《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Contrasting temporal responses and hydrothermal associations of soil greenhouse gas fluxes under warming and prescribed fire in a temperate grassland
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摘要草原生态系统在全球碳循环中起着至关重要的作用。然而，不同的气候干扰如何影响土壤温室气体交换以及全球变暖潜力，目前仍不完全清楚。本研究旨在量化实验性升温与人工点火通过不同途径调节温室气体通量及其背后的水热驱动因素。我们在一片温带羊草草原开展了为期2年的野外实验，设置了中等强度（
摘要
草原生态系统在全球碳循环中起着至关重要的作用。然而，不同的气候干扰如何影响土壤温室气体交换以及全球变暖潜力，目前仍不完全清楚。本研究旨在量化实验性升温与人工点火通过不同途径调节温室气体通量及其背后的水热驱动因素。我们在一片温带羊草草原开展了为期2年的野外实验，设置了中等强度（+2℃）和强强度（+4℃）的升温处理，同时还进行了单次人工点火处理。实验结果显示，持续升温会以处理强度依赖的方式持续增加二氧化碳通量，在中等强度和强强度升温条件下分别增加了6.97%和13.88%。相比之下，人工点火会导致二氧化碳排放量暂时上升（在第7天达到26.2%的峰值），但在50天内就完全恢复到对照组的水平。一氧化二氮通量则未受到这两种干扰的影响。因此，全球变暖潜力从对照组的21.52毫克二氧化碳当量/平方米·小时逐渐上升到升温条件下的22.70毫克和23.97毫克二氧化碳当量/平方米·小时，而在火灾发生后则上升至24.81毫克二氧化碳当量/平方米·小时。变异分解分析表明，气温、土壤温度和土壤含水量共同解释了大部分全球变暖潜力的变化。值得注意的是，这种综合解释能力在升温过程中逐渐增强（从对照组的70.9%上升到强强度升温条件下的86.4%），但在火灾发生后再大幅下降（从85.0%降至69.1%）。这些发现表明，持续升温会加强全球变暖潜力与水热环境之间的关联，而火灾则会产生短暂的温室气体响应，从而削弱这种水热关联。本研究强调了在评估不同生态干扰下的气候反馈时，必须考虑温度与湿度的耦合效应，从而为相关研究提供了新的视角。
引言
根据IPCC 2021年的报告，到2100年，全球平均表面温度预计将上升1.5–4.4℃。这种持续的升温会增强土壤中的温室气体通量，可能引发正反馈循环，进一步加速全球气候变化（Bamminger等人，2018；Li等人，2020b）。二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的通量大小主要受温度驱动的土壤微生物活动以及植物生理反应所调控（Bréchet等人，2025）。例如，升温会通过增加根系呼吸作用以及加速有机碳的微生物分解，直接促进土壤中二氧化碳的释放（Treseder等人，2016）。不过，甲烷和一氧化二氮通量对升温的响应存在很大差异。由于升温会同时改变土壤湿度、温度以及养分供应状况，因此它对甲烷吸收和一氧化二氮排放的影响可能是正向的、负向的，也可能是中性的，这取决于甲烷生成/反硝化作用与土壤通气性之间的平衡状态（Yan等人，2022；Heinzle等人，2023）。这些不同的响应结果使得准确预测未来在逐渐升温背景下的草原温室气体平衡变得十分复杂。
除了逐渐升温之外，由于夏季日益干燥以及气候格局的变化，草原生态系统中的野火发生频率和严重程度也在迅速上升（Jones等人，2022；Pan等人，2025）。近期研究指出，像人工点火或野火这类突发性干扰所引发的生态系统碳和氮动态变化，其幅度可能与逐渐升温带来的变化相当（Masrur等人，2018）。火灾会通过清除植被覆盖、降低地表反照率以及沉积灰烬等方式，迅速改变土壤的物理、化学和生物特性，从而导致土壤温度和pH值暂时上升（Clayton等人，2025；Huang等人，2024）。这些突然的变化会严重干扰有机质的分解过程以及养分的储存，进而导致火灾发生后二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的排放出现大幅但变化较大的波动（Hermesdorf等人，2022；Zhu等人，2024）。虽然逐渐升温会长期改变土壤养分的可用性，但火灾后的温室气体释放则具有很强的短暂性，且很大程度上取决于土壤湿度、温度以及植被在数天到数月内的恢复情况（Sullivan等人，2011；Ludwig等人，2018）。
