编译：沧浪烟客，编辑：小菌菌、江舜尧。
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草地生态系统占全球土壤甲烷（CH4）吸收总量的10％以上。为期4年的野外试验发现，单独添加磷（P）不会影响CH4的吸收，单独添加氮（N）会显著抑制CH4的吸收，而同时添加N和P会减弱N添加对CH4吸收的抑制。针对全球草地382个数据点的meta分析证实了这一发现，同时，用经验建模方法进行的全球模拟估计，当代氮沉降水平抑制了全球草地CH4吸收的11.4％，同时添加N和P将这种抑制作用降低到了5.8％。P添加缓解N对CH4吸收的抑制作用主要归因于铵与CH4之间对甲烷单加氧酶竞争的底物竞争理论。N和P对CH4吸收的影响表明，N和P沉降的增加可能会显著影响CH4的吸收并改变全球CH4循环。 论文ID 实验设计 本文采用野外控制实验、meta分析和模型外推相结合的方法分析氮、磷添加对CH4吸收的影响。野外控制实验在位于内蒙古多伦县的半干旱草原中展开，实验采用随机区组设计，共包括四个处理，分别是对照（CK）、氮（N）添加、磷（P）添加和氮磷添加（N+P），每个处理三个重复，实验开始于2013年初。野外CH4通量的测定采用静态室法，测定时间为2013-2016年每年的5月份到9月份，每周测定一次。然后运用Meta分析研究全球草地氮磷添加对CH4通量的影响，文献数据通过Google学术检索获得，检索关键词为“nitrogen and phosphorus”、“methane”、“grassland”和“upland”，第一次检索时间为2016年7月，并于2018年9月进行了更新，最终获得了含382个数据点的数据集，该数据集涵盖了1980-2017年间进行实验的全球主要草地类型。模型模拟中，草地分布数据来自全球标准化的陆地覆盖类型数据产品MODIS（MCD12Q1），并通过NCL对气候和土壤参数进行重新取样和重新预测，CH4通量按公式1计算，其中F(CH4)表示全球草地CH4吸收总量（Tg C-CH4 year-1），CH4k表示第k个栅格的CH4吸收量（kg C-CH4 ha-1 y-1），Ak表示第k个栅格的面积。全球模拟的空间分辨率为0.5° × 0.5°。 结果
(1)
1 野外实验中氮磷添加对甲烷吸收的影响
野外实验结果表明，在整个试验过程中（2013-2016年，图1a），仅施N和同时施N + P处理均显著抑制了CH4的吸收。相比于对照样地，添加N和添加N + P抑制CH4吸收的百分比在2013年分别为-16.3％（p <0.01）和-7.9％（p = 0.04），在2014年分别为-7.8％（p <0.01）和-1.8，（p = 0.10），2015年分别为-12.3％（p <0.01）和-6.6％（p <0.01），2016年分别为-18.3％（p <0.01）和-12.5％（p <0.01），（图1d）。在研究期间，对照样地的年平均CH4吸收率为2.94±0.07 kg C-CH4 ha-1，施氮样地的年平均CH4吸收率为2.54±0.04 kg C-CH4 ha-1，在N + P样地为2.73±0.06 kg C-CH4 ha-1（图1a）。与对照相比，仅P处理在整个实验过程中略微提高了CH4的吸收，但在统计上并不显著：2013年为+ 7.4％（p = 0.12），2014年为+ 4.0％（p = 0.09），2015年为+ 1.2％（p = 0.2），2016年为+ 2.3％（p = 0.16）（图1d）。总体而言，单独添加P不会影响CH4的吸收，单独添加N会抑制CH4的吸收，同时添加N + P会使CH4吸收的抑制作用达到较低的水平，这表明在半干旱草原上添加P会减轻N对CH4吸收的抑制作用（图5a，1a和1d）。
2 meta分析中氮磷添加对甲烷吸收的影响
