大气氮沉降是一种长期、低剂量氮输入的全球气候变化，对陆地生态系统植被生产力的影响是持续的，理解和预测大气氮沉降对植被生产力的影响是热点问题。科学家们用施肥实验模拟大气氮沉降，普遍认为大气氮沉降可促进植被生产力提高。然而施肥实验是在单点尺度上实施的，单个实验的结果、规律难以推广到区域尺度，而大气氮沉降是在区域甚至更大尺度上，二者间尺度上的差异使大范围评估和量化大气氮沉降对植被生产力的影响成为难点，且暂未有研究解决此问题。
针对以上科学问题，肖春旺教授团队开展了相关研究，2023年11月10日，研究成果以“The response of grassland productivity to atmospheric nitrogen deposition in northern China”为题在线发表于国际学术主流期刊《Agriculture, Ecosystems & Environment》（中科院一区Top，IF = 6.6）上。
图1 本文科学问题概念图(a)、灰箱概念模型(b)及线性模型(c)
本研究在“灰箱”理论基础上构建了大气氮沉降与植被生产力之间的线性模型（图1c），提出了新的可满足区域尺度评估的新参数——大气氮沉降提高植被生产力的内禀性系数RN-int，定义为每单位氮沉降对植被生产力的提高量（gC gN-1）。基于中国北方草地86个地点的低剂量氮添加实验，研究了RN-int的区域变异规律，并结合本团队的大气氮沉降观测数据集估算了过去25年间因大气氮沉降而增加的植被生产力总量（图2）。
图2 研究样点图(a)、科学假设(b)及中国草地RN-int 的机制(c)
研究发现：中国北方草地中RN-int不存在区域变异，平均值为5.23 ± 0.59 gC gN-1，不同草地类型之间RN-int无显著性差异。植物通过调整吸收、利用氮的速率等生化过程使自身化学计量比保持在稳定状态。特别是在外界环境发生变化时（如大气氮沉降），这种化学计量内稳性的调控作用可以帮助植物在变化的环境中生存（图3）。
图3 大气氮沉降与ANPP之间的相关性分析和韦恩图结果
结合团队已有的大气氮沉降观测数据集，估算出1996至2020年间中国北方草地因大气氮沉降而增加的植被生产力总量（ANPPN）约为8.37 ± 0.51 Tg C yr-1。植被生产力总增量的空间格局由大气氮沉降格局决定，整体呈现出从西向东逐渐升高的趋势（图4）。
图4 1996至2020年间中国北方草地ANPPN的空间格局及总量
本研究以中国北方草地为例，利用新思路、新方法、新指标完成了区域尺度上大气氮沉降对植被生产力提高的量化，为其他国家或地区提供了估算大气氮沉降下植被生产力的新思路，并且新指标RN-int由于受化学计量内稳性的调控而十分稳定，可作为完善植被生产力模型的新参数。随着大气氮沉降模式的改变，预计未来大气氮沉降总量会趋稳以及沉降组分会改变，探索区域尺度上大气氮沉降对植被生产力的影响还须深入研究。
生命与环境科学学院2020级博士研究生王玉珏为本论文第一作者，我院肖春旺教授和中国科学院地理科学与资源研究所何念鹏研究员为共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划（2022YFF080210102）、国家自然科学基金（No. 31988102，32201311）和中科院青年科学家基础研究项目（YSBR-037）的资助。
