基于一项长期的野外实验和一项元分析，十年间的气候变暖与降水量增加相互作用，共同影响了氮氧化物的排放

《Functional Ecology》：Decadal warming and increased precipitation interactively affect N2O emissions based on a long-term field experiment and a meta-analysis

增温与降水增加通过改变土壤微环境及微生物群落结构，显著影响青藏高原高海拔草甸的N?O排放。实验表明单独增温或降水增加分别使N?O排放增加36.2%和23.9%，但二者交互作用呈现拮抗效应，总排放增加44.1%。研究揭示土壤温度、有机碳及nirS基因丰度是主要驱动因素，且微生物群落功能多样性受气候变率调控。全球元分析（纳入75个观测数据）显示交互效应表现为加性，但存在显著的生态系统异质性。

　　全球变暖和降水模式的改变对陆地生态系统中的氧化亚氮（N?O）排放具有深远影响。然而，这些全球变化因素之间的交互作用对N?O排放的影响尚不明确。本文通过整合一项为期十年的青藏高原高山草甸田间实验和一项全球元分析，探讨了温度升高和降水增加如何共同驱动N?O排放。研究结果表明，温度升高和降水增加分别使N?O排放增加了36.2%和23.9%，但降水的增加在一定程度上抑制了温度升高对N?O排放的促进作用，显示出两者之间可能存在拮抗效应。此外，土壤的理化性质（如土壤含水量、温度和pH值）以及反硝化微生物群落共同调控了N?O的排放，其中土壤反硝化菌（特别是nirS基因的丰度和群落组成）在N?O通量的调控中起关键作用，强调了微生物机制在气候变化背景下对N?O排放的调节作用。元分析整合了75项观测数据，揭示了温度升高、降水增加以及两者的交互作用分别使N?O排放增加了4.5%、18.6%和9.4%。

N?O是一种重要的温室气体，其对全球辐射强迫的贡献约为6.2%，并且对平流层臭氧层的破坏具有显著影响。因此，理解N?O的排放机制对于评估气候变化对温室气体通量的影响至关重要。土壤中的N?O排放主要由硝化作用和反硝化作用两个生化过程驱动，这两个过程在土壤生态系统中紧密相连。温度升高可以通过加速植物残体和土壤有机质的分解，提高土壤中矿质氮的可用性，从而促进N?O的排放。而降水的增加则通过提高土壤含水量，加速有机质的分解，并增加反硝化过程的底物可用性，进而提高N?O的排放。

在田间实验中，我们观察到温度升高和降水增加对土壤理化性质和N?O排放产生了显著影响。具体而言，温度升高显著增加了土壤硝酸盐氮（NO??–N）和溶解性有机氮（DON）的含量，而降水增加则显著提高了土壤含水量，同时增加了土壤中的NH??–N、NO??–N和DON的含量，但降低了土壤pH值。值得注意的是，温度升高与降水增加的交互作用在土壤温度和溶解性有机碳（DOC）上表现出显著的抑制效应，这表明降水的增加可能在一定程度上抵消了温度升高对N?O排放的促进作用。尽管在统计上没有显著的交互效应，但通过Hedges' d?效应大小分析，我们发现这种交互作用具有拮抗性质，即降水的增加减弱了温度升高对N?O排放的刺激效果。

在微生物群落层面，研究发现温度升高和降水增加显著影响了土壤中反硝化相关功能基因的丰度和微生物群落的结构。例如，温度升高显著增加了nirS和nirK基因的丰度，这些基因编码硝酸盐还原酶，参与反硝化过程并促进N?O的产生。降水增加则显著提高了nirS和nosZ基因的丰度，后者编码N?O还原酶，有助于N?O的减少。然而，尽管降水增加了nosZ基因的丰度，表明反硝化过程可能更加完整，但整体N?O排放的增加仍暗示了不完全反硝化过程的主导地位，尤其是在频繁的水分添加条件下。这可能与土壤含水量和DOC的变化有关，这些变化可能影响了氧扩散和氧化还原动态，从而降低了反硝化效率并削弱了微生物群落间的相互作用。

此外，微生物群落的结构变化在N?O排放的调控中也起到了重要作用。通过微生物网络分析，我们发现温度升高和降水增加对N?O通量与功能基因OTUs之间的联系产生了削弱效应，这表明环境扰动可能扰乱了微生物群落结构，从而解耦了调控N?O生成的微生物相互作用。这种解耦可能源于某些关键微生物类群在N?O生成和减少过程中的主导作用，导致整个网络的连通性和功能冗余减少。因此，微生物群落的组成和相互作用在气候变化背景下对N?O排放具有显著的调节作用。

在元分析中，我们发现温度升高和降水增加对N?O排放的促进作用，以及两者交互作用的加性效应。这一结果与田间实验中的拮抗效应形成对比，显示出不同生态系统和实验设计下，温度升高和降水增加的交互作用可能存在差异。这可能与研究地点、生态系统类型和实验条件的多样性有关。元分析结果表明，在大多数研究中，温度升高和降水增加对N?O排放的影响是相对独立的，这提示我们，未来的气候情景下，这些因素可能以不同的方式共同作用于N?O排放。

尽管本研究提供了重要的见解，但仍然存在一些不确定性。例如，我们对非生长季节N?O排放的响应机制了解有限，而季节性的冻融循环已被证明在典型草原中主导了年际N?O通量。因此，未来的研究需要进一步探索非生长季节的N?O排放动态，以提高对年际通量估算的准确性。此外，尽管我们识别了反硝化微生物在调控N?O通量中的关键作用，但这些微生物在动态环境条件下的功能活动仍需进一步研究。通过整合宏转录组学或同位素追踪等方法，可以更直接地评估这些微生物的基因表达模式及其对N?O生成和减少的实际贡献。

综上所述，本研究揭示了温度升高和降水增加对N?O排放的复杂影响及其交互作用。田间实验和元分析的结果表明，这些全球变化因素可能在不同生态系统中表现出不同的效应模式，强调了生态系统特异性在评估气候变化对温室气体通量影响中的重要性。为了更准确地预测未来气候情景下的N?O排放，需要在不同气候区域和生态系统中进行更多多因素实验，以更好地理解多种全球变化因素的综合和交互作用。这将有助于提高地球系统模型的预测能力，从而为应对气候变化提供更科学的依据。