为了验证氮和磷对草地土壤中CH4吸收影响的普遍性，本文进行了全球的meta分析，以量化草地生态系统中CH4吸收速率对养分添加的响应（N，P和N + P）（图2）。分析结果表明，与对照相比，添加N和同时添加N和P会导致CH4的年吸收量显著下降：分别为-27％（p <0.01）和-14％（p <0.01）（图2）。同时添加N + P比仅添加N对CH4吸收的抑制作用更小（p = 0.02）（图2）。这与野外实验的结果一致（图1a和2）。
图2 氮和磷对草地生态系统中甲烷吸收的影响的meta分析（氮和磷的影响用百分数表示）
3 氮磷添加影响甲烷吸收的机制
基于统计分析结果，本文假设以下机制支持氮和磷对CH4吸收的影响。实验中氮的添加（仅添加N与对照相比）导致土壤中矿质氮（NH4+和NO3-）的积累，磷的添加促进植物对氮的吸收和植被生物量中氮的积累（N + P处理与仅添加N相比，）（图1b，1c，S1、3a，3b，3c和3d）。在野外试验中，单独P添加显著降低了土壤NH4+含量（p <0.01，图1b），但没有显著影响植物的N含量（与对照相比，P仅为0.35，图1c）。相反，同时添加N + P确实比单独添加N刺激了植被中N的积累（p <0.01，图1c）。与仅添加N的处理相比，在N + P添加处理下植被N积累的增加显著降低了土壤NH4+含量（p <0.01，图1b）。因此，P的添加大大刺激了植物的生长和植物对NH4+的吸收，这一作用降低了土壤中NH4+的浓度，从而减轻了N对CH4吸收的抑制（图S1）。
为了弄清各种潜在驱动因素的贡献，本文运用了结构方程模型（SEM）来量化野外实验中各环境因子对CH4吸收的调控（所有因子分为四类：气象，微生物，植物和土壤因素，图S2和S3）（图3a，3b，3c和3d）。模型考虑了养分添加如何直接或间接影响CH4的吸收（图3和S3）。结果表明，在对照条件下，气象因素直接影响CH4的吸收（β = -0.33）或通过微生物（β= -0.8）和植物（β = -0.21）间接影响CH4的吸收（图S3a）。N和P的添加通过影响营养因子间接影响CH4的吸收（N处理：β= 0.5，图S3b；N + P处理：β = 0.37，图S3d）。在对照和所有养分添加处理下，土壤NH4+对CH4的吸收均具有直接的负效应，而植物N含量具有正效应（图3a，3b，3c和3d）。同时，添加N可促进土壤NH4+的积累（N处理：β= 0.45），添加P对植物P和土壤P有积极影响，但对土壤NH4+则具有微小的消极影响。N + P处理对土壤NH4+有负面影响（β = -0.18）。与对照相比，N的添加增强了NH4+对CH4吸收的负面影响（β在-0.57至-0.77之间）（图3a和3b）。磷的添加不会改变NH4+的负效应（β = -0.57）和植物N的正效应（β= 0.34）（图3a和3c）。N + P的添加减轻了土壤NH4+的抑制作用（β从-0.77变为-0.72）（图3b和3d）。这些结果表明，CH4的吸收与半干旱草原土壤中的N和P含量高度相关。
4 磷缓解氮对草地甲烷吸收抑制作用的全球估计
本文利用现有的全球土壤特性和气象数据集，进一步开发了一个经验模型，以量化N和P对全球草地土壤CH4氧化的影响。已有数据的三分之二用于模型拟合，其余三分之一数据用于模型验证（图S7）。通过逐步回归程序获得的最佳拟合方程为：
FCH4 = m + a×N + b×P + c×ln（N）×ln（P）+ d×ST + e×pH + f×SOC + g×BD + h×CL（2）
其中FCH4是每年的CH4吸收率；N是氮的输入速率，单位是g ha-1 y-1；P是磷的输入速率，单位为g ha-1 y-1；ln表示自然对数；ST是土壤温度（K）；pH是土壤的pH值；SOC是土壤有机碳含量（%）；BD是土壤容重（g cm-3）；未完待续
