沈阳生态所等揭示降水变化对植物生产力的影响及其机制
化石燃料燃烧和土地利用等人类活动向大气排放了大量的二氧化碳，导致了全球变暖，也从而改变全球水文循环。模型模拟显示全球和区域尺度上未来的降水格局还将发生显著的变化。例如，政府间气候变化专门委员会第五次评估报告显示北半球中纬度地区降雨量会增加、降雨量的年际间变异以及极端降雨事件的频率也会增加。在干旱半干旱地区，降水增加很可能会提高植物生产力和生态系统碳吸存，因而减缓未来气候变化。但是有关降雨对生产力的影响证据主要来自多地区或者相同地区多年份的自然降雨梯度实验、或者降水变化短期的控制实验（<5年）。降雨增加是否持久提高草地生态系统植物生产力仍然不清楚。
中国科学院沈阳应用生态研究所方运霆和姜勇两个团队与中国科学院植物研究所韩兴国团队等合作，通过在中科院多伦恢复生态学实验站内蒙古典型草原进行十年的水分和氮素添加控制实验，发现在实验处理前六年，降雨增加显著提高植物生产力、土壤可利用氮和叶片氮含量。但是，在接下来的四年，降雨增加不再提高植物生产力以及土壤和植物氮含量。然而在水氮同时添加的处理中，植物生产力持续增加，土壤可利用氮和叶片氮含量也持续增加（图1）。该研究结果表明在长期的降水增多后，氮供给限制了水分对植物生产力的促进作用，也表明过去的模型高估了降水对草地生态系统生产力和碳吸存的作用。通过对植物和土壤、土壤铵态氮和硝态氮的稳定同位素自然丰度的进一步研究，发现实验后期降雨增加导致氮损失增多，其中反硝化作用很可能是氮损失的重要途径，从而加剧了氮供给对植物生长的限制（图2）。这些结果表明草地生态系统对长期降雨增加的响应格局受土壤氮可利用性的调节，长期降雨增加会导致半干旱地区从水氮共同限制转变为氮独立限制，也表明气候变化将诱导生态系统资源限制类型发生改变。
该成果于3月30日在线发表于《生态学专论》（Ecological Monographs）。方运霆团队的任海燕和姜勇团队的徐柱文为论文共同第一作者，方运霆为通讯作者。该研究得到了国家重点研发项目、中科院战略先导项目、国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。
图1.水分和氮添加对内蒙古典型草地生态系统净初级生产力（A）、土壤可利用氮含量（B）和植物氮浓度（C）的影响。Control、Water、N和Water + N分别表示对照（不加水也不加氮）、水分添加、氮添加、水分和氮同时添加四个处理。
图2.水分和氮添加对内蒙古典型草地植物和土壤稳定同位素特征的影响。处理八年后，水分添加、氮添加或水分氮同时添加处理都增加植物、土壤、土壤铵态氮和铵态氮15N自然丰度，说明这些处理加速了的土壤氮循环和氮损失。土壤硝酸盐18O和15N自然丰度的相关性能说明反硝化作用（气态氮损失主要途径）的发生，因为反硝化作用发生会导致剩余没有被利用的硝酸盐18O和15N自然丰度按0.5到1的比例增加（本研究的比例是0.56）。
