科學(xué)通報 | 陸地生態(tài)系統(tǒng)氮平衡趨勢的研究進(jìn)展

近日，云南大學(xué)程曉莉團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院南京土壤研究所顏曉元團(tuán)隊和中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所陳驥團(tuán)隊在《科學(xué)通報》發(fā)表題為“陸地生態(tài)系統(tǒng)氮平衡趨勢的研究進(jìn)展”的文章，定義了氮平衡趨勢的概念，總結(jié)了氮平衡研究范式的發(fā)展歷程和挑戰(zhàn)。

氮素在人類發(fā)展過程中扮演著重要角色，攸關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和人類健康。工業(yè)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(dǎo)了一系列生態(tài)環(huán)境問題。例如，過量施氮導(dǎo)致氣態(tài)氮排放增加、土壤酸化和水體富營養(yǎng)化等，進(jìn)而一定程度上影響人類健康。不合理施氮誘導(dǎo)的生態(tài)環(huán)境問題給可持續(xù)氮素管理帶來了挑戰(zhàn)。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(tài)安全界限的重要組成之一。以土壤和植物為主的陸地生態(tài)系統(tǒng)（土壤-植物系統(tǒng)）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(tài)保護(hù)的優(yōu)先區(qū)域。為了應(yīng)對上述問題和挑戰(zhàn)，亟需理解陸地生態(tài)系統(tǒng)氮輸入-輸出平衡趨勢的分布格局、驅(qū)動機制和生態(tài)效應(yīng)，進(jìn)而為氮平衡趨勢的調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。氮平衡趨勢可以概括為單位時間內(nèi)某一生態(tài)系統(tǒng)中氮輸入與氮輸出之間的關(guān)系，分為三類：正平衡（氮輸入>氮輸出）、零平衡（氮輸入≈氮輸出）、負(fù)平衡（氮輸入 <氮輸出）。為了推進(jìn)對陸地生態(tài)系統(tǒng)氮平衡趨勢的理解，研究團(tuán)隊全面綜述了氮循環(huán)的關(guān)鍵過程、氮平衡研究范式的發(fā)展、氮平衡趨勢的潛在驅(qū)動因素、現(xiàn)有研究的局限和挑戰(zhàn)，以期助力陸地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)氮素管理。< pan>

陸地生態(tài)系統(tǒng)氮平衡趨勢容易受到兩個方面的影響：（1）氮循環(huán)的關(guān)鍵過程，包括大氣氮沉降、人為施氮、自然固氮、巖石氮風(fēng)化、淋溶氮損失、氣態(tài)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(qū)動力，包括氣候條件、土壤屬性、植物性狀、其他因素。目前已發(fā)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(zhàn)：（ⅰ）以氮同位素特征為中心氮平衡范式發(fā)展前景較好，有待強化理論推導(dǎo)和經(jīng)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(tǒng)計-理論-模型的融合將是一個新機遇；（ⅲ）現(xiàn)有研究對陸地生態(tài)系統(tǒng)氮平衡趨勢的驅(qū)動機制和生態(tài)效應(yīng)理解片面，仍需多維度視角的探索。結(jié)合考慮氮同位素技術(shù)、理論生態(tài)學(xué)、信息生態(tài)學(xué)的新興發(fā)展，未來有望解決如下技術(shù)問題和科學(xué)問題：（a）怎樣整合觀測、統(tǒng)計、理論和模型的優(yōu)勢來發(fā)展以氮同位素特征為中心氮平衡范式？（b）陸地生態(tài)系統(tǒng)氮平衡趨勢的分布格局（現(xiàn)象）、驅(qū)動機制（原因）和生態(tài)效應(yīng)（后果）分別是什么？這些探索工作將更好地服務(wù)于氮素智能化管理和社會可持續(xù)發(fā)展。

圖1 陸地生態(tài)系統(tǒng)氮平衡趨勢的研究進(jìn)展

云南大學(xué)程曉莉教授和中國科學(xué)院南京土壤研究所顏曉元研究員為通訊作者，中國科學(xué)院地球環(huán)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(xué)基金重點項目（32130069）、國家重點研發(fā)計劃（2024YFF1306700）、中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所青年人才計劃、中國科協(xié)青年人才托舉工程博士生專項計劃、生物多樣性與生態(tài)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(fā)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(tài)系統(tǒng)氮平衡趨勢的研究進(jìn)展. 科學(xué)通報, 2025.

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

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