夏建阳教授研究团队在《Nature Communications》上发现降水和CO2共同驱动植物氮可利用性的长期演变

如果把森林看作一座巨大的“绿色工厂”，那么氮就是最关键的原料之一。植物能获得多少氮，不仅决定森林和草地长得好不好，还影响陆地生态系统吸收二氧化碳（CO₂）的能力，从而影响全球碳循环。但一个问题一直困扰生态学家：过去几十年，全球的氮可利用性究竟发生了什么变化？答案，也许就藏在一片树叶里。当一片叶子被送进实验室时，科学家不仅能测出其中的氮含量，还能读出一种特殊的“化学指纹”——氮稳定同位素（δ¹⁵N）。自然界中的氮主要以两种形式存在：¹⁴N和¹⁵N (林光辉, 2013)。在土壤微生物活动、氮流失以及植物吸收等过程中，两者比例会不断变化，并最终记录在植物叶片中(Dawson et al., 2002; Evans, 2001)。因此，叶片δ¹⁵N就像生态系统氮循环的一本“小账本”：一般来说，δ¹⁵N较高意味着植物获取氮相对容易，而较低往往说明氮相对紧张(Craine et al., 2018)。正因为如此，研究人员常常利用叶片δ¹⁵N来判断生态系统中的氮是否充足(Craine et al., 2018; Mason et al., 2022; Tang et al., 2021 & 2022)。

近期，华东师范大学夏建阳教授团队汇编了一份覆盖六大洲、跨越40年（1980–2020）的全球叶片氮同位素数据库，共包含3.7万余条观测记录，并涵盖四种主要植物菌根类型（图1）。然而，这些观测数据并不均匀：有些地区一年可能测量十几次，而有些地方十年才有一次记录；热带地区观测密集，而高纬度地区却存在明显空白。这种时空采样不均匀，一直是解释全球叶片δ¹⁵N变化的重要挑战。事实上，虽然已有研究指出全球植物叶片δ¹⁵N可能在下降(Craine et al., 2018; Tang et al., 2022)，但不同研究在不同程度上都受到这一问题影响。

图1 研究样品分布及不同菌根类型植物叶片δ¹⁵N比较

为尽可能减少这种偏差，研究团队结合24个气候与环境变量，利用四种机器学习方法，重建了1980–2020年全球0.5°分辨率的叶片δ¹⁵N时空分布格局。基于该高分辨率全球图谱，该团队进一步揭示了叶片δ¹⁵N长期演变的三个关键特征：

1 | 气温越高，植物越“不缺氮”

空间格局上，叶片δ¹⁵N与气温呈显著正相关，即气温越高的地区叶片δ¹⁵N值越高。归因分析表明，年均温是解释全球叶片δ¹⁵N空间差异的最重要环境因子之一（图2）。该空间格局反映了温度对土壤氮循环过程的调控作用：温度升高通常增强土壤微生物活性，加速氮矿化与硝化过程，进而影响植物吸收氮源的δ¹⁵N信号。

图2 全球叶片δ¹⁵N空间分布及驱动因子

2 | 全球氮可利用性的变化，主要发生在80年代

时间变化上，全球叶片δ¹⁵N在1980–1988年呈现显著下降趋势，而1988年之后大多数地区的叶片δ¹⁵N趋于稳定，未表现出持续下降的态势。这表明全球植物氮营养状况并非持续恶化，而是表现为20世纪80年代一次明显变化后进入相对平稳期。

3 |驱动因素发生了“接力”

全球叶片δ¹⁵N时间趋势的主导驱动因子由1980-1988年的CO₂转变为1989-2020年的降水。上述发现揭示了植物氮可利用性的分异轨迹，强调了降水在调控陆地氮循环中日益凸显的作用。上述全球尺度的发现得到了野外实验的进一步支持。该团队在浙江天童森林生态系统国家野外科学观测研究站，依托一项持续8年的模拟长期干旱实验，发现当降水减少约70%时，亚热带常绿阔叶林优势树种的叶片δ¹⁵N显著升高(Tang et al., 2025)。该结果可能归因于水分减少对土壤氮矿化、淋溶、气态损失及植物吸收过程的调控，进而改变了植物氮需求与土壤氮供应之间的平衡。

图3 全球叶片δ¹⁵N历史变化驱动因子

一片树叶中的氮同位素看似微小，却记录着生态系统养分循环的重要信息。通过解读这些细微的化学信号，科学家得以追踪全球变化如何影响植物获取养分的过程，以及陆地生态系统吸收CO₂的能力。从某种意义上说，每一片树叶，都在为地球的生态历史做记录。

上述结果近期发表在Nature Communications（doi: 10.1038/s41467-026-70358-7），论文第一作者为汤松波博士，夏建阳教授和崔二乾副教授为共同通讯作者。

汤松波，华东师范大学博士后（现就职于宁波大学），主要研究全球变化对植物氮循环与水循环关键过程的影响。主持国家自然科学基金青年项目，并获上海市博士后日常经费资助。近年来，基于植物叶片稳定碳、氮同位素，系统开展植物水分利用效率及氮可利用性的时空格局与驱动机制研究，相关成果发表于Nature Communications、Global Change Biology、Journal of Ecology和Agricultural and Forest Meteorology等国内外学术期刊。

参考文献

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