過去半個世紀以來，人類活動向大氣釋放的活性氣態氮急劇增加，從而導致了陸地生態系統氮沉降也隨之增加。絕大多數森林植物生產力受氮供應限制。因此，氮沉降一定程度上會促進森林樹木生長，但長期過量的氮沉降則會對森林生態系統產生不利影響，導致土壤酸化、養分流失、植物養分失衡、溫室氣體排放增加和生物多樣性損失。硝化作用是微生物將銨態氮或可溶性有機氮轉化為硝態氮的過程。銨態氮和硝態氮均是植物和微生物利用的主要氮形態，但硝態氮易于發生淋溶進入下游水體，從而引起土壤鹽基養分的損失和下游水體的富營養化。硝態氮是反硝化作用（硝態氮逐步還原成氮氣的過程）的底物，過多的硝態氮會增加反硝化作用的發生。硝化和反硝化作用是產生溫室氣體N2O的重要微生物途徑。因此，硝化作用影響森林氮的有效性和組成，是生態系統氮循環過程關鍵環節之一。此外，集水區尺度上量化土壤硝化作用速率是量化反硝化作用速率的必要步驟之一（Fang et al. 2015. PNAS）。但由于森林土壤硝化作用的時空異質性，在生態系統尺度上量化硝化作用速率的問題一直難以解決。
Greg Michalski等首次測定了大氣沉降硝酸鹽的17O自然豐度，發現大氣沉降硝酸鹽在形成過程中經與臭氧（O3）的相互作用獲得了額外的17O（定義為17O盈余，用D17O表示，D17O = 17O – 0.52* 18O），D17O值為20 ~ 31‰（Michalski et al. 2003. Geophysical Research Letters）。硝酸鹽進入土壤后，部分被植物或者微生物利用而消耗，但這些消耗過程都不會對剩余硝酸鹽的D17O產生影響。硝化作用生成的硝酸鹽中3個氧原子1個來自氧氣，2個來自水，不存在17O盈余（即D17O為0‰）。因此，如果土壤硝化作用越強，那么對土壤中來自大氣沉降硝酸鹽17O盈余的稀釋作用越強。也就是說大氣沉降硝酸鹽D17O是一種天然的示蹤劑。根據這一原理，通過測定降水和溪水的硝酸鹽D17O和降水硝酸鹽量，利用同位素混合模型，方運霆等首次量化森林生態系統尺度上年硝化作用速率（Fang et al. 2015. PNAS）。然而，由于該硝化作用速率量化方法必須依賴硝酸鹽17O的測定，目前世界上僅有少數實驗室具備分析能力。因此，生態系統尺度上的硝化作用速率研究仍然很少，有關森林土壤硝化作用是否存在季節和年際變化，受什么因子控制等還不得而知。
中國科學院沈陽應用生態研究所穩定同位素生態學組以中國科學院清原森林生態系統觀測研究站的一個面積為536公頃的森林集水區為研究對象，于2014~2017年連續4年采集了降水和溪水樣品，測定了樣品中的硝酸鹽含量和D17O，量化了清原森林生態系統尺度的硝酸鹽輸入、流失和土壤硝化作用速率 （圖1，2）。研究表明，研究期間氮沉降量為17.0~21.4 kg N ha-1 yr-1（平均19.2 kg N ha-1 yr-1），其中硝態氮為6.6~7.4 kg N ha-1 yr-1（平均7.0 kg N ha-1 yr-1），占32~41%（平均36%）。降水硝酸鹽D17O為18.3~32.7‰，溪水為-0.1~4.8‰（圖2），說明降水硝酸鹽的17O盈余進入土壤后被土壤硝化作用大大稀釋。土壤硝化作用速率為71~120 kg N ha-1 yr-1 （平均94 kg N ha-1 yr-1），表現出較大的年際變化。另外，該研究還量化了土壤硝化作用的月動態，但未發現與土壤氣溫和降水之間的明確關系。氮流失量為4.2~8.9 kg N ha-1 yr-1（平均6.9 kg N ha-1 yr-1），高于判斷溫帶森林是否達到氮飽和的臨界值（5 kg N ha-1 yr-1）。利用硝酸鹽氮氧同位素自然豐度法（Fang et al. 2015. PNAS）計算得到該集水區尺度氣體氮損失為3.8 kg N ha-1 yr-1，占總氮損失（氣態氮損失+氮流失，10.7 kg N ha-1 yr-1）的35%。生態系統尺度總氮損失占氮沉降輸入（19.2 kg N ha-1 yr-1）的56%。綜合來看，可初步判斷所研究的森林生態系統表現一定程度氮飽和，但需要其他研究進一步證實。該研究顯示，量化生態系統尺度硝化作用速率是揭示土壤氮內部循環的重要一步，其結果有利于揭示森林生態系統內部氮循環過程和氮狀態，深化對森林氮循環的認識。
該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、中國科學院前沿科學重點部署項目和國際團隊項目等的支持。研究成果以“Multiyear measurements on 17O of stream nitrate indicate high nitrate production in a temperate forest”為題，于2020年3月24日正式在線發表于Environmental Science & Technology。黃韶楠博士為第一作者，方運霆研究員為通訊作者。
圖1. 清原站森林生態系統硝酸鹽17O盈余和通量
圖2. 清原溫帶森林2014~2017年日平均氣溫和日降水量（a）、日徑流量（b）、大氣降水和溪水硝酸鹽含量（c）、17O盈余（d）
