編譯：滄浪煙客，編輯：小菌菌、江舜堯。
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草地生態系統占全球土壤甲烷（CH4）吸收總量的10％以上。為期4年的野外試驗發現，單獨添加磷（P）不會影響CH4的吸收，單獨添加氮（N）會顯著抑制CH4的吸收，而同時添加N和P會減弱N添加對CH4吸收的抑制。針對全球草地382個數據點的meta分析證實了這一發現，同時，用經驗建模方法進行的全球模擬估計，當代氮沉降水平抑制了全球草地CH4吸收的11.4％，同時添加N和P將這種抑制作用降低到了5.8％。P添加緩解N對CH4吸收的抑制作用主要歸因于銨與CH4之間對甲烷單加氧酶競爭的底物競爭理論。N和P對CH4吸收的影響表明，N和P沉降的增加可能會顯著影響CH4的吸收并改變全球CH4循環。 論文ID 實驗設計 本文采用野外控制實驗、meta分析和模型外推相結合的方法分析氮、磷添加對CH4吸收的影響。野外控制實驗在位于內蒙古多倫縣的半干旱草原中展開，實驗采用隨機區組設計，共包括四個處理，分別是對照（CK）、氮（N）添加、磷（P）添加和氮磷添加（N+P），每個處理三個重復，實驗開始于2013年初。野外CH4通量的測定采用靜態室法，測定時間為2013-2016年每年的5月份到9月份，每周測定一次。然后運用Meta分析研究全球草地氮磷添加對CH4通量的影響，文獻數據通過Google學術檢索獲得，檢索關鍵詞為“nitrogen and phosphorus”、“methane”、“grassland”和“upland”，第一次檢索時間為2016年7月，并于2018年9月進行了更新，最終獲得了含382個數據點的數據集，該數據集涵蓋了1980-2017年間進行實驗的全球主要草地類型。模型模擬中，草地分布數據來自全球標準化的陸地覆蓋類型數據產品MODIS（MCD12Q1），并通過NCL對氣候和土壤參數進行重新取樣和重新預測，CH4通量按公式1計算，其中F(CH4)表示全球草地CH4吸收總量（Tg C-CH4 year-1），CH4k表示第k個柵格的CH4吸收量（kg C-CH4 ha-1 y-1），Ak表示第k個柵格的面積。全球模擬的空間分辨率為0.5° × 0.5°。 結果
(1)
1 野外實驗中氮磷添加對甲烷吸收的影響
野外實驗結果表明，在整個試驗過程中（2013-2016年，圖1a），僅施N和同時施N + P處理均顯著抑制了CH4的吸收。相比于對照樣地，添加N和添加N + P抑制CH4吸收的百分比在2013年分別為-16.3％（p <0.01）和-7.9％（p = 0.04），在2014年分別為-7.8％（p <0.01）和-1.8，（p = 0.10），2015年分別為-12.3％（p <0.01）和-6.6％（p <0.01），2016年分別為-18.3％（p <0.01）和-12.5％（p <0.01），（圖1d）。在研究期間，對照樣地的年平均CH4吸收率為2.94±0.07 kg C-CH4 ha-1，施氮樣地的年平均CH4吸收率為2.54±0.04 kg C-CH4 ha-1，在N + P樣地為2.73±0.06 kg C-CH4 ha-1（圖1a）。與對照相比，僅P處理在整個實驗過程中略微提高了CH4的吸收，但在統計上并不顯著：2013年為+ 7.4％（p = 0.12），2014年為+ 4.0％（p = 0.09），2015年為+ 1.2％（p = 0.2），2016年為+ 2.3％（p = 0.16）（圖1d）。總體而言，單獨添加P不會影響CH4的吸收，單獨添加N會抑制CH4的吸收，同時添加N + P會使CH4吸收的抑制作用達到較低的水平，這表明在半干旱草原上添加P會減輕N對CH4吸收的抑制作用（圖5a，1a和1d）。
