生态系统对全球变化的响应是全球变化生态学研究的焦点与前沿，也是国家应对气候变化对策的科学基础。准确预测生态系统对全球变化的响应依赖于对陆地碳氮循环调控机理的深入解析。研究组利用全球观测数据的整合分析，结合长期定位站的控制实验，对陆地生态系统碳氮循环响应全球变化进行了系统研究，2020年取得了系列研究成果。
将氮循环过程引入陆地模型有助于准确预测未来植被动态和气候变化潜力，但已有的关于氮循环过程的研究多停留在微观尺度，直接将微观尺度获得的氮循环过程的经验范式推广到全球尺度使模型预测结果的不确定性增大，因此在全球尺度探讨土壤氮循环过程的宏观模式势在必行。基于全球尺度观测数据的整合研究，研究组发现全球土壤净氮矿化速率的宏观格局主要由微生物生物量决定，气候和土壤因子通过影响微生物生物量而对矿化速率产生影响（Li et al. 2019. Global Change Biology)，并在此研究基础上，进一步揭示了土壤微生物生物量的C:N比决定了土壤氮矿化代谢熵的大小，进而决定氮矿化速率（Li et al., 2020, Environmental Research Letters）。虽然在全球尺度上，土壤硝化速率主要受控于底物含量变化，但土壤微生物量的改变也强烈作用于土壤硝化过程（Li et al., 2020, Global Change Biology）。不同生态系统的氮周转速率不同，农业生态系统氮周转速率高于草地和湿地生态系统，土壤氮周转主要受控于年均温和土壤粘粒含量的作用（Li et al., 2020, Earth-Science Reviews）。通过进一步整合分析全球氮添加控制实验，研究组发现土壤氮同化速率在低氮和高氮情况下响应不同：低氮情况下铵同化被抑制，硝同化不受影响；而高氮情况下铵、硝同化均被促进（Song et al. 2020, Global Biogeochemical Cycles）。上述系列研究成果为宏观尺度氮循环的准确模拟提供了理论依据和参数验证。基于前期研究，研究组总结了生态大数据背景下整合生态学的研究机遇和面临的挑战（Niu et al. 2020, Science in China-Earth Science; Xia et al. 2020, Global Change Biology)，促进了宏观生态学的发展。
为了揭示陆地生态系统响应全球变化的过程机理，研究组利用全球变化控制实验进行长期定位研究。利用在“若尔盖高寒湿地生态站”建立的一系列全球变化控制实验，揭示了高寒生态系统结构和功能响应全球变化的关键过程机理。以往高寒地区模拟增温控制实验主要关注CO2通量且集中于生长季，很少考虑CH4和N2O通量以及年尺度上三种温室气体平衡对气候变化的响应。利用青藏高原高寒草甸增温实验，研究组发现增温2.5oC显著增加CH4吸收，降低N2O释放（Wang et al. 2021, Agricultural and Forest Meteorology）。当进一步同时考虑三种温室气体（CO2、CH4、N2O）平衡时，结果显示增温2.5oC使生态系统从一个净的温室气体汇转变为源，且增温引起的温室气体源汇关系的转变主要由非生长季CO2释放增加导致的（Wang et al. 2021, Science of the Total Environment）。同时， 基于涡度塔的观测，揭示了高寒草甸CH4通量和GPP之间的时滞关系是由光合有效辐射与大气温度的时滞关系所导致的“假象”，而非以往研究认为的光合产物分配、传输和分泌到根部的底物利用时滞引起的(Chen et al., 2020, Agricultural and Forest Meteorology)。这些发现对于改进地球系统模式、预测生态系统温室气体通量对全球变暖的响应具有重要意义。此外，基于野外增温实验，发现增温引起的植被生产力分配变化决定了生态系统水分利用效率的响应(Quan et al., 2020, Environmental Research Letters)；同时揭示了增温改变生态系统生产力的时间稳定性及其背后的一系列调控基质，如物种多样性，群落补偿动态，种群稳定性及优势物种稳定性等 (Quan et al., 2020, Journal of Ecology)。
基于长期氮添加梯度控制实验，研究组验证并量化了高寒草甸生态系统氮饱和阈值，并比较了驱动氮饱和4种潜在机制的相对贡献（铵毒、光竞争、多样性丢失、土壤酸化）。结果显示高氮添加处理下，ANPP氮饱和的主要是由光限制引起的物种丰富度下降所导致的（Ma et al., 2020, Journal of Geophysical Research: Biogeosciences），而低氮情况下氮饱和的驱动机制是光限制。相反，在氮富集背景下缓解光限制对物种多样性和生态系统碳汇均有显著的促进作用（Ma et al., 2020, Agricultural and Forest Meteorology）。研究还发现，生态系统稳定性的主导机制也随氮添加水平发生变化（Ma et al., 2020, Ecosystems）。上述研究结果挑战了物种多样性是影响草地群落生产力和稳定性的传统认知，也对草地生产力的可持续管理提供理论参考。另外，研究组参与评估了CO2浓度升高对成熟林碳循环的施肥效应和过程机理（Luo & Niu 2020, Nature)，揭示了增温对高草草原生态系统碳循环影响的微生物学机制 (Guo et al. 2020, Nature Communications)。控制实验方面的系列研究成果阐明了生态系统响应全球变化的生物调控机理，提升了对生态系统与气候变化反馈关系的认识，丰富了全球变化生态学的理论基础，同时为碳循环模型提供参数依据和实验证据。
上述研究受到国家自然科学基金委员会杰出青年基金(31625006)和基础科学中心(31988102)等项目的资助。
相关发表文章：
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