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为探究人为活动导致的活性氮（N）输入对生态系统的影响，研究人员在温带草原开展 13 年氮添加梯度实验，发现中高剂量氮添加下生态系统氮库未显著增加，土壤无机氮浓度上升。该研究为评估氮沉降对碳储存和水体污染的影响提供科学依据。
氮元素作为生命活动的关键要素，在地球生态系统中扮演着举足轻重的角色。然而，人类活动如化石燃料燃烧、农业化肥滥用等，正以前所未有的速度向环境中释放大量活性氮。据统计，全球每年通过人为途径输入的活性氮已远超自然来源总和，由此引发的生态问题日益凸显：一方面，氮沉降可能刺激植物生长并促进碳（C）储存，成为缓解气候变化的潜在途径；另一方面，过量氮输入可能导致土壤无机氮积累、淋溶加剧，进而威胁水质安全，尤其在沙质土壤或贫瘠生态系统中更为显著。然而，氮添加速率如何影响生态系统的氮保留与损失平衡，不同氮输入水平下植物 - 土壤系统的响应机制尚不明确，这制约了对全球氮循环模型的准确预测。
为破解上述科学难题，美国明尼苏达大学（University of Minnesota）的研究团队在《Ecosystems》发表研究论文，以温带草原为研究对象，开展了长达 13 年的氮添加梯度实验（0-10 g N?m?2?year?1），覆盖全球主要氮沉降范围，系统分析了氮分配、保留及损失的动态过程。研究旨在明确氮添加速率对生态系统氮库（植物地上 / 地下生物量、凋落物、土壤）的影响，揭示氮饱和阈值及关键损失途径，为预测氮沉降的生态效应提供长期实验数据支撑。
主要研究方法
- 实验设计：采用随机区组设计，设置对照（0 g N?m?2?year?1）、低（1 g）、中（5 g）、高（10 g）四档氮添加处理，以尿素模拟氮沉降，同时设置养分添加（NPK）和食草动物排除实验作为对照。
- 生物量与养分测定：每年收获地上生物量和凋落物，测定碳（C）、氮（N）含量；采集土壤样品分析无机氮（NH??、NO??）浓度及土壤碳氮储量。
- 氮通量与损失评估：利用离子交换树脂捕获土壤无机氮，评估淋溶潜力；通过封闭 chamber 法测定 N?O 和 NH?排放通量；分析昆虫和大型食草动物对生物量的影响。
- 统计分析：运用混合效应模型和多模型平均法，量化氮添加速率与氮积累、损失的关系，识别关键影响因子。
研究结果
1. 氮添加对生态系统氮库的影响
尽管植物组织氮含量随氮添加显著增加（如地上生物量氮浓度提高约 30%），但生态系统总氮库（植物 + 凋落物 + 土壤）在中高剂量处理（5-10 g N?m?2?year?1）下并未显著高于对照。这是由于氮添加导致根系生物量减少，抵消了组织氮浓度的提升效应。此外，土壤碳含量是预测生态系统氮库的关键因子，表明碳氮耦合关系对氮保留至关重要。
2. 氮回收率与损失途径
氮回收率（净氮积累 / 累积氮输入）随添加速率显著下降：低剂量处理（1 g）回收率接近 100%，而高剂量处理（10 g）仅为 26%。损失途径分析表明，土壤无机氮（尤其是 NO??）浓度随氮添加呈指数增长，N10 处理中 NO??浓度较对照升高 50 倍，揭示沙质土壤中氮淋溶风险显著增加。此外，食草动物对地上生物量的取食效应在氮富集条件下增强，可能进一步加剧氮流失。
3. 群落结构与功能响应
氮添加导致植物群落根冠比降低，促进一年生植物占比上升，根系周转速率加快。尽管凋落物氮含量未显著变化，但高氮处理下凋落物分解初期的氮释放速率提高，可能加速氮循环而非长期储存。微生物生物量和分解酶活性对氮添加响应不显著，表明微生物驱动的氮固定或矿化过程并非主要调控机制。
结论与讨论
本研究首次通过长达 13 年的野外实验证实，温带草原生态系统的氮保留能力存在显著阈值：当氮添加速率超过 5 g N?m?2?year?1 时，系统进入氮饱和状态，新增氮输入主要通过淋溶和生物取食损失，而非储存于植物或土壤中。这一结果挑战了 “氮添加必然促进碳氮储存” 的传统认知，尤其在沙质、低肥力土壤中，高氮沉降可能导致地下水污染等环境问题。
研究结果对全球变化背景下的生态系统管理具有重要启示：
- 氮沉降热点区域风险预警：在北美中西部、东亚等氮沉降速率较高的沙质草原区，需警惕氮淋溶引发的水质恶化。
- 碳汇评估修正：传统模型可能高估氮富集对草原碳储存的促进作用，实际碳汇能力受土壤质地、水分等多重因素制约。
- 生态恢复策略优化：在退化草原修复中，需综合考虑氮输入水平与土壤碳氮平衡，避免过量施肥导致生态系统功能失衡。
该研究通过长期数据揭示了氮添加速率与生态系统响应的非线性关系，为构建更精准的全球氮循环模型提供了关键参数，也为可持续农业和环境保护政策制定提供了科学依据。未来研究需进一步拓展至不同气候带和土壤类型，深入解析氮 - 碳 - 水耦合循环的驱动机制。
