人类活动显著增加了全球大气中活性氮的排放及其向陆地生态系统的沉降，其中包括来自化肥施用和畜牧业的还原态氮（NH_x），以及来自有机物燃烧的氧化态氮(NO_y)。在短期内，不同形态氮沉降由于化学性质的差异在生态系统中拥有不同的去向，但二者的去向在长时间尺度下是否会趋同，进而影响生态系统氮利用效率和碳固存，并且这种影响在不同的氮沉降背景下如何变化仍未可知，限制了全球变化背景下生态系统固碳潜力的评估。

基于此，本研究以长白山阔叶红松林为研究对象，通过十年氮同位素标记实验探究不同形态氮沉降在森林生态系统中的长期去向，并建立基于过程的氮循环模型（图1），量化不同氮沉降背景下的生态系统氮利用效率和固碳潜力。

研究表明，在¹⁵N标记十年之后，仍有55.3%-65.6%的沉降氮保存在生态系统中，其中大部分转化为有机形式，导致不同形态沉降氮的去向差异逐渐消失（图2）。利用观测的¹⁵N回收率数据对模型进行参数化（图3），发现生态系统氮利用效率和碳固存随着氮沉降的增加逐渐下降，并且在同等氮沉降条件下，模型模拟的生态系统固碳潜力略高于大多数温带森林的估算，而仅考虑木质生物量时，则与大多数生态系统的估计值相当（图4）。本研究提供了对完善氮循环模型至关重要的机制性高分辨率时序数据，并揭示了温带森林中可实现碳固存最大化、同时将环境风险最小化的最优氮沉降范围，为预测全球变化对森林碳汇的影响提供了定量框架。

以上研究成果以Ten-year ¹⁵N labeling reveals the nitrogen retention threshold for maximizing carbon sequestration in a temperate forest为题，发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上。生物地球化学组博士后刘柏为文章的第一作者，白娥教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金，国家科技计划项目国家重点研发计划，国家自然科学基金，吉林省科技厅创新平台（基地）和人才专项中青年科技创新创业卓越人才（团队）项目（创新类）以及中央高校基本科研业务费专项的支持。

图1. 沉降氮周转的概念模型。

图2. ¹⁵N回收率在生态系统及表层土壤各组分中的时间动态。

图3. 模拟和观测¹⁵N回收率的比较。

图4. 不同氮沉降增量下生态系统氮库、碳库和氮利用效率的变化以及与不同研究中生态系统固碳潜力的比较。