第1章总论
　　1.1研究意义
　　降水格局改变和大气氮沉降增加是全球变化的两个主要方面。全球变暖加速了水循环，导致降水量在全球范围内呈增加趋势，同时表现出时空分配不均以及极端事件频发等特点（IPCC，2021）。研究发现，我国西北地区西部生态区降水量呈增加趋势，而西北地区东部（如宁夏）降水量有所降低（Yang et al.，2020；高继卿等，2015；黄小燕等，2015；李明等，2021）。另外由于人类活动产生了大量含氮化合物，导致全球氮沉降增加。在我国，虽然自2010年以来氮沉降速率在许多发达省市有所下降，但在宁夏等欠发达地区呈增加趋势（Yu et al.，2019a）。降水通过改变土壤水分和养分有效性，调控着植物光合作用和微生物呼吸，因此其格局的改变直接影响着生态系统碳循环（王杰等，2014；杨青霄等，2017）。氮沉降使土壤有效氮增多，可以缓解植物氮限制，从而促进植物光合作用、提高植被生产力和碳储存（Wang et al.，2018）。降水和氮是干旱半干旱区植物生长和微生物活动的限制因子。在干旱半干旱区开展降水量变化及氮沉降增加下生态系统碳源/汇特征的研究，对于科学评估全球变化背景下脆弱生态系统碳收支平衡、助力实现我国“双碳”目标都具有重要的现实意义。
　　碳源/汇是解释生态系统碳循环过程的重要指标。联合国气候变化框架公约将温室气体“源”定义为任何向大气释放产生温室气体、气溶胶或其前体的过程、活动或机制；将温室气体“汇”定义为从大气中清除温室气体、气溶胶或前体的过程、活动或机制（IPCC，2013）。全球碳循环研究发现，目前已知的碳源与碳汇不能达到平衡，碳循环机制的研究有助于找到解决碳收支失衡的有效手段。CO2作为主要的温室气体，其在陆地生态系统的释放过程对全球碳循环有着重要意义。在过去的200年里大气CO2浓度明显增加，主要原因是碳收支失衡，即碳排放量大于碳固定量。陆地生态系统作为一个大型碳汇，吸收了约30%的人为碳排放（Le Quéré et al.，2016）。近年来，很多关于碳汇的研究结果都有力地支持了北半球中纬度地区存在陆地碳汇的结论。其中，干旱半干旱区在全球陆地生态系统碳循环尤其是碳汇过程中扮演着重要的角色。因此，在干旱半干旱区开展降水量变化及氮沉降增加下植被-土壤系统碳循环研究，对于深入理解生态系统碳源/汇特征如何响应全球变化、充分认识区域乃至全球尺度碳收支平衡都具有重要的科学意义。
　　草原生态系统是陆地生态系统中一个巨大的碳库（Dai et al.，2016）。草原生态系统在全球变化下既可作为净碳源或净碳汇，也可以在碳汇和碳源之间波动，这将会导致陆地碳汇的变化（Biederman et al.，2017；Zhao et al.，2019）。宁夏荒漠草原地处毛乌素沙地西南缘，是区域重要的生态屏障，也是我国西北干旱半干旱区主要的草原生态系统类型之一。该生态系统降水量少、蒸发量大，氮沉降临界负荷低，可接受的氮沉降总量仅为0.13×106t?a-1（段雷等，2002）。因此，降水格局改变和氮沉降增加对该生态系统的效应值得关注。那么，降水量和氮沉降及其交互作用如何影响荒漠草原生态系统碳源/汇特征？植物群落特征与土壤性质能否解释其变化等问题都值得我们进行深入探讨。为此，本书以宁夏荒漠草原为研究对象，通过设置降水量变化（极端和适量增减）和氮添加的野外试验，研究植物-土壤碳库、土壤呼吸、生态系统碳交换的时间动态及其驱动因素，以期为深入揭示降水格局改变和氮沉降增加下草原生态系统碳源/汇的响应机制提供科学依据，并为全球变化背景下生态系统碳循环的全球联网试验提供数据支持。
　　1.2国内外研究现状分析
　　全球变化正不断影响着陆地生态系统。一方面，气候变暖影响了全球水文循环，导致降水时空分配格局改变（IPCC，2021）。有研究发现，我国年平均降水量呈现出微弱且不显著的下降趋势，但西北地区总降水量年均值和季均值呈现明显增加趋势（Su et al.，2020a）。另一方面，化石燃料燃烧、农田化肥不合理施用和畜牧业集约化发展等，使得大气向陆地生态系统输入的氮素增加（秦淑琦等，2022），导致氮沉降量在全球范围内迅速增加（Sullivan et al.，2018；Ackerman et al.，2019）。在我国，继经济结构合理改善以及环保措施积极落实后，氮沉降速率在南方大部分地区已从快速增长转变为逐渐趋于稳定（Yu et al.，2019a），但在西北地区呈逐年增加的趋势（顾峰雪等，2016）。降水和氮素作为陆地生态系统一些关键过程的重要环境因子（张晓琳等，2018），二者的变化势必会改变土壤水分和养分有效性，从而对植物生长及其微生物活动产生影响，进而影响生态系统碳循环（Bai et al.，2010；Payne et al.，2017；付伟等，2020）。在我国西北干旱半干旱区，降水量和土壤氮含量均较低，极大地限制着区域初级生产力。在该区域开展降水量改变和氮沉降增加下植被-土壤系统碳循环研究，可为综合评价全球变化背景下脆弱生态系统固碳潜力提供数据支撑。
