近日，Ecological Monographs期刊在线发表了题为“Global change and China's terrestrial carbon sink: A quantitative review of 30 years' ecosystem manipulative experiments”的研究成果，揭示了中国陆地碳汇对全球变化多项关键驱动因子的响应机制。
量化陆地生物圈与大气间的碳交换是全球变化研究中的一个优先领域。生态系统控制实验对于研究陆地碳循环与全球变化之间的反馈作用非常关键。前期研究中，万师强团队系统梳理了国内外四十余年全球变化控制实验的发展、前沿和挑战，明确了陆地碳循环响应的普遍规律、敏感性及驱动机制（Song et al., 2019, Nature Ecology & Evolution）。准确预测全球变化情景下中国陆地碳汇的响应对于实现"碳中和"目标至关重要（图1）。然而，我国生态系统控制实验在提升对陆地碳响应全球变化的理解方面的潜力尚未得到充分阐述。
万师强团队收集了1140篇SCI论文，提取出自1991年以来在我国执行的558项生态系统控制实验，并构建了一个包括净初级生产力（NPP）和净生态系统生产力（NEP）的陆地碳汇数据集，全面揭示我国生态系统控制实验的发展历程（图2）；研究分析了NPP和NEP空间变异的驱动因素；利用整合分析方法探究了NPP和NEP对全球变化关键驱动因子（包括二氧化碳富集、气候变暖、降水量变化以及氮沉降）的响应；阐明了全球变化驱动因子影响NPP和NEP的机制；提出当前实验研究中面临的主要挑战及重要研究方向。
研究发现，自1991年以来，我国生态系统控制实验发展大致分为两个阶段：初级阶段（1991-2004年）和 指数增长阶段（2005年至今）。且多数实验聚焦于草地生态系统，CO2富集方面的研究及西北地区的研究相对较少（图3-9）。
我国陆地生态系统碳汇强度随温度、土壤粘土、淤泥和氮含量提高而增强，随土壤砂含量和容重提高而降低。在850-1176 mm降水量区间及偏中性土壤（6.5-7.0）条件下净初级生产力（NPP）和净生态系统生产力（NEP）达到峰值。CO2富集结合氮添加（特别是有机氮）显著提高NPP和NEP，且增加幅度受年均温和土壤质地（粘土、淤泥和砂含量）影响。增温对NPP和NEP的影响因生态系统和实验设施类型而异，在湿地生态系统中降低NPP，在开顶箱中降低NEP。增温结合水分或氮添加通常提高NPP和NEP，而与减雨同时发生时则会导致NPP和NEP降低。增温幅度高于1.5°C时会对陆地碳汇产生负向影响，强调了实现巴黎协定1.5°C温升目标的重要性。NPP和NEP对增减降水表现出非线性和负不对称性响应。氮添加对NPP和NEP的促进作用受氮添加量、添加频度、实验持续时间以及土壤质地和pH的影响。两项全球变化因子同时发生时对NPP和NEP通常表现为加和效应。为了进一步加深对全球变化情景下陆地碳反馈机制的理解，未来的研究应开展更多长期、多因子研究，重点关注成熟森林和湿地生态系统的碳汇潜力变化，这些举措能够为净零排放目标实现路径提供更多可靠数据支撑。
河北大学生命科学学院宋健研究员为论文第一作者，万师强教授为通讯作者。论文共同作者包括河北大学茹靖益副研究员和冯佳胤研究员、实验师邱雪丽、已毕业硕士生宁岩和2022级博士生王海岛，北京大学朴世龙院士，华东师范大学夏建阳教授，美国田纳西州立大学惠大丰教授, 河南师范大学郑梦眉博士，西南大学韩娟娟副教授。该研究获河北省自然科学基金(C2022201042)、国家自然科学基金(31830012, 32101346)和白洋淀流域生态保护与京津冀可持续发展协同创新中心等项目资助。
论文信息：
Song, J., S. Wan*, S. Piao, J. Xia, Y. Ning, M. Zheng, D. Hui, J. Ru, J. Han, J. Feng, H. Wang, and X. Qiu. 2025. Global change and China's terrestrial carbon sink: A quantitative review of 30 years' ecosystem manipulative experiments. Ecological Monographs， https://doi.org/10.1002/ecm.70005.
Song, J., S. Wan*, S. Piao, A. K. Knapp, A. T. Classen, S. Vicca, P. Ciais, M. J. Hovenden, S. Leuzinger, C. Beier, P. Kardol, J. Xia, Q. Liu, J. Ru, Z. Zhou, Y. Luo, D. Guo, J. A. Langley, J. Zscheischler, J. S. Dukes, J. Tang, J. Chen, K. S. Hofmockel, L. M. Kueppers, L. Rustad, L. Liu, M. D. Smith, P. H. Templer, R. Q. Thomas, R. J. Norby, R. P. Phillips, S. Niu, S. Fatichi, Y. Wang, P. Shao, H. Han, D. Wang, L. Lei, J. Wang, X. Li, Q. Zhang, X. Li, F. Su, B. Liu, F. Yang, G. Ma, G. Li, Y. Liu, Y. Liu, Z. Yang, K. Zhang, Y. Miao, M. Hu, C. Yan, A. Zhang, M. Zhong, Y. Hui, Y. Li, and M. Zheng. 2019. A meta-analysis of 1119 manipulative experiments on terrestrial carbon cycling responses to global change. Nature Ecology & Evolution 3: 1309-1320 (截至2025-02-19, Web of Science引用417次, ESI高被引论文)
图 1 全球变化控制实验在全球的分布及实验控制幅度与模型预测对比
图2 研究路线图
图3 报道我国生态系统控制实验的出版物累计数量及主题
图4 生态系统控制实验发展时间动态及空间分布
图5 环境条件下，净初级生产力（NPP）和净生态系统生产力（NEP）对地理位置、局部气候条件和土壤属性的依赖关系
图6 单项和两项全球变化驱动因素导致的净初级生产力（NPP）和净生态系统生产力（NEP）变化，以及不同增温设施（包括红外辐射器和开顶温室）、生态系统类型和氮肥类型下的变化
图7 两项全球变化驱动因素交互作用下净初级生产力（NPP）和净生态系统生产力（NEP）的百分变化，以及不同氮肥类型添加（包括无机氮和有机氮）导致的NPP和NEP变化
图8 元回归分析揭示地理位置、局部气候条件和土壤属性对二氧化碳富集、增温和降水变化下净初级生产力（NPP）和净生态系统生产力（NEP）变化的调控作用。eCO2: 二氧化碳浓度升高, W: 增温, IP/DP: 降水增加/减少
图9 元回归分析揭示地理位置、局部气候条件和土壤特性对氮添加处理下净初级生产力（NPP）和净生态系统生产力（NEP）变化的调控作用
