草地覆盖了约40%的全球陆地面积，为数十亿人口提供饲草、畜牧产品与生计保障。然而，受土壤水分和养分的双重限制，草地生态系统较为脆弱，其持续稳定提供生态系统服务的能力受到显著约束。在普遍水分匮乏的背景下，草地植物通常将大部分光合产物分配于地下根系，这种以“地下投入”为主导的资源分配格局，对干旱区和半干旱区的防风固沙、土壤碳固持和生态系统稳定性等多功能性至关重要。尽管目前我们对草原地上生产力的资源限制格局和机制已取得了系统性认识，但是这些规律能否应用于地下生产力仍然是个未知数。

为了系统解决这一关键科学问题，研究团队充分结合了长期观测、多因子控制实验与全球数据的优势，包括基于若尔盖高寒湿地国家站建立的长期观测平台、多因子控制实验平台（已参加全球干旱联网实验DroughtNet、养分联网实验Nutrient Network、NPK-Drought Network联网等）、以及全球387个氮添加实验和299个磷添加实验。

全球尺度研究发现，草原地上生产力的氮限制随降水增加而持续增强。然而，与以往研究基于地上生产力资源限制格局不同，草原地下生产力在中等降水条件下呈现最大氮限制格局。此外，这一全球空间格局也进一步在长时间尺度的动态格局得到了证实。上述一致的模式表明，地下氮限制对空间与时间维度的水分变异均具有强烈的非线性依赖。鉴于草原植物根系的首要功能是获取水分，这一“氮限制模式”可能反映了在中等水分条件下草原植物面临最大程度的氮水资源共同限制，这一规律也得到了我们多因子控制实验的验证。总体而言，本研究强调了全球草原地下与地上生产力在资源限制方面的分异。

本研究具有以下几方面重要意义。首先，本文探索的地下生产力资源限制模式推动了资源限制研究开始从地上生产力转向地下生产力。其次，本文突出了水分在塑造草原养分限制时空格局方面的关键作用。第三，本文提出了“由时间尺度水分变异驱动的养分限制动态格局”概念，挑战了传统研究假定的静态空间养分限制格局。总体而言，这一“水分阈值”调控的地下生产力养分限制模式将会很大程度决定生态系统对大气 CO₂浓度升高和气候变暖等的响应。鉴于草原生态系统大部分生物量分配于地下这一事实，我们建议未来陆地模型在预测碳动态时应纳入这一关键机制。此外，这些受水分调控的养分限制格局也意味着，未来降水格局变化可能会显著重塑草原地下生产力的养分限制模式，从而影响草原生产力及其多功能性，并为这些生态系统管理提供重要科学参考。

研究成果近期在线发表于Nature Communications，第一作者为中国科学院地理科学与资源研究所博士生李婷婷和张睿洋副研究员，通讯作者为田大栓和牛书丽研究员。合作者包括浙江农林大学陈信力教授、地理科学与资源研究所黄元元、伏正、余开亮、吴朝阳研究员和汪金松副研究员等。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会以及国家林业和草原局青年拔尖人才项目的资助和支持。

论文信息（#共同一作，*通讯作者）：

Tingting Li#,Ruiyang Zhang#,Xinli Chen,Yiheng Wang,Yuanyuan Huang,Zheng Fu,Kailiang Yu,Chaoyang Wu,Yicheng He,Jinsong Wang,Shuli Niu*,Dashuan Tian*. 2025. Divergent resource limitations of belowground versus aboveground productivity across grasslands. Nature Communications,doi: 10.1038/s41467-025-67040-9.

论文链接：

Divergent resource limitations of belowground versus aboveground productivity across grasslands | Nature Communications

图 1.| 数据来源以及年均降水量（MAP）与草原生产力养分限制的关系。(a) 全球分析纳入实验点的地理分布。(b–e) MAP 与（b）地下生产力（BGP）氮限制、（c）BGP 磷限制、（d）地上生产力（AGP）氮限制与（e）AGP 磷限制之间的偏回归关系。养分限制强度采用生产力对氮或磷添加处理的自然对数响应比（lnRR）来量化。

图 2. | 土壤含水量（SWC）与地下（BNPP）和地上（ANPP）生产力氮限制之间的关系，基于长期高寒草地控制实验。(a) 实验样地概貌。(b) 研究区生长季降水量的近 50 年频率分布。绿色点为自然降水，橙色点为减雨 50%。图(c)、(d)、(e) 分别为 SWC 与总 BNPP、表层 BNPP 和深层 BNPP 氮限制之间的关系，图 (f) 为 SWC 与 ANPP 氮限制之间的关系。

图 3.| 高寒草地多因子控制实验不同处理的地下（BNPP）和地上生产力（ANPP）。C，空白对照；N，氮添加处理；D，干旱处理；ND，氮添加与干旱的组合处理。不同字母表示处理间存在显著差异。