　　1.2.1降水格局改变
　　降水格局改变影响着陆地生态系统结构和功能，尤其是受降水限制的生态系统。自工业革命以来，气溶胶、温室气体（CO2、CH4和N2O等）和水蒸气的过量排放，导致过去130年间全球地表平均温度大约升高了0.85℃（IPCC，2013）。全球变暖加速了地球系统的水循环，使全球和区域降水格局的时空分布发生变化，从而对水资源、生态系统状况和社会经济发展等产生深刻的影响（陈琳等，2020）。作为全球气候变化的敏感区域，在过去几十年间，我国平均年降水量总体呈增加趋势，且表现出显著的区域分异特征（刘凯等，2020；李明等，2021）。例如与1961～1980年相比，1981～2010年西北地区干旱区面积减少，东北地区半湿润区面积减少（高继卿等，2015；黄小燕等，2015）。在干旱半干旱区，降水调控着土壤水分及养分有效性，其格局的改变将直接作用于植物生长和生物地球化学循环等关键过程，从而对生态系统结构、功能和稳定性产生深远影响（邹慧等，2016）。因此，降水格局改变及其效应已成为国内外生态学和其他相关学科研究的重点。目前，国内已有较多研究分析了降水量变化的生态效应，但相关研究多为适度增减降水量，缺乏针对极端增减降水量的探讨。
　　1.2.1.1全球趋势
　　在气溶胶、温室气体、水蒸气的大量排放和气候内部变率的综合作用下，全球气温上升和大气环流发生改变（Held & Soden，2006），引起大气持水能力增加、水循环加速，导致全球陆地平均降水量增加、大多数地区极端降水事件频发（Fischer et al.，2013；Li et al.，2013；Sillmann et al.，2013；IPCC，2021；Kazemzadeh et al.，2021）。研究预测，全球平均降水量呈增加趋势，并且呈纬向分布，北半球中高纬度地区年降水量总体呈增加趋势；同时，降水事件之间的间隔期将延长，洪涝以及干旱等极端降水事件大幅增加，而低纬度区域的降水量呈减少趋势（Westra et al.，2014）。降水格局呈纬向分布是自然因素和人为因素共同作用的结果（Liu et al.，2013a）。一方面，温度升高使水循环加速改变降水分配；同时，大气环流模式的变化导致多雨区和亚热带干燥区向两极迁移，使热带区域加宽（Westra et al.，2014），进而影响降水格局的纬向分布。另一方面，人为因素（主要是人类活动）是导致降水格局改变的重要原因之一。据估测，人类活动对于北半球中纬度区域带状降水量增加、北半球热带与亚热带区干旱、南半球热带与亚热带区域湿润具有明显的影响（Marvel & Bonfils ，2013）。
　　降水格局改变已成为全球性事件，但不同地区降水格局不同（IPCC，2013；Stocker et al.，2013）。如不同地区降水量增减趋势不同，极端降水事件频发，降水格局年内变异和年际变异均显著增加（周培等，2011）。近几十年，全球大部分地区的降水频率呈显著增加趋势，但在东亚东部湿区降水频率下降而干区降水频率增加（Ma et al.，2015；Liu et al.，2021；Lu et al.，2021b）。Majid等（2021）对全球范围内陆地和海洋降水趋势进行了19年观测，发现1998～2017年降水呈线性趋势的主要覆盖欧洲和北美地区。Duan等（2019）对德国年降水趋势的研究发现，1951～2013年降水量在德国北部和东部呈增加趋势，且随着时间的推移逐渐增加。Dollan等（2022）对美国大西洋中南部地区降水的时空格局进行了研究，发现其东北部年降水量显著增加。也有研究发现，全球平均降水量的走势在过去100年间并不分明，其降水峰值的变化呈空间异质性：北半球中纬度地域年降水量整体增加，其他纬度地域年降水量变化趋势为正或负（孔锋等，2017）。
