全球陆地生物固氮数据集：揭示自然生态系统氮循环新格局

本研究为解决陆地生态系统生物固氮(BNF)通量估算的全球性难题，由多国科学家联合构建了首个涵盖所有主要固氮生态位的全球数据集。研究整合了376项研究的1,207个BNF速率数据，覆盖66个国家424个物种，通过标准化方法量化了树木、灌木、土壤等10类生态位的固氮贡献。该数据集为评估陆地生产力、碳汇功能及全球变化响应提供了关键基础数据，相关成果发表于《Scientific Data》。

　　

氮素是调控陆地生态系统生产力的关键元素，而生物固氮(BNF)作为大气氮气(N₂)向生物可用氮转化的唯一自然途径，支撑着全球碳汇功能。然而，由于固氮生态位的多样性和采样偏差，陆地BNF通量估算长期存在巨大不确定性。传统研究多聚焦于豆科植物根瘤共生体系，忽视了土壤、凋落物、苔藓等"隐性固氮者"(cryptic nitrogen fixers)的贡献，导致全球氮循环模型存在显著偏差。

为破解这一难题，来自美国地质调查局、俄勒冈州立大学等23个机构的科研团队开展了这项里程碑式研究。研究人员历时多年，系统收集了1955-2020年间全球376项野外研究的原始数据，构建了首个涵盖树木、灌木、草本、土壤、凋落物、苔藓等10类固氮生态位的综合性数据集。该数据集不仅包含1,207个BNF速率(kg N ha^-1 y^-1)，还整合了152个大气氮贡献百分比(%N_dfa)值和1,005个固氮生物丰度数据，为多尺度氮循环研究提供了前所未有的基础支撑。相关成果以封面论文形式发表于《Scientific Data》期刊。

研究团队采用了三项关键技术方法：(1)系统性文献检索策略，通过布尔运算符组合固氮术语、生物群落和国家名称，从超7万篇文献中筛选出880项合格研究；(2)数据标准化处理流程，将48种原始单位统一转换为kg N ha^-1 y^-1，并采用3:1的乙炔还原比(ARA)进行校准；(3)生态位特异性转换算法，针对不同固氮类型（如树木年累积量转换、苔藓降水响应模型等）建立差异化计算模型。

数据集特征与验证

研究构建的数据库包含32个变量，覆盖全球66个国家的424个物种。技术验证显示，转换后的BNF速率与原始报告值范围一致（图3），数据呈典型右偏分布（图4），符合生态过程特征。研究站点覆盖从-69°到79°纬度范围，基本代表了全球陆地生态系统的气候空间（图5）。

固氮生态位差异

数据分析揭示了不同生态位的固氮贡献特征：树木和灌木通过根瘤共生实现高效固氮，而土壤、凋落物等自由生活固氮虽单位速率较低，但因分布广泛其总量不容忽视。特别值得注意的是，苔藓-蓝藻共生体系在北极等极端环境下显示出独特的固氮潜力。

方法学创新

研究提出了"单位丰度固氮速率"新指标（如kg N ha^-1 y^-1%BA^-1），支持通过固氮生物丰度数据实现区域尺度推算。针对不同生态位开发的标准化转换方法（如木质残体生物量校正、苔藓降水响应模型等）显著提高了数据可比性。

这项研究标志着陆地氮循环研究进入新阶段。数据集不仅填补了全球尺度BNF基准数据的空白，其创新的标准化方法更为后续研究提供了范式参考。特别值得关注的是，研究揭示了隐性固氮者在维持生态系统氮平衡中的重要作用，这对准确预测全球变化下的碳-氮耦合响应具有深远意义。美国地质调查局已将该数据集及其衍生的网格化产品公开发布，支持全球氮循环模型的校准与验证工作。正如作者在讨论中指出，这项成果将推动从"豆科中心论"向"全生态位整合"的研究范式转变，为地球系统科学的发展注入新动能。