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图. 大气沉降-植物-土壤系统硝酸根Δ17O-δ18O分布关系
在国家自然科学基金项目（项目编号：41730855，41522301）等资助下，天津大学表层地球系统科学研究院刘学炎教授与日、美等国研究者合作，开展了极地苔原、温带森林、热带亚热带森林植物硝酸根来源和利用机制研究。研究成果以“Nitrate is an Important Nitrogen Source for Arctic Tundra Plants”（硝酸根是极地苔原植物的重要氮源）为题，于2018年3月27日在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America （PNAS，《美国科学院院刊》）上发表，论文链接：http://www.pnas.org/content/early/ 2018/03/13/1715382115。
氮是地球生物必需的营养元素之一。自进入人类世以来，地表氮污染持续增加并已经影响生态系统结构和功能（如温室气体排放增加、水质和空气质量下降、土壤酸化、森林衰退和生物多样性减少）。植物氮素利用研究不仅是为了更合理施用农业氮肥，减少环境氮污染，也是准确理解整个陆生植物生存生长机制（物种适应性和生物多样性）和固碳能力的关键。然而，环境中有多少氮可供植物利用、植物真正利用了多少氮和哪些形态氮素以及植物氮素利用策略如何随环境变化而变化一直是科学难题。
苔原是地球北极地区最重要的陆地生态系统之一，分布着全球永久冻土带，其封存的碳量约是大气碳库的两倍。气候变暖和氮污染改变氮循环速率和氮可利用性，植物氮利用直接关系到苔原地区的碳动态和植被变化，成为理解该地区如何“响应”全球变暖、氮污染以及它们的气候反馈机制的重要信息。硝酸根是植物氮利用的主要形态之一。然而，由于北极苔原土壤中硝酸根浓度极低，此前土壤硝酸根生成速率以及植物组织硝酸根含量均不能检出，科学家们一直认为硝酸根并非该地区植物群落的氮源。刘学炎等的研究采用新颖的硝酸根氮、氧同位素地球化学方法原理，运用土壤氮状态、植物氮吸收和酶还原等指标，揭示土壤硝酸根是极地苔原植物的重要氮源。随着气候变暖，产生硝酸根的微生物过程将加速，永久冻土层解冻将使生态系统氮素和硝酸根增加，因此，这一发现更新了对极地苔原植物氮有效性评价的认识，对更准确理解极地生态系统氮、碳动态及其随环境如何变化具有重要意义。而且，他们还发现极地苔原植物吸收硝酸根的能力与低纬度地区富含硝酸盐的生态系统植被相当，说明低纬度地区氮污染扰动下植被对硝酸根的利用能力并不一定能够同比提高。他们利用硝酸根氧同位素分析，发现低纬度地区的植物直接吸收大气氮源，进一步说明大气氮输入不仅影响土壤氮状态和循环过程，还直接影响植物氮吸收和利用，这些研究成果将改进和完善现有氮污染效应评价理论和植被-土壤系统氮循环模型。