地化所揭示全球陆生植物氮同化的碳消耗及其气候响应新机制
植物获取土壤氮和体内氮同化均需要消耗光合吸收的碳。生物化学研究表明植物同化硝酸根、铵根和溶解有机氮的理论碳消耗平均为5.81, 4.32和2.16 g-C/g-N（Zerihun et al. 1998 New phytologist 138,1-11）。
最近，刘学炎研究团队建立的植物-土壤氮同位素过程新模型，量化了上述三种形态氮同化对全球陆生植物总氮的贡献比例（Hu et al. 2024 Nature Communications 15,6407）。在此基础上，他们结合全球陆生植物碳氮比和总初级生产力，评估了当前全球陆生植物氮同化的碳消耗总量为208±12 Tg-C/yr（图1），发现竟高于因森林火灾和退化产生的碳排放量（155 Tg-C/yr,Friedlingstein et al. 2023 Earth System Science Data 15,5301-5369），与大气氮沉降增加的森林固碳在量级上相当（240 Tg-C/yr,Nadelhoffer et al. 1999 Nature 398,145-148;310 Tg-C/yr,Thomas et al. 2010 Nature Geoscience 3,13-17）。此前，研究多强调氮对植物生长固碳的正面效应，而植物氮同化代谢的碳消耗缺乏详细评估，一直是陆生系统碳循环研究的“盲点”，他们的研究表明这一隐性碳支出应被纳入碳平衡核算。
图1. 全球陆生植物氮同化的碳消耗及其对气候变暖的响应
（G(i)指全球陆生植物总氮（TN）、硝酸根（NO3-）、铵根（NH4+）、可提取有机氮（EON）同化的碳消耗总量；∆C(TN)指变暖情景下（2.0°C warming）植物总氮同化的碳消耗相对于当前（Present day）的变化幅度）
另一方面，气候变暖会促进土壤氮转化和增加生物可利用氮特别是无机氮（硝酸根和铵根）的供给以及植物生长的氮需求，这可能增加植物对无机氮同化的比例与碳消耗，进而增加植物氮同化的总碳消耗（图2）。为验证这一假设，他们模拟了全球平均2.0°C变暖情景下的植物氮源贡献，结合对应的碳氮比和总初级生产力模拟数据（Tian et al. 2021 Global and Planetary Change 205,103588），估算全球2.0°C变暖情景下陆生植物氮同化的碳消耗总量为249±15 Tg-C/yr，发现比当前的量（208±12 Tg-C/yr）将平均增加47%（41±19 Tg-C），其中热带、温带和寒带分别增加9%、62%和105%（图1）。气候变暖会增加土壤无机氮供应及其对植物总氮同化的贡献，但同时会加剧植物氮代谢途径的碳支出，削弱其光合碳收益，这种效应存在显著的高纬度放大效应（图1）。
图2. 植物氮同化及其碳消耗对气候变暖的响应机制
该研究揭示了植被碳氮循环过程耦合及其气候响应和反馈的新机制，为全球碳平衡精细化核算和未来碳中和与气候应对方案制定提供了新证据。论文于2025年10月6日在《Nature Geoscience》发表，中国科学院地球化学研究所胡朝臣研究员为第一作者，刘学炎研究员为通讯作者，南京信息工程大学乐旭教授和田晨光副教授、天津大学宋韦教授和陈崇娟讲师参与了研究。该研究致谢国家自然科学基金（编号：42125301, 42221001,42330505）等项目资助。
论文信息：Chao-Chen Hu,Chen-Guang Tian,Chong-Juan Chen,Wei Song,Xu Yue,Xue-Yan Liu*. (2025) Increased carbon cost for nitrogen assimilation in plants under a warming climate. Nature Geoscience,doi: 10.1038/s41561-025-01816-y. https://www.nature.com/articles/s41561-025-01816-y
作者：胡朝臣