土壤氮（N）转化过程能调控N的有效性，因此会影响植物生长、微生物功能和生态系统的N损失风险。在全球变暖的背景下，北半球的降水预计会增加，因此土壤N转化速率会由于温度和水分的变化而发生改变。尽管有研究调查了温度和水分变化对土壤N转化速率的影响，但是得到的结果却并不一致。土壤中同时出现的N转化途径彼此之间存在密切的联系：比如矿化能够给自养硝化和铵（NH4+）同化提供底物，它们的速率可能存在正相关关系；而自养硝化和NH4+同化都以NH4+作为底物，它们之间可能存在竞争关系。当温度和水分变化改变一个过程的速率时，其它过程的速率可能会因为这种密切联系也发生改变。因此，在研究温度和水分变化对土壤N转化速率的影响时，要同时考虑土壤中出现的各条N转化途径。此外，土壤资源状况会通过底物供应和能量供应来影响微生物活性，这也会影响土壤N的转化。
本课题组通过15N标记结合示踪模型的方法调查了长白山阔叶红松林土壤有机质层（O）和矿质层（A）的N转化速率对温度和水分变化的响应（图1）。研究发现资源丰富的O层能够提供充足的底物，这使N转化速率对温度和水分变化的响应要强于资源贫瘠的A层。NH4+同化和自养硝化的竞争受土壤资源状况（主要是有机碳氮含量）的调节：由于硝化微生物群落特异性，当温度水分增加后，其在资源贫瘠的土壤上对NH4+的竞争能力更强；而在资源丰富的土壤中，当温度水分增加后，由于几乎整个微生物群落都可增加其对NH4+的同化，使得同样使用NH4+的硝化菌竞争能力下降。在此基础上本研究提出了一个概念模型（图2）来预测不同资源状况土壤微生物的NH4+同化能力和自养硝化能力对环境条件变化的响应。当环境条件变得适宜时，资源丰富土壤（如O层土）的微生物预计会拥有高的NH4+同化能力，从而降低自养硝化能力；而资源贫瘠土壤的微生物预计会拥有高的自养硝化能力，从而降低NH4+同化能力。这些结果能够帮助我们更好的预测在全球变化背景下，生态系统的N循环过程和N损失风险。
图1. 所调查的阔叶红松林有机质层（O）和矿质层（A）N转化速率对温度（15-25 oC）和水分（30%-60% WFPS）变化的响应。红色表示速率显著增加、蓝色表示速率显著减少、黑色表示速率没有显著变化、数值表示增加或减少的倍数。
图2. 概念模型—预测不同资源状况土壤微生物的NH4+同化能力和自养硝化能力对环境条件变化的响应。从A点开始，当环境条件变得更适宜时，资源丰富土壤的微生物预计拥有高的NH4+同化能力和低的自养硝化能力，最终落点会根据土壤性质落在右下区域；相似的，当环境条件变得更适宜时，资源贫瘠土壤的微生物预计拥有高的自养硝化能力和低的NH4+同化能力，最终落点会根据土壤性质落在左上区域。
本研究结果以“Soil resource status affects the responses of nitrogen processes to changes in temperature and moisture”为题发表于Biology and Fertility of Soils杂志上。生物地球化学组的白娥教授和夏宗伟助理研究员为通讯作者，孙立飞博士为第一作者。本研究得到中国国家自然科学基金（31400427和31770531）和青年拔尖人才项目（白娥）的资助。DOI: 10.1007/s00374-019-01379-2。
