关于非休眠型苜蓿在冬季和春季期间耐受非生长季节地下水补给的能力

《Agricultural Water Management》：On the suitability of non-dormant alfalfa to tolerate off-season groundwater recharge during winter and spring periods

氮磷添加通过调节碳-水耦合机制影响荒漠草地生态系统响应。研究在宁夏盐池半干旱荒漠草原进行氮（10 g N m?2 yr?1）和磷（8 g P m?2 yr?1）单添加及复合添加试验，揭示降水对碳通量与水分利用效率的阈值调控效应。结果表明：单添加氮在降水充足时促进GEP并降低NEE，而磷添加则显著提高ER和GEP。复合添加在干旱条件下加剧氮磷竞争，导致W_G与iWUE负相关，且碳固定效率受土壤水分和温度双重制约。研究证实植物N/P比与iWUE呈正相关，但与生态系统W_G存在尺度依赖性 trade-off，为荒漠草地碳汇管理提供新视角。

　　在这项研究中，科学家们探讨了氮（N）和磷（P）对半干旱草原生态系统中碳-水耦合机制的影响。半干旱草原是全球碳储存和水循环的重要组成部分，同时也是受到氮和磷限制的主要生态系统之一。随着全球气候变化和人类活动的加剧，氮和磷的沉积正在迅速增加，这可能导致土壤中营养元素的不平衡，并进一步影响碳循环和水循环的动态平衡。本研究旨在揭示氮和磷输入对生态系统碳储存和水利用效率的影响，并探索降水如何调节这些影响。

### 研究背景

半干旱草原覆盖了全球约40%的陆地面积，是陆地生态系统中碳储存的重要组成部分。这些生态系统具有独特的特征，如植物群落简单、生产力低以及生态系统的脆弱性。氮和磷是植物生长和净初级生产力的关键营养元素，通常被认为是半干旱草原的主要限制因素。然而，氮和磷的沉积不仅增加了土壤的养分可用性，还可能导致生态系统的营养失衡，从而影响碳循环和水循环的相互作用。植物在应对这种营养供应的变化时，需要调整其生理机制和资源分配策略，以维持其生存和功能。

### 研究方法

本研究在宁夏大学位于中国陕西省的半干旱草原地区进行，采用随机区组设计实验，持续三年（2020-2022）。研究区域的气候特点是温和的大陆性气候，年平均温度为8.6°C，年平均降水为295.3毫米。实验选择了40个相同面积的样地，分为对照组（CK）、氮添加组（N）、磷添加组（P）和氮磷共同添加组（NP）。研究团队通过分析土壤中的有机碳、总氮、硝酸盐氮、铵态氮以及pH值，评估了氮和磷添加对生态系统碳-水循环的影响。

为了评估生态系统级别的碳通量，研究团队使用静态室法测量了净生态系统二氧化碳交换（NEE）、生态系统呼吸（ER）和总生态系统生产力（GEP）。同时，通过计算蒸散发（ET）和生态系统水利用效率（W_G），研究团队分析了植物对水的利用效率。在叶片水平上，研究团队利用碳同位素分析方法，评估了植物的内在水利用效率（iWUE），以反映植物对水分和养分变化的生理适应能力。

### 研究结果

研究结果显示，降水是调节氮和磷输入对生态系统影响的主要因素。在早期生长季节降水较多的情况下，氮磷共同添加增强了植物的内在水利用效率（iWUE），但对蒸散发（ET）和生态系统水利用效率（W_G）的影响较小。相反，在干旱条件下，氮磷共同添加削弱了iWUE的改善效果，但显著增强了ET和W_G的响应。这表明，氮磷输入对碳-水循环的影响具有非线性特征，并且受到降水模式的强烈调控。

在碳通量方面，研究发现总生态系统生产力（GEP）对净生态系统二氧化碳交换（NEE）的影响比生态系统呼吸（ER）更为显著，这表明光合作用是生态系统净碳储存的主要驱动因素。单独添加氮显著提高了GEP和ER，但降低了NEE。相比之下，氮磷共同添加会抑制GEP、ER和NEE的变化。单独添加磷则提高了GEP、ER和NEE，但氮磷共同添加条件下，磷对GEP和NEE的促进作用被削弱，而对ER的促进作用增强。

### 研究讨论

研究结果表明，氮磷添加对生态系统碳通量和水利用效率的影响具有显著的季节性。在2021年，早期生长季节的降水较多，氮磷共同添加增强了植物的内在水利用效率，同时对蒸散发和生态系统水利用效率的影响较小。然而，在2022年，由于早期生长季节降水较少，单独添加氮或磷的效果比共同添加更显著，这可能是由于微生物活动的增强导致了对养分的竞争。这些结果强调了氮磷输入对碳-水循环的非线性响应，并突出了降水在调节这些响应中的关键作用。

此外，研究还发现，氮磷添加对叶片水平的水利用效率（iWUE）和生态系统水平的水利用效率（W_G）的影响存在差异。在叶片水平上，氮磷添加通过改变叶片的氮磷比间接影响了水利用效率。而在生态系统水平上，由于土壤蒸发和冠层截留等因素的存在，水利用效率的响应更为复杂。这些结果表明，植物的生理调节机制和生态系统的结构特征在不同尺度上对水利用效率的影响不同。

### 研究局限与意义

尽管本研究提供了重要的见解，但仍存在一些局限性。例如，研究未测量植物叶片的结构特征，如比叶面积和气孔密度，这可能影响对植物水分利用效率和气孔敏感性的机制解释。此外，由于实验区域植被稀疏，研究团队无法分离蒸散发和植物蒸腾作用，这可能导致对生态系统水利用效率的估计存在不确定性。最后，研究仅覆盖了两个连续的生长季节，可能无法全面反映极端气候条件下的年际变化。

总体而言，本研究揭示了氮磷输入对半干旱草原生态系统中碳-水耦合机制的影响，并强调了降水在调节这些影响中的关键作用。研究结果对于理解未来全球变化背景下碳-水循环的动态变化具有重要意义，并为适应性草原和水资源管理提供了科学依据。未来的进一步研究可以结合同位素追踪、土壤微生物分析和长期通量监测，以更全面地揭示氮磷输入对碳-水耦合的机制。