2 meta分析中氮磷添加對甲烷吸收的影響
為了驗證氮和磷對草地土壤中CH4吸收影響的普遍性，本文進行了全球的meta分析，以量化草地生態系統中CH4吸收速率對養分添加的響應（N，P和N + P）（圖2）。分析結果表明，與對照相比，添加N和同時添加N和P會導致CH4的年吸收量顯著下降：分別為-27％（p <0.01）和-14％（p <0.01）（圖2）。同時添加N + P比僅添加N對CH4吸收的抑制作用更小（p = 0.02）（圖2）。這與野外實驗的結果一致（圖1a和2）。
圖2 氮和磷對草地生態系統中甲烷吸收的影響的meta分析（氮和磷的影響用百分數表示）
3 氮磷添加影響甲烷吸收的機制
基于統計分析結果，本文假設以下機制支持氮和磷對CH4吸收的影響。實驗中氮的添加（僅添加N與對照相比）導致土壤中礦質氮（NH4+和NO3-）的積累，磷的添加促進植物對氮的吸收和植被生物量中氮的積累（N + P處理與僅添加N相比，）（圖1b，1c，S1、3a，3b，3c和3d）。在野外試驗中，單獨P添加顯著降低了土壤NH4+含量（p <0.01，圖1b），但沒有顯著影響植物的N含量（與對照相比，P僅為0.35，圖1c）。相反，同時添加N + P確實比單獨添加N刺激了植被中N的積累（p <0.01，圖1c）。與僅添加N的處理相比，在N + P添加處理下植被N積累的增加顯著降低了土壤NH4+含量（p <0.01，圖1b）。因此，P的添加大大刺激了植物的生長和植物對NH4+的吸收，這一作用降低了土壤中NH4+的濃度，從而減輕了N對CH4吸收的抑制（圖S1）。
為了弄清各種潛在驅動因素的貢獻，本文運用了結構方程模型（SEM）來量化野外實驗中各環境因子對CH4吸收的調控（所有因子分為四類：氣象，微生物，植物和土壤因素，圖S2和S3）（圖3a，3b，3c和3d）。模型考慮了養分添加如何直接或間接影響CH4的吸收（圖3和S3）。結果表明，在對照條件下，氣象因素直接影響CH4的吸收（β = -0.33）或通過微生物（β= -0.8）和植物（β = -0.21）間接影響CH4的吸收（圖S3a）。N和P的添加通過影響營養因子間接影響CH4的吸收（N處理：β= 0.5，圖S3b；N + P處理：β = 0.37，圖S3d）。在對照和所有養分添加處理下，土壤NH4+對CH4的吸收均具有直接的負效應，而植物N含量具有正效應（圖3a，3b，3c和3d）。同時，添加N可促進土壤NH4+的積累（N處理：β= 0.45），添加P對植物P和土壤P有積極影響，但對土壤NH4+則具有微小的消極影響。N + P處理對土壤NH4+有負面影響（β = -0.18）。與對照相比，N的添加增強了NH4+對CH4吸收的負面影響（β在-0.57至-0.77之間）（圖3a和3b）。磷的添加不會改變NH4+的負效應（β = -0.57）和植物N的正效應（β= 0.34）（圖3a和3c）。N + P的添加減輕了土壤NH4+的抑制作用（β從-0.77變為-0.72）（圖3b和3d）。這些結果表明，CH4的吸收與半干旱草原土壤中的N和P含量高度相關。
4 磷緩解氮對草地甲烷吸收抑制作用的全球估計
本文利用現有的全球土壤特性和氣象數據集，進一步開發了一個經驗模型，以量化N和P對全球草地土壤CH4氧化的影響。已有數據的三分之二用于模型擬合，其余三分之一數據用于模型驗證（圖S7）。通過逐步回歸程序獲得的最佳擬合方程為：
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是氮的輸入速率，單位是g ha-1 y-1；P是磷的輸入速率，單位為g ha-1 y-1；ln表示自然對數；ST是土壤溫度（K）；pH是土壤的pH值；SOC是土壤有機碳含量（%）；BD是土壤容重（g cm-3）；未完待續
