硫是植物必需营养元素，在维持细胞结构和生理生化功能中具有不可替代性，参与蛋白质合成、光合作用、呼吸作用、脂类合成、生物固氮、糖代谢等重要生物化学过程。硫也是土壤有机质的重要组分，缺硫会导致植物组织叶绿素浓度下降，光合效率降低，从而会对陆地生态系统初级生产力和生物多样性产生负面影响。硫与氮的生物地球化学循环过程有许多相似之处（二者都是植物生长所需的关键元素、在表土中主要以有机形态存在、且均以阴离子形态在土壤-植物系统进行迁移转化、均能通过一系列的氧化和还原过程形成气体释放、均可以被土壤胶体吸附从而以缓效形态存在等），缺硫可能会降低氮素利用效率。然而，在草原生态系统中，土壤硫转化过程和硫的有效性如何响应氮和降水变化，仍是知识空白。为此，韩兴国/姜勇团队依托内蒙古多伦半干旱草原2005年建立的养分添加和生长季补水的长期控制实验，对土壤无机硫、有机硫和有效硫、草原植物硫吸收、土壤硫循环功能基因等进行了系统研究。

研究发现，氮添加导致土壤酸化，促进无机硫组分的转化，即难溶性无机硫向可溶性和吸附性无机硫的转化，从而提高了土壤硫的有效性；氮富集促进植物硫吸收（羊草除外），生长季增水通过增加硫循环基因丰度和硫酸盐还原基因丰度，加速土壤硫组分间的转化。增水可增加可溶性硫与吸附态硫的比例（图1、图2）。增水提高土壤有机硫和土壤全硫含量的主要原因有，植物生物量增加了硫的返回、灌溉水增加了硫酸盐输入、植物根系从深层土壤吸收硫等。然而，加水降低了克里氏针茅和羊草组织中硫浓度，可能与植物生物量增加导致的稀释效应有关（图3、图4）。总之，氮添加和增水加速了土壤硫的循环和转化，在一定程度上可以缓解半干旱草原生态系统的硫缺乏，扩大土壤硫库（图5）。这项研究表明，全球变化背景下陆地生态系统生物地球化学循环模型应当考虑氮输入和降水变化的交互作用。

上述成果近期发表在国际土壤学期刊Geoderma上，河北大学生命科学学院校聘研究员刘贺永博士为论文第一作者，姜勇教授为通讯作者，韩兴国教授、王汝振研究员、硕士研究生王颖杰、马晓梦，中国科学院沈阳应用生态研究所李慧研究员、施展博士、硕士生代泽成，内蒙古大学徐柱文教授为论文的共同作者。该研究得到国家自然科学基金（32101320、32271677、32071563）、中国科学院先导专项（XDA23080400）和河北省自然科学基金（C202201042）等项目资助。

论文链接：Liu HY, Dai ZC, Wang YJ, Ma XM, Shi Z, Wang RZ, Xu ZW, Li H, Han XG, Jiang* Y. Interacting effects of water and nitrogen addition on soil-plant sulfur dynamics in a semi-arid grassland. Geoderma, 2024, 442: 116796 (中科院一区, Q1, IF: 6.1) http://doi.org/10.1016/j.geoderma.2024.116796

图1 氮添加和增水处理对土壤无机硫组分的影响

图2 氮添加和增水处理对土壤有效硫、有机硫、无机硫和全硫含量的影响

图3 氮添加和增水处理对草地地上和地上生物量及地上植物硫库的影响

图4 氮添加和增水处理对草地植物地上组织硫浓度的影响

图5 氮增加和增水对半干旱草原土壤硫转化和植物硫吸收影响机制示意图