一片树叶记录了40年全球氮循环变化： 华东师范大学夏建阳团队发现降水和CO2共同驱动植物氮可利用性的长期演变

氮素作为生态系统物质循环的核心元素之一，其生物可利用性在调控植物光合固碳过程中发挥着关键作用。植物氮获取能力的强弱，不仅制约着森林与草地生态系统的生物量积累，还通过影响陆地植被对大气CO₂的吸收通量，参与全球碳循环的反馈调节。然而，关于过去数十年间全球氮可利用性的演变趋势，生态学界一直未形成明确共识。值得注意的是，这一问题的潜在答案，也许就藏在一片树叶里。当一片叶子被送进实验室时，我们不仅能够定量其氮含量，还可获取一类具有指示意义的“化学指纹”—氮稳定同位素（δ¹⁵N）。自然环境中氮元素主要以¹⁴N与¹⁵N两种稳定同位素形式存在（林光辉，2013）。在土壤微生物代谢过程、氮的流失途径以及植物对氮的吸收过程中，两者的相对丰度会发生变化，并最终记录于植物叶片之中（Dawson et al., 2002; Evans, 2001）。因此，叶片δ¹⁵N可被视为生态系统氮循环的“记录载体”：一般而言，δ¹⁵N值较高表明植物获取氮的难度较低，即氮可利用性较高；反之，较低的δ¹⁵N值通常指示氮相对匮乏（Craine et al., 2018）。基于这一原理，研究人员广泛采用叶片δ¹⁵N作为评估生态系统氮充足程度的指示器（Craine et al., 2018; Mason et al., 2022）。

为了回答这一问题，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。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：

图1 研究样品分布及不同菌根类型植物叶片δ¹⁵N比较

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

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。

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。该研究工作日前以“Joint control of precipitation and CO₂ on global long-term patterns of plant nitrogen availability”为题发表于国际知名期刊《Nature Communications》上。我院夏建阳教授和崔二乾副教授为文章共同通讯作者，我院博士后汤松波（现就职于宁波大学）为文章第一作者，华东师范大学为论文第一完成单位。该研究受到国家自然科学基金（32325033, 32301387和42301066），上海市基础研究特区项目（TQ20220102）和教育部基础学科和交叉学科突破计划（JYB2025XDXM904）的资助。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-026-70358-7

参考文献

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3. Dawson, T. E., Mambelli, S., Plamboeck, A. H., Templer, P. H., & Tu, K. P. (2002). Stable isotopes in plant ecology. Annual Review of Ecology and Systematics, 33, 507–559.

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7. Tang, S., Qiao, Y., Xia, J., & Cui, E. (2026). Joint control of precipitation and CO2 on global long-term patterns of plant nitrogen availability. Nature communications, 10.1038/s41467-026-70358-7

8. Tang, S., Sun, H., Xu, X., Wan, F., Cui, E., Qiao, Y., Du, Y., Zhou, X., Xia, J., & Yan, L. (2025). Long‐term drought triggers contrasting responses of foliar stable nitrogen isotopes and soil available nitrogen in a subtropical forest. Journal of Ecology, 113(8), 2093–2105.