　　全球变化背景下，除了降水总量发生改变外，降水的不确定性增大和极端性增强、时间分配变得更加波动（Spinoni et al.，2018）。据报道，全球总降水量在过去100年有增加趋势，但在干旱与半干旱地区减少，同时干旱和洪涝等极端降水事件增加（Folland et al.，2001；Spinoni et al.，2018）。研究表明，强降水事件的发生频率可能会随着全球变暖的程度而翻倍增长，这种极端降水变化比全球平均降水变化更加频繁（Myhre et al.，2019）。Chou等（2007）发现，20世纪早期到后期的极端降水走势变化较为明显，尤其是中高纬度地区极端降水增加显著；进入21世纪后，世界上多数地区的强降雨事件大概率将会增多；未来近百年，南北半球降水差异和降水季节波动或许会加重，呈现出旱季更旱、雨季更湿的季节特征。Yao等（2020）对中亚地区总降水和极端降水变化趋势研究发现，极端降水相关指数（除连续干旱日外）在1936～2005年均呈上升趋势，并预计21世纪后期（2071～2100年）极端降水和轻微干旱将显著增加。
　　1.2.1.2全国趋势
　　中国位于东亚季风区，降水对气候变化的反应较为强烈。近年来，我国降水量、降水频次及极端降水情况等的变化具有较强的区域性和时间性（Zhang et al.，2013b；Wu et al.，2021b；Zhang & Zhao，2022；翟盘茂和潘晓华，2003；李聪等，2012；刘向培等，2021）。目前，不少学者采用模型模拟的方法研究我国未来降水格局变化及其对生态系统的影响（Luo & Guo，2021）。Zhang等（2007）采用 14 种气候模型模拟降水变化的研究发现，该模型模拟的结果与20世纪陆地部分沿纬度方向的降水量变化实测值相比较，模型模拟的估测值低于实测值，并且降水变化已经对脆弱敏感区域的生态系统、农业生产以及人类健康等产生了一定影响。
　　在总降水量的趋势上，丁一汇（2016）发现近半个世纪以来，我国平均年降水量的趋势性变化并不明显，但是在空间分配上差异显著。其中，华北、西北东部、东北南部和西南部分地区降水量减少，西部大部分地区降水量增加；任国玉等（2015）亦发现我国年均降水量未呈现显著的趋势性变化，然而其区域降水量走势分明。华北、东北南部、西北东部以及西南局部地区雨量降低，而西部多数区域雨量增多。但也有研究得出不同的结论。例如近期的发现，近几十年来我国表现出年均降水总量增加、极端降水事件增多的趋势（Zhang et al.，2013b；卢珊等，2020），且区域差异明显（杜懿等，2020；刘凯，2020）；据CMIP5和CMIP6未来预测，到21世纪末我国降水的年总量和年变化幅度急剧增加（Piao et al.，2021）；Su等（2020a）观察到我国年平均降水量呈现出微弱的下降趋势，但西北地区总降水量年均值和季均值均明显增加。在降水的空间

目录
前言
第1章总论1
1.1研究意义1
1.2国内外研究现状分析2
1.3创新性29
第2章材料与方法32
2.1研究区概况32
2.2野外试验布设36
2.3样品采集与指标测定40
2.4数据处理与分析45
第3章降水量变化及氮添加下植物碳库特征49
3.1降水量及氮添加对植物地上碳库的影响49
3.2降水量及氮添加下植物地上碳库的响应机制50
3.3小结51
第4章降水量变化及氮添加下土壤碳库特征52
4.1降水量及氮添加对土壤有机碳库的影响52
4.2降水量变化及氮添加下土壤有机碳库的响应机制60
4.3小结62
第5章降水量变化及氮添加下土壤呼吸特征63
5.1降水量变化及氮添加下土壤呼吸速率的时间动态63
5.2降水量及氮添加对土壤呼吸速率的影响68
5.3降水量变化及氮添加下土壤呼吸速率的响应机制93
5.4小结95
第6章降水量变化及氮添加下植物群落特征和土壤性质97
6.1降水量及氮添加对植物群落特征的影响97
6.2降水量及氮添加对土壤性质的影响107
6.3降水量变化及氮添加下植物群落特征和土壤性质的响应机制139
6.4小结147
第7章降水量变化及氮添加下碳循环的影响因素分析149
7.1植物地上碳库与植物群落特征和土壤性质的关系149
7.2土壤有机碳库与植物群落特征和土壤性质的关系151
7.3土壤呼吸与植物群落特征和土壤性质的关系155
7.4降水量变化及氮添加下碳循环的影响机制分析172
7.5小结178
第8章存在问题和未来研究展望181
8.1增设全球变化多因子交互试验181
8.2优化降水量变化和氮添加野外试验设计181
8.3完善碳循环关键参数动态监测181
8.4细化土壤呼吸组分和时间动态监测182
参考文献183