我國研究者在植物氮素利用研究領域取得新進展

圖. 大氣沉降-植物-土壤系統硝酸根Δ¹⁷O-δ¹⁸O分布關系

　　在國家自然科學基金項目（項目編號：41730855，41522301）等資助下，天津大學表層地球系統科學研究院劉學炎教授與日、美等國研究者合作，開展了極地苔原、溫帶森林、熱帶亞熱帶森林植物硝酸根來源和利用機制研究。研究成果以“Nitrate is an Important Nitrogen Source for Arctic Tundra Plants”（硝酸根是極地苔原植物的重要氮源）為題，于2018年3月27日在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America （PNAS，《美國科學院院刊》）上發表，論文鏈接：http://www.pnas.org/content/early/ 2018/03/13/1715382115。

　　氮是地球生物必需的營養元素之一。自進入人類世以來，地表氮污染持續增加并已經影響生態系統結構和功能（如溫室氣體排放增加、水質和空氣質量下降、土壤酸化、森林衰退和生物多樣性減少）。植物氮素利用研究不僅是為了更合理施用農業氮肥，減少環境氮污染，也是準確理解整個陸生植物生存生長機制（物種適應性和生物多樣性）和固碳能力的關鍵。然而，環境中有多少氮可供植物利用、植物真正利用了多少氮和哪些形態氮素以及植物氮素利用策略如何隨環境變化而變化一直是科學難題。

　　苔原是地球北極地區最重要的陸地生態系統之一，分布著全球永久凍土帶，其封存的碳量約是大氣碳庫的兩倍。氣候變暖和氮污染改變氮循環速率和氮可利用性，植物氮利用直接關系到苔原地區的碳動態和植被變化，成為理解該地區如何“響應”全球變暖、氮污染以及它們的氣候反饋機制的重要信息。硝酸根是植物氮利用的主要形態之一。然而，由于北極苔原土壤中硝酸根濃度極低，此前土壤硝酸根生成速率以及植物組織硝酸根含量均不能檢出，科學家們一直認為硝酸根并非該地區植物群落的氮源。劉學炎等的研究采用新穎的硝酸根氮、氧同位素地球化學方法原理，運用土壤氮狀態、植物氮吸收和酶還原等指標，揭示土壤硝酸根是極地苔原植物的重要氮源。隨著氣候變暖，產生硝酸根的微生物過程將加速，永久凍土層解凍將使生態系統氮素和硝酸根增加，因此，這一發現更新了對極地苔原植物氮有效性評價的認識，對更準確理解極地生態系統氮、碳動態及其隨環境如何變化具有重要意義。而且，他們還發現極地苔原植物吸收硝酸根的能力與低緯度地區富含硝酸鹽的生態系統植被相當，說明低緯度地區氮污染擾動下植被對硝酸根的利用能力并不一定能夠同比提高。他們利用硝酸根氧同位素分析，發現低緯度地區的植物直接吸收大氣氮源，進一步說明大氣氮輸入不僅影響土壤氮狀態和循環過程，還直接影響植物氮吸收和利用，這些研究陳果將改進和完善現有氮污染效應評價理論和植被-土壤系統氮循環模型。