及生态系统中共存植物的氮利用策略。
图2. 3种氮素添加对3种植物叶片δ15N值(a-c)和叶片氮浓度(e-g)的影响
相关研究于2022年12月14日以“Enhanced foliar15N enrichment with increasing nitrogen addition rates: Role of plant species and nitrogen compounds”为题在线发表在Global Change Biology上。中国科学院植物研究所草地资源保护与利用研究组博士生王银柳为第一作者，韩兴国研究员与黄建辉研究员为本文共同通讯作者。
