凋落物分解是森林碳循环和全球碳平衡的关键环节之一，其分解特性影响森林生态系统的能量流动和物质循环。此外，凋落物分解是维持森林生产力与土壤肥力的关键驱动机制。有研究表明，氮元素是调控森林凋落物分解速率的关键因素，凋落物氮含量与分解速率的正相关关系已被广泛应用于生物地球化学循环和生态系统模型。这一结论主要是基于短期的凋落物分解研究，其分解周期通常小于3年。然而，凋落物分解是持续数年至数十年的缓慢过程，尤其在分解速率较为缓慢的温带森林和北方森林。目前，氮元素如何调控长期凋落物分解速率？氮含量与分解速率的正相关关系在分解后期是否可以维持？这一研究是否具有普适性规律？这些问题制约了森林生态系统凋落物管理工作的发展。

中国科学院沈阳应用生态研究所对中国东北温带森林的62种树木凋落物进行了长达10年的分解实验。结果表明，经过为期10年的分解，仍有20%左右的凋落物残留。凋落物分解初期，初始氮含量与分解速率呈正相关，氮含量较高的凋落物分解速率高于氮含量较低的凋落物。高氮含量凋落物前期快速分解积累的微生物残体可能是抑制后期分解的重要机制。而在分解时间达到第5年后，该模式发生逆转即凋落物初始氮含量与后期分解速率呈负相关。

为进一步验证氮元素与长期凋落物分解速率存在的上述“反转”现象，该团队通过对凋落物基质含量差异较大的2个不同树种即五角槭和蒙古栎的叶片添加氮肥，得到氮含量不同的凋落物样品，并放置到野外以进行长期凋落物分解。研究发现，即使对同一树种，氮含量较高的凋落物初期分解较快而后期分解速率较慢，也就是氮浓度与分解速率的正相关关系会随时间而发生“反转”。同时，为了揭示氮元素与长期凋落物分解速率存在的“反转”现象是否在温带森林和北方森林具有普适性规律，该研究建立了温带森林和北方森林120个物种、437个测定长期凋落物分解速率（分解周期大于5年）的数据库，发现了氮元素含量与后期残留的凋落物或分解速率趋近平衡的渐进值呈正相关，即氮元素与凋落物后期分解速率的负相关关系具有普适性规律。

该研究揭示了氮含量与凋落物初期分解速率存在的正相关关系到后期出现“反转”现象。这对现有生态系统模型和地球系统模型对氮-分解速率正相关关系的处理提出了挑战，并强调了长期凋落物分解研究的重要性。相关研究成果以General reversal of N-decomposition relationship during long-term decomposition in boreal and temperate forests为题，发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。该成果由沈阳生态所和美国杜克大学合作完成。