长期氮富集抵消温带草原降水增加对土壤呼吸的促进作用及其机制解析

本研究通过19年野外控制实验揭示：降水增加显著促进土壤呼吸（Rs）及其组分（异养呼吸Rh和自养呼吸Ra），但长期氮沉降通过抑制β-葡萄糖苷酶（BG）活性、碳降解功能基因（apu）丰度及植被结构（物种丰富度、叶面积和叶片C:N比）抵消了86.7%的促进作用。该发现为全球变化背景下草地碳循环预测提供了关键机制性见解。

　　

Highlight

氮富集抵消了降水增加对土壤呼吸的促进作用：基于19年温带草原实验的机制解析

研究地点

本研究在内蒙古多伦县温带草原开展（北纬42°02′，东经116°17′，海拔1324米）。该地区1953–2023年间年均温2.4°C，年降水量380.7毫米。研究期间（2021–2023年）年降水量呈下降趋势（2021年：458.5毫米；2022年：273.3毫米；2023年：263.9毫米），年均温则持续上升（2021年：3.33°C；2022年：3.85°C；2023年：4.12°C）。

氮和降水对土壤呼吸及其生物与非生物因子的影响

历时三年的观测显示：降水添加使Rh、Ra和Rs分别显著提升29%、22%和24%，而氮沉降则使三者降低15%、36%和25（均P < 0.001）。氮与降水处理间无显著交互作用（P > 0.05），表明长期氮沉降完全消除了降水对Rs的促进作用。具体而言，氮添加抵消了降水对Rs促进效应的86.7%，仅保留13.3%的增益效果（图1）。氮沉降还显著削弱降水对Rh和Ra的刺激作用（图1）。

讨论

本研究首次通过长期实验证明：氮沉降通过生物化学途径和群落重构抵消降水引起的土壤碳释放增强。氮沉降主要通过降低BG活性和碳降解功能基因（apu）丰度抑制Rh，而Ra的减少则与物种丰富度下降、叶片碳氮比（C:N）降低及叶面积增加密切相关。这一发现为理解全球变化背景下草地碳循环的响应机制提供了关键实验证据。

结论

19年实验表明，降水增加显著促进Rs及其组分（Ra和Rh），但氮沉降几乎完全抵消这种促进作用。Rh主要受土壤湿度、BG活性和apu基因丰度调控，而Ra则由土壤湿度、叶片C:N比、叶面积和物种丰富度共同驱动。本研究结果虽源于特定温带草原，但为预测全球变化背景下草地碳循环提供了重要机制依据。