土壤氮（N）轉(zhuǎn)化過(guò)程能調(diào)控N的有效性，因此會(huì)影響植物生長(zhǎng)、微生物功能和生態(tài)系統(tǒng)的N損失風(fēng)險(xiǎn)。在全球變暖的背景下，北半球的降水預(yù)計(jì)會(huì)增加，因此土壤N轉(zhuǎn)化速率會(huì)由于溫度和水分的變化而發(fā)生改變。盡管有研究調(diào)查了溫度和水分變化對(duì)土壤N轉(zhuǎn)化速率的影響，但是得到的結(jié)果卻并不一致。土壤中同時(shí)出現(xiàn)的N轉(zhuǎn)化途徑彼此之間存在密切的聯(lián)系：比如礦化能夠給自養(yǎng)硝化和銨（NH4+）同化提供底物，它們的速率可能存在正相關(guān)關(guān)系；而自養(yǎng)硝化和NH4+同化都以NH4+作為底物，它們之間可能存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。當(dāng)溫度和水分變化改變一個(gè)過(guò)程的速率時(shí)，其它過(guò)程的速率可能會(huì)因?yàn)檫@種密切聯(lián)系也發(fā)生改變。因此，在研究溫度和水分變化對(duì)土壤N轉(zhuǎn)化速率的影響時(shí)，要同時(shí)考慮土壤中出現(xiàn)的各條N轉(zhuǎn)化途徑。此外，土壤資源狀況會(huì)通過(guò)底物供應(yīng)和能量供應(yīng)來(lái)影響微生物活性，這也會(huì)影響土壤N的轉(zhuǎn)化。
本課題組通過(guò)15N標(biāo)記結(jié)合示蹤模型的方法調(diào)查了長(zhǎng)白山闊葉紅松林土壤有機(jī)質(zhì)層（O）和礦質(zhì)層（A）的N轉(zhuǎn)化速率對(duì)溫度和水分變化的響應(yīng)（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)資源豐富的O層能夠提供充足的底物，這使N轉(zhuǎn)化速率對(duì)溫度和水分變化的響應(yīng)要強(qiáng)于資源貧瘠的A層。NH4+同化和自養(yǎng)硝化的競(jìng)爭(zhēng)受土壤資源狀況（主要是有機(jī)碳氮含量）的調(diào)節(jié)：由于硝化微生物群落特異性，當(dāng)溫度水分增加后，其在資源貧瘠的土壤上對(duì)NH4+的競(jìng)爭(zhēng)能力更強(qiáng)；而在資源豐富的土壤中，當(dāng)溫度水分增加后，由于幾乎整個(gè)微生物群落都可增加其對(duì)NH4+的同化，使得同樣使用NH4+的硝化菌競(jìng)爭(zhēng)能力下降。在此基礎(chǔ)上本研究提出了一個(gè)概念模型（圖2）來(lái)預(yù)測(cè)不同資源狀況土壤微生物的NH4+同化能力和自養(yǎng)硝化能力對(duì)環(huán)境條件變化的響應(yīng)。當(dāng)環(huán)境條件變得適宜時(shí)，資源豐富土壤（如O層土）的微生物預(yù)計(jì)會(huì)擁有高的NH4+同化能力，從而降低自養(yǎng)硝化能力；而資源貧瘠土壤的微生物預(yù)計(jì)會(huì)擁有高的自養(yǎng)硝化能力，從而降低NH4+同化能力。這些結(jié)果能夠幫助我們更好的預(yù)測(cè)在全球變化背景下，生態(tài)系統(tǒng)的N循環(huán)過(guò)程和N損失風(fēng)險(xiǎn)。
圖1. 所調(diào)查的闊葉紅松林有機(jī)質(zhì)層（O）和礦質(zhì)層（A）N轉(zhuǎn)化速率對(duì)溫度（15-25 oC）和水分（30%-60% WFPS）變化的響應(yīng)。紅色表示速率顯著增加、藍(lán)色表示速率顯著減少、黑色表示速率沒(méi)有顯著變化、數(shù)值表示增加或減少的倍數(shù)。
圖2. 概念模型—預(yù)測(cè)不同資源狀況土壤微生物的NH4+同化能力和自養(yǎng)硝化能力對(duì)環(huán)境條件變化的響應(yīng)。從A點(diǎn)開(kāi)始，當(dāng)環(huán)境條件變得更適宜時(shí)，資源豐富土壤的微生物預(yù)計(jì)擁有高的NH4+同化能力和低的自養(yǎng)硝化能力，最終落點(diǎn)會(huì)根據(jù)土壤性質(zhì)落在右下區(qū)域；相似的，當(dāng)環(huán)境條件變得更適宜時(shí)，資源貧瘠土壤的微生物預(yù)計(jì)擁有高的自養(yǎng)硝化能力和低的NH4+同化能力，最終落點(diǎn)會(huì)根據(jù)土壤性質(zhì)落在左上區(qū)域。
本研究結(jié)果以“Soil resource status affects the responses of nitrogen processes to changes in temperature and moisture”為題發(fā)表于Biology and Fertility of Soils雜志上。生物地球化學(xué)組的白娥教授和夏宗偉助理研究員為通訊作者，孫立飛博士為第一作者。本研究得到中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（31400427和31770531）和青年拔尖人才項(xiàng)目（白娥）的資助。DOI: 10.1007/s00374-019-01379-2。