中国北方的草原在区域气候调节中发挥着重要作用，同时也是巨大的碳库。这些生态系统位于干旱和半干旱地区，对持续的升温以及偶发的火灾干扰极为敏感。然而，目前仍存在一个重要的研究空白：尽管已有许多研究分别探讨了单一因素对温室气体的影响，但关于逐渐升温与突发性火灾在不同程度上如何影响这些温室气体通量的整体气候效应，目前还缺乏对比性的野外研究证据。此外，最近的元分析也表明，温室气体通量很少由单一因素控制（Bond-Lamberty等人，2016），但目前仍不清楚在這两种不同的干扰条件下，气温、土壤温度和土壤含水量这些水热驱动因素各自的解释作用是如何变化的。
为填补这些研究空白，我们在一片温带羊草草原开展了为期2年的野外实验，同时研究了中等/强强度的实验性升温处理以及人工点火处理。本研究的目的是量化升温与火灾通过不同途径调节温室气体通量及其背后水热驱动因素的机制。我们的创新之处在于，不仅关注各种气体本身的通量变化，还计算了二氧化碳当量的全球变暖潜力，并通过变异分解分析的方法，明确了气温、土壤温度和土壤含水量在这些过程中的共同作用机制。我们提出了两个假设：（1）实验性升温与火灾都会增加土壤温室气体交换的整体气候效应，这一效应主要由以碳为主的温室气体通量（二氧化碳和甲烷）的变化所驱动，而非一氧化二氮；（2）在这两种干扰作用下，全球变暖潜力的变化主要受气温、土壤温度和土壤含水量这些共同的水热效应影响，而非任何单一的环境因素。
章节节选
研究地点
实验地点位于中国陕西省咸阳市杨陵区（北纬34°16′，东经108°07′，海拔540米）。该研究区域属于关中平原，属于暖温带季风半湿润大陆性气候。这里的年平均气温为12.9℃，无霜期约为211天。年平均降水量为635毫米，主要集中在7月至9月间，而年平均蒸发量则为800毫米。实验地
气象观测数据
实验性升温与人工点火处理显著提高了羊草草原近地面气温（p＜0.05；见图S1a、S2a）。与对照组相比，T1组和T2组使近地面平均气温分别上升了1.75℃和3.50℃。同样，人工点火处理也使处理区的表面气温比对照组高出1.62℃。火灾发生后的第一天，处理区的表面气温迅速上升，随后这一温度升高的幅度逐渐减弱。到第40天的时候
讨论
在深入探讨影响温室气体动态的具体机制之前，有必要结合实验观测结果重新审视我们最初提出的假设。我们的第一个假设认为，实验性升温与人工点火处理都会增加土壤温室气体交换的整体气候效应，这一效应主要由以碳为主的温室气体通量（二氧化碳和甲烷）的变化所驱动，而非一氧化二氮，这一假设得到了实验结果的充分支持。数据表明，无论是中等强度还是强强度的升温，都
结论
草原生态系统对全球碳循环具有重要意义，但它们所发挥的温室气体调节功能却越来越受到各种气候干扰的威胁。本研究突破了单一因素分析的局限，创新性地对比了持续升温与急性人工点火通过不同机制改变温室气体通量水热耦合关系的过程。实验结果表明，两种干扰方式引发了截然不同的响应：持续升温会导致二氧化碳通量持续上升，且上升幅度与处理强度密切相关
作者贡献说明
刘芳：文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿撰写，可视化处理。 Bing Haijian：资源协调，数据整理，概念构思。罗超义：文章撰写——审阅与编辑，方法设计，实验实施，资金筹集。韩峰鹏：资金筹集。李思琪：软件应用。李美瑞：文章撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了以下项目的共同支持：中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFF1308003和2023YFC3707400）、国家自然科学基金重点项目（项目编号：42330607）、国家自然科学基金（项目编号：42271064和42577277）、西藏自治区重点研发计划（项目编号：XZ202401ZY0095），以及中国中央高校基本科研业务费（项目编号：2452026062）。在此，我要特别感谢我的第一位合作者
Fang Liu|Meirui Li|Siqi Li|Fengpeng Han|Chaoyi Luo|Haijian Bing
中国陕西省杨陵市西北农林科技大学水土保持与荒漠化防治学院，水土保持与荒漠化防治国家重点实验室，邮编712100
