化石燃料燃燒和土地利用等人類活動向大氣排放了大量的二氧化碳，導致了全球變暖，也從而改變?nèi)蛩难h(huán)。模型模擬顯示全球和區(qū)域尺度上未來的降水格局還將發(fā)生顯著的變化。例如，政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告顯示北半球中緯度地區(qū)降雨量會增加、降雨量的年際間變異以及極端降雨事件的頻率也會增加。在干旱半干旱地區(qū)，降水增加很可能會提高植物生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)碳吸存，因而減緩未來氣候變化。但是有關降雨對生產(chǎn)力的影響證據(jù)主要來自多地區(qū)或者相同地區(qū)多年份的自然降雨梯度實驗、或者降水變化短期的控制實驗（<5年）。降雨增加是否持久提高草地生態(tài)系統(tǒng)植物生產(chǎn)力仍然不清楚。
中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所方運霆和姜勇兩個團隊與中國科學院植物研究所韓興國團隊等合作，通過在中國科學院多倫恢復生態(tài)學實驗站內(nèi)蒙古典型草原進行十年的水分和氮素添加控制實驗，發(fā)現(xiàn)在實驗處理前六年，降雨增加顯著提高植物生產(chǎn)力、土壤可利用氮和葉片氮含量。但是，在接下來的四年，降雨增加不再提高植物生產(chǎn)力以及土壤和植物氮含量。然而在水氮同時添加的處理中，植物生產(chǎn)力持續(xù)增加，土壤可利用氮和葉片氮含量也持續(xù)增加（圖1）。該研究結果表明在長期的降水增多后，氮供給限制了水分對植物生產(chǎn)力的促進作用，也表明過去的模型高估了降水對草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳吸存的作用。通過對植物和土壤、土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的穩(wěn)定同位素自然豐度的進一步研究，發(fā)現(xiàn)實驗后期降雨增加導致氮損失增多，其中反硝化作用很可能是氮損失的重要途徑，從而加劇了氮供給對植物生長的限制（圖2）。這些結果表明草地生態(tài)系統(tǒng)對長期降雨增加的響應格局受土壤氮可利用性的調節(jié)，長期降雨增加會導致半干旱地區(qū)從水氮共同限制轉變?yōu)榈毩⑾拗?，也表明氣候變化將誘導生態(tài)系統(tǒng)資源限制類型發(fā)生改變。
該成果于2017年3月30日在線發(fā)表在生態(tài)學著名期刊《Ecological Monographs》（生態(tài)學專論）。該雜志為美國生態(tài)學會旗下的權威期刊，每年發(fā)表30篇左右的學術論文。方運霆團隊的任海燕博士和姜勇團隊的徐柱文博士為論文共同第一作者，方運霆研究員為通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)項目、中科院戰(zhàn)略先導項目、國家自然科學基金和中國博士后科學基金的資助。
圖1.水分和氮添加對內(nèi)蒙古典型草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力（A）、土壤可利用氮含量（B）和植物氮濃度（C）的影響。Control、Water、N和Water + N分別表示對照（不加水也不加氮）、水分添加、氮添加、水分和氮同時添加四個處理。
圖2.水分和氮添加對內(nèi)蒙古典型草地植物和土壤穩(wěn)定同位素特征的影響。處理八年后，水分添加、氮添加或水分氮同時添加處理都增加植物、土壤、土壤銨態(tài)氮和銨態(tài)氮15N自然豐度，說明這些處理加速了的土壤氮循環(huán)和氮損失。土壤硝酸鹽18O和15N自然豐度的相關性能說明反硝化作用（氣態(tài)氮損失主要途徑）的發(fā)生，因為反硝化作用發(fā)生會導致剩余沒有被利用的硝酸鹽18O和15N自然豐度按0.5到1的比例增加（本研究的比例是0.56）。
