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干旱、半干旱生态系统约占全球陆地面积的40％，在提供生态系统服务功能，调控全球碳、氮循环和气候变化方面发挥重要作用。模型预测表明干旱生态系统的面积可能会不断扩大，而极端气候事件频发可能造成干旱生态系统更加脆弱。氮稳定性同位素技术具有示踪、整合和指示氮循环的功能，有助于我们理解生态系统的氮状态和发展方向。目前大尺度上的氮循环与气候变化关系的研究主要基于总氮的含量和同位素信息。然而对于复杂的氮循环，总氮不能充分揭示每个土壤氮转化过程对气候变化的反应，这可能阻碍我们预测干旱生态系统对全球变化的响应。 本研究以中国北方干旱、半干旱草地生态系统为研究对象，在甘肃和内蒙古境内设置长约3200km的草地样带，按照约100km的间隔设置采样点，共计36个。降水是这条样带的主要控制因素，年均降水量(MAP)为36 mm至436mm。为检验干旱生态系统土壤氮循环对降水变化的响应机制，本研究1）测定土壤有效氮的浓度和15N自然丰度(δ15N)，分析它们与降水量变化的相关关系的机理;2）进行室内15N标记试验，从氮气损失的途径和速率的角度探讨干旱生态系统氮损失机制;3)通过对比植物和土壤有效氮的δ15N，探讨植物的氮吸收偏好。主要研究结果如下: (1)为了避免从溶液中分离铵离子(NH4+)，减少样品准备时间和有毒试剂的使用，本研究建立了测定铵态氮δ15N的新方法。首先，NH4+在碱性次溴酸盐(BrO-)作用下氧化成NO2-，然后NO2-在强酸性环境下被羟胺(NH2OH)还原成N2O，接下来利用同位素比例质谱仪（PT-IRMS）分析N2O的同位素组成。该方法的标准误差小于0.3‰(n=3～5)。较以往的方法相比，该方法具有以下优势:1）无需将NH4+从溶液中分离，整个反应只需在一个反应瓶中进行，从根本上简化了制备步骤，缩短了准备时间;2）更加适用于低氮浓度的样品(10～20μmol L-1)，样品用量小（小于4 mL），试验空白小（每个分析0.6～2nmol）;3）无需使用有毒、挥发性试剂叠氮酸(HN3)，或对实验条件要求较高的反硝化细菌。 (2)为了量化大气氮沉降对土壤氮循环的影响，本研究分析了干旱区（敦煌采样点）和半干旱区（通榆采样点）大气气溶胶中无机氮离子的浓度和同位素组成。结果表明，半干旱区(142 mm＜MAP＜436 mm)中大气气溶胶无机氮浓度显著高于干旱区(36 mm＜MAP＜102 mm)，两个区域中铵态氮是主要组分。大气气溶胶中无机氮离子浓度的季节动态基本表现为冬季最高，夏季最低。大气气溶胶中无机氮δ15N表现为干旱区显著高于半干旱区，干旱区铵态氮δ15N值高于硝态氮δ15N值。干旱区和半干旱区铵态氮和硝态氮的δ15N值的季节动态基本表现为夏季最高，冬季最低。 (3)干旱区土壤铵态氮δ15N(-1.2～20.2‰)显著高于半干旱区(-13.9～12.6‰)，算术平均值分别为9.2‰和-0.3‰。半干旱区硝态氮δ15N(-1.2～23.4‰)显著高于干旱区(0.5～19.2‰)，算术平均值分别为8.4‰和6.3‰。土壤铵态氮δ15N表现为随降水的增加而减小，而土壤硝态氮δ15N在干旱区随降水的增加而增加，在半干旱区随降水的增加而减小。尽管干旱区的土壤总氮库较小，干旱区较半干旱区有更高的土壤无机氮有效性，土壤硝态氮表现尤为明显（高达1400 mgN kg1），这很大程度上与大气氮沉降的累积有关。此外，较高的pH造成的氨挥发是干旱区氮损失的重要途径。半干旱区的水分有效性增加土壤氮矿化过程，植物氮吸收和微生物的反硝化作用是主要的氮消耗形式。 (4)厌氧氨氧化(anammox)作用在研究区域矿质土壤中普遍存在。Anammox产生N2的速率在干旱区（0～14.9 nmol N g-1干土h-1）和半干旱区(0～11.7 nmol Ng-1干土h-1)范围基本一致，随降水变化没有明显规律。尽管如此，本研究中检测到的anammox速率和农田土壤，甚至海底沉积物中发现的anammox速率大小相当。反硝化作用是N2产生的主要途径，在半干旱区（4.4～65.0 nmolNg-1干土h-1）显著高于干旱区（0.1～54 nmol N g-1干土h-1），并且反硝化速率在半干旱区随降水量的增加而增加，表明水分有效性可能是反硝化作用的主要影响因素。相对于总氮库大小，干旱区（872μg15N g-1 N h-1）比半干旱区(368μg15N g-1 N h-1)有更高的氮气损失速率，表明增加的降水可能造成干旱生态系统较大的瞬时性氮损失。 (5)生长在干旱区的植物，多具有较高的叶片氮含量和δ15N，而生长在半干旱区的植物，多具有较低的叶片氮含量和δ15N。针茅属（Stipa spp.）、隐子草属（Cleistogenes spp.）和红砂属（Reaumuria spp.）植物叶片的δ15N与土壤铵态氮的δ15N的正相关关系以及同位素混合模型的结果表明，土壤的铵态氮可能是它们的主要氮源。随降水量的增加，优势植物没有改变主要氮源，因此植物δ15N随降水变化的分布格局可能是主要氮源δ15N的格局决定的。