氮素是制约陆地生态系统生产力的核心营养元素，植物与土壤微生物对有限氮资源的竞争与协作，直接决定了生态系统生产力、碳汇功能及对环境变化的响应。然而，植物氮吸收的宏观格局、调控因素及其与微生物互作的动态机制，长期缺乏系统性理论框架与定量认识。中国科学院地理科学与资源研究所徐兴良研究员与刘敏副研究员团队联合国内外多家单位，围绕这一问题，从理论发展、方法学构建、宏观格局量化及干扰响应机制四个层面开展系统研究，取得以下重要进展：

一、提出植物-微生物共驱动氮循环框架

团队在总结前人研究的基础上，在《Trends in Plant Science》上提出植物通过碳分配、化学信号和根系塑形，主动调控根际微生物的氮转化过程，构建了植物-微生物共驱动的全新框架（Liu & Xu, 2026, Trends in Plant Science）；并在《树木医学》上，针对木本植物提出了氮吸收—生长—繁殖—防御的整合概念模型，揭示了树木在氮素获取与生长、防御之间的资源权衡机制，并据此划分了四类典型的树木氮素利用策略型（高氮吸收-快速生长型、中等氮吸收-平衡型、低氮吸收-高防御型、微生物依赖-协同互利型），为森林健康调控提供了理论工具（刘敏和徐兴良 2026, 树木医学）。

二、发展原位多形态氮素示踪技术，实现根际互作的精准量化

为了将理论框架落地为可验证的科学实验，团队在《Rhizosphere》上发表了标准化的原位¹⁵N与¹³C双标记方法学体系。该研究规范了从样方设置、同位素注射（涵盖化学形态、空间深度与时间季节三个维度）到植物与微生物氮吸收速率计算的完整流程，解决了以往研究因方法不一导致结果难以比较的难题，为后续大尺度的野外原位标记实验提供了统一的操作方法（Liu et al. 2020, Rhizosphere）。

三、证实土壤氮有效性是调控植物氮吸收的普适性核心因子

依托上述方法，团队首先在草原生态系统开展了跨3000公里样带的大型野外原位实验（18种植物、13种氮形态），并结合全球148种植物的荟萃分析，发现植物对硝态氮的吸收偏好虽高达65%，但吸收速率和偏好主要由土壤中对应氮形态的有效性决定（标准化路径系数高达0.94），气候和根系性状的影响极为微弱（Liu et al. 2024, New Phytologist）。进一步将研究拓展至34种温带、亚热带和热带树木，首次提供了树木有机氮吸收的跨生物群系定量基准：铵态氮贡献最大（56%），氨基酸平均贡献39%（精氨酸、组氨酸等带正电荷氨基酸吸收最快），硝态氮仅占5.0%。结构方程模型揭示了四级调控层级：氮形态理化性质（能量成本）> 土壤微生物氮功能基因 > 土壤资源有效性 > 根系形态性状（Liu et al. 2026, Soil Biology and Biochemistry）。

四、揭示放牧、氮沉降与草地恢复过程中的非线性响应与临界点

团队进一步将理论应用于人类干扰场景，发现了多个重要的生态阈值。在氮沉降模拟实验中，发现植物氮吸收峰值比植物生物量峰值提前出现，呈现功能-结构解耦现象，表明氮吸收偏好的转变可作为生态系统氮饱和的早期预警信号（Yu et al. 2026, Journal of Ecology）。在放牧梯度研究中，发现重度放牧下真菌丰度激增30%，导致微生物对铵态氮的竞争压倒植物，形成了一个真菌驱动的铵态氮临界点（Iqbal et al. 2026, Journal of Ecology）。在草地恢复研究中，揭示了短期至中期围封会暂时加剧植物-微生物氮竞争，而长期恢复（>10年）促使双方形成化学生态位分化，从而缓和竞争、稳定生态系统（Liu et al. 2022a, Land Degradation & Development；Liu et al. 2022b, Biology and Fertility of Soils），证实退化高寒草地的恢复过程遵循“多稳态理论”（Liu et al. 2025, Agriculture, Ecosystems & Environment）。

上述系列研究为全球氮循环模型的参数化、森林养分管理和退化草地恢复提供了坚实的理论与实验依据。上述研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略先导专项等资助。

相关成果列表：

1. Liu, M. & Xu, X. (2026). A plant-microbe codriven perspective on the nitrogen cycle. Trends in Plant Science. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2026.05.009.

2. 刘敏, 徐兴良 (2026). 树木氮素“吸收—生长—繁殖—防御”的概念框架及健康调控启示. 树木医学, 3(2): 1–14.

3. Liu, M., et al. (2020). In situ methods of plant-microbial interactions for nitrogen in rhizosphere. Rhizosphere, 13: 100186.

4. Liu, M., et al. (2024). Nitrogen availability in soil controls uptake of different nitrogen forms by plants. New Phytologist, 245(4): 1450–1467.

5. Liu, M., et al. (2026). Advancing predictive understanding of tree organic and inorganic nitrogen uptake across forest biomes. Soil Biology and Biochemistry, 213: 110027.

6. Yu, C., Liu, M., et al. (2026). Functional tipping points in plant-microbial N competition revealed by form-specific uptake in alpine grasslands. Journal of Ecology, 114: e70233.

7. Iqbal, M., Liu, M., et al. (2026). Grazing intensity shifts plant-microbe competition for ammonium and nitrate in temperate grasslands. Journal of Ecology, 114: e70285.

8. Liu, M., et al. (2022a). Plant functional groups shift their nitrogen uptake during restoration of degraded alpine grasslands. Land Degradation & Development, 33(15): 2898–2910.

9. Liu, M., et al. (2022b). Restoration of degraded alpine grasslands alters plant-microbial competition for nitrogen. Biology and Fertility of Soils, 58: 803–814.

10. Liu, M., et al. (2025). Does restoration of degraded grasslands follow the theory of multiple stable states? Agriculture, Ecosystems & Environment, 383, 109508.