科學通報 | 陸地生態系統氮平衡趨勢的研究進展

近日，云南大學程曉莉團隊聯合中國科學院南京土壤研究所顏曉元團隊和中國科學院地球環境研究所陳驥團隊在《科學通報》發表題為“陸地生態系統氮平衡趨勢的研究進展”的文章，定義了氮平衡趨勢的概念，總結了氮平衡研究范式的發展歷程和挑戰。

氮素在人類發展過程中扮演著重要角色，攸關農業生產、生態環境和人類健康。工業固氮雖然保障了人類與日俱增的糧食需求，但是不合理施氮也誘導了一系列生態環境問題。例如，過量施氮導致氣態氮排放增加、土壤酸化和水體富營養化等，進而一定程度上影響人類健康。不合理施氮誘導的生態環境問題給可持續氮素管理帶來了挑戰。例如，人類已超越地球氮安全界限，而氮安全界限是地球生態安全界限的重要組成之一。以土壤和植物為主的陸地生態系統（土壤-植物系統）僅占地球表面積的28%，卻容納著75%的地球物種和86%的地球生物量，是生態保護的優先區域。為了應對上述問題和挑戰，亟需理解陸地生態系統氮輸入-輸出平衡趨勢的分布格局、驅動機制和生態效應，進而為氮平衡趨勢的調控提供科學依據。氮平衡趨勢可以概括為單位時間內某一生態系統中氮輸入與氮輸出之間的關系，分為三類：正平衡（氮輸入>氮輸出）、零平衡（氮輸入≈氮輸出）、負平衡（氮輸入 <氮輸出）。為了推進對陸地生態系統氮平衡趨勢的理解，研究團隊全面綜述了氮循環的關鍵過程、氮平衡研究范式的發展、氮平衡趨勢的潛在驅動因素、現有研究的局限和挑戰，以期助力陸地生態系統的可持續氮素管理。< pan>

陸地生態系統氮平衡趨勢容易受到兩個方面的影響：（1）氮循環的關鍵過程，包括大氣氮沉降、人為施氮、自然固氮、巖石氮風化、淋溶氮損失、氣態氮損失、植被氮損耗、微生物氮代謝、植物氮代謝、植物氮返回到土壤；（2）廣泛的自然和人為驅動力，包括氣候條件、土壤屬性、植物性狀、其他因素。目前已發展形成了四種氮平衡研究范式，包括以氮盈余為中心氮平衡范式（1970s~）、以氮效率為中心氮平衡范式（1980s~）、以微生物氮代謝為中心氮平衡范式（1990s~）、以氮同位素特征為中心氮平衡范式（2000s~）。然而，仍然存在一些局限和挑戰：（ⅰ）以氮同位素特征為中心氮平衡范式發展前景較好，有待強化理論推導和經驗驗證；（ⅱ）氮平衡趨勢的實驗、理論和模型研究之間存在較大差距，觀測-統計-理論-模型的融合將是一個新機遇；（ⅲ）現有研究對陸地生態系統氮平衡趨勢的驅動機制和生態效應理解片面，仍需多維度視角的探索。結合考慮氮同位素技術、理論生態學、信息生態學的新興發展，未來有望解決如下技術問題和科學問題：（a）怎樣整合觀測、統計、理論和模型的優勢來發展以氮同位素特征為中心氮平衡范式？（b）陸地生態系統氮平衡趨勢的分布格局（現象）、驅動機制（原因）和生態效應（后果）分別是什么？這些探索工作將更好地服務于氮素智能化管理和社會可持續發展。

圖1 陸地生態系統氮平衡趨勢的研究進展

云南大學程曉莉教授和中國科學院南京土壤研究所顏曉元研究員為通訊作者，中國科學院地球環境研究所張勇副研究員為第一作者。該工作得到了國家自然科學基金重點項目（32130069）、國家重點研發計劃（2024YFF1306700）、中國科學院地球環境研究所青年人才計劃、中國科協青年人才托舉工程博士生專項計劃、生物多樣性與生態工程重點實驗室開放課題（2024-FDU-KF-01）、水土流失防治與綠色發展重點實驗室開放課題的資助。

文章信息

張勇，陳驥，段興武，等. 陸地生態系統氮平衡趨勢的研究進展. 科學通報, 2025.

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-0586.

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