稳定同位素技术具有整合和指示的功能，利用土壤总氮同位素开展的氮循环相关研究较多。相对而言，无机氮同位素能够直接记录氮的循环过程。但是由于受方法学的限制，土壤无机氮同位素的研究相对较少。
2012年7月至8月，在韩兴国研究员的组织和带领下，中国科学院沈阳应用生态研究所9个课题组参加了中国北方干旱、半干旱区草地样带调查（年均降水量36 mm至436 mm，图1）。其中，稳定同位素生态学组刘冬伟博士主要负责土壤无机氮样品的采集，并运用自主建立的化学方法对土壤无机氮的15N自然丰度和硝酸根18O的自然丰度进行分析。结果发现，铵态氮15N自然丰度随降水量的增加而降低，硝态氮15N自然丰度随降水的增加呈现先增加后降低的格局（图2）。通过同生态化学计量学组和生物地球化学组合作，结合草地样带植被分布格局和微生物功能基因丰度数据，该研究进一步表明降水量约100 mm的区域是土壤氮循环的分界区域，土壤的氮循环表现出由非生物因素向生物因素转变的控制机制。当降水量小于100 mm时，植被稀疏，微生物过程受限制，来自大气的沉降氮累积在土壤表面，由土壤较高的pH造成的氨挥发表现强烈。当降水量大于100 mm时，土壤无机氮库受生物因素调控，主要表现为植物的氮吸收利用和反硝化作用，优势植物对铵态氮的偏好利用提高了硝态氮以反硝化作用形式损失的可能性。
该研究结果以“Abiotic versus biotic controls on soil nitrogen cycling in drylands along a 3200 km transect”发表在Biogeosciences杂志上。刘冬伟博士和王晓波博士为共同第一作者，朱伟兴教授和方运霆研究员为共同通讯作者。
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图1 中国北方草地样带样点分布图
图2 土壤总氮、铵态氮和硝态氮的含量及其同位素自然丰度
院地合作