肥和水是植物生长的关键调控因子，也是草地和农业生态系统的重要管理对象。氮沉降和氮肥施用增加了陆地生态系统的活性氮输入，从而改变了植物群落结构和生态系统功能。植物生长随干旱度增加通常呈现出非线性的响应。当干旱度超过某一临界点（称之为干旱阈值），植物生长和覆盖度将锐减，可能引起植被退化。氮肥如何改变植物的干旱阈值知之甚少。化肥氮通常增加植物生物量，导致物种竞争、土壤属性改变，从而降低物种多样性。有机肥同样也增加植物生物量，但其能否缓解生物量和多样性间的权衡尚不明确。

近期，National Science Review《国家科学评论》和Nature Communications期刊发表了兰州大学生态学院、草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室的研究成果，揭示氮肥和有机肥对草地农业生态系统的影响差异。兰州大学生态学院博士生李海玲和硕士生石廷帅分别为两项研究的第一作者，叶建圣教授为通讯作者。合作者包括麻省理工学院、阿利坎特大学、北京大学、巴塞罗那自治大学、普林斯顿大学、新墨西哥大学的研究人员。

在题为“Nitrogen additiondelays the emergence of an aridity-induced threshold for plant biomass”的研究中，研究团队基于实测和遥感数据，发现当干旱度超过0.49这一阈值，即潜在蒸散发超出降水量的49%，也是从半湿润气候向半干旱气候的过渡区，植物地上生物量急剧下降。氮肥显著提高草地群落地上生物量，并延迟干旱阈值至0.55（图1）。若不考虑氮效应，预测到2100年超过干旱阈值的陆地面积将增加2.9%。干旱将会导致植物地上生物量总体减少1.72Pg（Pg: 十亿吨）；考虑氮肥效应，氮沉降将使地上生物量增加1.04Pg。同时考虑干旱和氮沉降的影响，预测到2100年超过干旱阈值的陆地面积只增加0.3%，地上生物量减少0.68Pg（图2）。因此，氮肥可通过“以肥调水”的方式延缓干旱对植物生物量的负面影响。

图1：氮肥对植物地上生物量及其干旱阈值的影响。

图2：在温室气体高排放情景下，预测到2100年干旱(a)、氮沉降(b)及干旱和氮沉降联合效应(c)对植物地上生物量的影响。

在题为“A global meta-analysis on the effects of organic and inorganic fertilization on grasslands and croplands”的研究中，研究团队整合全球超过5000组施肥实验实测数据，发现化肥和有机肥均显著增加草地群落地上生物量，但只有化肥导致物种多样性降低，有机肥略微增加物种多样性（图3）。有机肥对物种丰富度的效应随土壤水分而增强，土壤水分对物种丰富度具有正向调节作用（图4）。研究提出，施肥增加植物生物量，从而加剧物种对水分的竞争和植物多样性降低。有机肥增加土壤有机碳是无机肥的近10倍（图3），提升土壤有机质，从而起到“以肥蓄水”的作用，极大缓解了植物对水分的竞争，因而不降低植物多样性。有机肥对草地土壤有机碳的效应随年均温而增强，而对农田土壤有机碳的效应随年均温而减弱。因此，在全球变暖的背景下，有机肥对草地土壤有机碳的作用将增强。本项研究表明，有机肥可作为基于自然的解决方案以提高草地植物生物量、土壤有机碳，避免植物多样性降低。

图3：化肥和有机肥对草地植物生物量、多样性、土壤有机碳的影响差异。

图4：沿环境梯度，草地地上生物量、物种丰富度对有机肥的响应。MAT为年均温，Org有机肥添加量，TN土壤总氮含量，N氮添加量，P为磷添加量，SBD为土壤容重，SCEC为土壤阳离子交换性，SWC为土壤水分。

图5：沿环境梯度，草地（棕色）和农田（蓝色）土壤有机碳对有机肥的响应。SOC土壤有机碳，SOC初始土壤有机碳，MAT为年均温，Org有机肥添加量，TN土壤总氮含量，pH为土壤酸碱度。

上述研究得到了第二次青藏高原综合考察研究课题、中央高校基本科研业务经费、“111”创新引智计划、国家级人才项目科研经费等的资助。

 

论文链接：

Nitrogen addition delays the emergence of an aridity-induced threshold for plant biomass

A global meta-analysis on the effects of organic and inorganic fertilization on grasslands and croplands