大气氮沉降增加与降水格局变化是影响草地碳循环的重要全球变化因素，但二者长期共同作用的结果及其机制仍缺乏充分认识。内蒙古大学生态与环境学院徐柱文教授团队依托内蒙古多伦温带草原自2005年开展的长期野外控制实验，持续添加氮（+10 g N m⁻² yr⁻¹）和水分（每个生长季增加180 mm，约相当于降水量增加50%），通过2020—2024年连续5年监测净生态系统二氧化碳交换量（NEE）、生态系统呼吸（ER）和总生态系统生产力（GEP），系统解析了氮、水变化影响草原碳通量的长期效应与作用路径。
研究发现，长期氮添加和降水增加均显著促进草原碳吸收与碳释放相关过程，但对GEP的促进幅度总体大于ER，最终增强了生态系统净碳汇功能。氮添加使ER和GEP分别提高15.45%和15.39%，对NEE的促进作用呈边缘显著；水分添加使NEE和ER分别提高13.09%和19.61%，并使GEP提高约10.17%（边缘显著）。更重要的是，氮与水分仅对ER表现出显著交互效应，说明碳释放过程对资源共同变化的响应不同于受植物光合特征和冠层结构调控的碳吸收过程。该结果提示，评估草原碳汇不能只看生产力或呼吸的单一变化，而应综合考察碳吸收与释放的平衡。
图1. 氮、水处理下生态系统净二氧化碳交换（NEE）、生态系统呼吸（ER）和生态系统总初级生产力（GEP）的季节动态
此外，研究团队汇总了研究区域26项相关研究进行荟萃分析，发现短期（1—5年）氮或水分处理对碳通量的影响相对有限，而持续时间较长的处理更容易显现促进作用；本研究的20年实验则显示，氮和水分增加对多项碳通量具有持续的正向影响。这说明短期观测可能低估全球变化因子对草原碳循环的累积影响，也强调了开展长期、多因子生态实验的必要性。
图2. 影响净生态系统二氧化碳交换（NEE）、生态系统呼吸（ER）和总初级生产力（GEP）的因子重要性分析
图3. 氮、水增加通过非生物和生物因子驱动净生态系统二氧化碳交换（NEE）、生态系统呼吸（ER）和总初级生产力（GEP）的结构方程模型
该研究将植物性状、土壤水分、养分、生产力和微生物过程纳入统一分析框架，揭示了氮、水调控碳通量的不同机制。结构方程模型显示，氮添加主要通过提高土壤无机氮、群落加权平均叶面积及优势种叶绿素含量促进NEE和GEP，水分添加则主要通过提高土壤水分和群落加权平均叶面积发挥作用，二者均可通过增加植物生产力等途径提高ER。随机森林分析进一步表明，土壤水分是解释NEE、ER和GEP变化的共同关键因子，凸显了水分条件在草原碳循环中的基础性作用。基于长期野外控制实验，本研究弥补了既往研究多依赖短期实验、难以识别累积效应和滞后响应的不足，证明了长期氮沉降和降水增加能够增强温带草原碳循环及净碳汇功能，为改进草原生态系统碳循环预测、评估气候变化下草原碳汇稳定性，以及制定兼顾氮输入与水分条件的草地管理策略提供了重要实验依据。
研究结果以“Two-Decade Nitrogen and Water Additions Stimulate Temperate Grassland Carbon Fluxes through Plant Trait Shifts and Soil Moisture Enhancement”为题，于2026年4月发表于环境领域顶刊 Environmental Science & Technology。内蒙古大学博士生田茹为论文第一作者，徐柱文教授为通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c12642
（初审：李子豪 复审：张庆 终审：胡利春）
