干旱、半干旱生态系统约占全球陆地面积的40%，在提供生态系统服务功能、调控全球碳氮循环和气候变化方面发挥重要作用。多数模型预测在全球变化背景下干旱、半干旱生态系统的面积会不断扩大，而极端气候事件频发可能使生态系统更加脆弱。为了系统研究我国北方草地生态系统对全球变化的响应及其机制，2012年7月至8月，在韩兴国研究员的带领下，我所9个课题组组织了中国北方干旱、半干旱区草地样带研究，该样带跨度3000多公里，年降水量在36 mm到436 mm之间（图1），为研究降水对生态系统的影响及其机制提供了很好的机会。
氮稳定性同位素技术具有示踪、整合和指示氮循环的功能，有助于我们理解生态系统的氮素状态和发展方向。前期通过对土壤总氮的15N自然丰度（δ15N表示）的分析显示，δ15N值随着干旱指数（AI）的变化呈现钟型曲线变化模式，分界线出现在AI = 0.32，即降水量在250 mm，并推测土壤微生物和植物分别是分界线两侧的主控因素，这个分界线也恰恰是我国干旱区和半干旱区域的分界线。该研究结果发表在Nature Communications（Wang et al., 2014）。
稳定同位素生态学组刘冬伟博士等在方运霆研究员和朱伟兴教授的指导下对草地样带土壤无机氮的含量及其同位素特征进一步分析，发现降水量较少的区域（年降水量低于100 mm）硝态氮含量较高，在局部区域高达1400 mg kg-1。硝态氮15N自然丰度随降水的增加呈现先增加后降低的格局，在降水量为100 mm的地方出现拐点（图2f）。结合硝酸盐氧同位素特征、植被分布格局和微生物功能基因丰度数据，该研究进一步表明年均降水量100 mm也是生态系统氮循环的另一个分界线，即当降水量小于100 mm时，生态系统氮循环主要是非生物因素控制，表现为植被稀疏，微生物过程受限制，来自大气的沉降氮累积在土壤表面，土壤较高的pH造成的氨挥发表现强烈；当降水量大于100 mm时，生态系统氮循环主要受生物因素调控，表现为植物的氮吸收利用和反硝化作用，优势植物对铵态氮的吸收偏好利用为硝态氮以反硝化作用形式损失提供可能性。
这个新拐点的发现为理解降水对生态系统结构和功能调节作用有重要的意义，也可能为干旱、干旱区的进一步细分和生态系统管理提供新的依据。该研究结果以“Abiotic versus biotic controls on soil nitrogen cycling in drylands along a 3200 km transect”为题正式发表在Biogeosciences杂志上（Liu et al., 2017）。刘冬伟博士和王晓波博士为共同第一作者，朱伟兴教授和方运霆研究员为共同通讯作者。
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图1 中国北方草地样带样点分布图
图2 土壤总氮、铵态氮和硝态氮的含量及其同位素自然丰度
