气候变化正导致全球降水格局显著转变，但其对草地氮循环的影响尚不清楚。2025年8月23日，浙江大学谷保静教授团队在 Nature Communications 发表了题为“Shifts in precipitation regimes exacerbate global inequality in grassland nitrogen cycles”的最新研究成果，系统评估了全球降水格局转变对草地氮循环的影响，揭示了气候变化可能加剧的区域差异与全球不平等。
一、研究背景
草地覆盖全球陆地面积40%以上，在调节区域和全球气候方面发挥关键作用。然而，大多数草地分布在半干旱地区，对降水变化极为敏感。尽管已有研究关注气候变化对草地净初级生产力（NPP）和土壤有机碳（SOC）的影响，但草地氮循环在降水变化背景下的系统性研究仍然有限。尤其是在未来气候情景下，降水在不同区域可能增加或减少，如何影响草地氮收获、氮盈余及氮损失仍不明确，这对区域发展差异和全球不平等具有深远影响。
二、研究结果
本研究综合了全球 2944 个草地降水操纵实验数据，系统分析了增加或减少降水对氮循环关键环节的影响。在此基础上，结合农业生产与环境模型（MAgPIE）和人类–自然系统耦合模型（CHANS），模拟了未来不同降水情景下（如 SSP1-2.6、SSP2-4.5）的草地氮收支，并通过蒙特卡洛方法评估不确定性。研究进一步设计了饮食结构调整、高效施肥与饲料管理、粪肥回收等适应性措施，评估其在2050年前的潜在生态与经济效益。
研究发现，增加降水可显著提升草地净初级生产力（NPP）约26%，而减少降水则使NPP下降26%（图1）。这一效应在干旱区和湿润区有所差异：在干旱区，增加降水可提升NPP约30%，而湿润区仅提升8%；在湿润区，减少降水导致NPP下降幅度更大（约29%），显著高于干旱区（约15%）。同时，降水增加促进氮素固定（+129%）、氮吸收（+36%）、氮矿化（+14%）、反硝化（+150%）和硝化（+14%），并减少NH₃挥发（−26%）；而降水减少则抑制这些过程并增加NH₃排放（+19%）。这表明，降水变化直接决定了草地碳氮循环过程的方向和强度。
图1. 全球草地氮素与碳循环对降水变化的响应
在未来情景预测中，模型结果显示：在 SSP2-4.5（中等排放）情景下，到2050年全球草地氮输入、氮收获和氮盈余预计分别增加10、7和3 Tg N/年，同时氮利用效率（NUE）从69%下降至68%（图2–3）。这种变化意味着更多氮素将以反应性氮（Nr）的形式流失至大气和水体，增加温室气体排放和水体富营养化的风险。其中，氮盈余的增加主要表现为N₂O（+0.1 Tg N/年）、NOx（+0.1 Tg N/年）排放和硝酸盐淋溶（+1 Tg N/年）的增强，而NH₃排放则在降水增加的区域下降（−0.3 Tg N/年），在降水减少的区域上升。
图2. 全球草地在降水 SSP2-4.5 情景和适应情景下的氮素流动
图3. 全球草地氮素收支在基线情景、降水 SSP2-4.5 情景和适应情景下的时空变化
空间上，不同区域草地氮收获和NUE的变化差异显著。在降水增加的地区（美国、北澳大利亚、亚洲大部分地区等），氮收获预计增加16 Tg N/年；而在降水减少的地区（撒哈拉以南非洲、拉丁美洲、东南亚和南亚等低收入地区），氮收获预计减少9 Tg N/年。干旱区在降水增加时氮收获提升更大，而湿润区在降水减少时下降更为剧烈（图4）。这说明降水变化加剧了南北国家间的氮收获不平等，低收入国家将承受更严重的粮食安全挑战。
图4. 2050年降水 SSP2-4.5 情景下干旱与湿润区草地氮收获的变化
研究进一步评估了适应措施的潜力。结果表明，通过饮食结构调整、高效施肥与饲料管理、粪肥回收等措施，到2050年可使草地氮利用效率提升至80%，氮收获增加10 Tg N/年，同时氮输入和氮盈余分别减少12和22 Tg N/年。这将显著降低氮污染，避免约2380亿美元的经济损失（图5）。其中，美国和加拿大可获得最大气候和生态效益，撒哈拉以南非洲、拉丁美洲和南亚等地区则因减缓氮损失而改善生态与粮食安全。
图5. 2050年降水适应情景下全球草地的成本效益分析
本研究系统评估了全球降水格局转变对草地氮循环的影响，揭示了气候变化可能加剧的区域差异与全球不平等。结果强调了在未来草地管理和气候适应政策中，应更加重视降水变化的异质性及其对氮循环的反馈机制。通过合理的适应措施，不仅可以提升草地生产力，还能减少氮损失，推动全球粮食安全和生态可持续发展。
本研究以“Shifts in precipitation regimes exacerbate global inequality in grassland nitrogen cycles”为题，发表于 Nature Communications 期刊。
引用格式：Zheng, M., Cui, J., Wang, X., Zhang, X., Xie, Z., Zhang, R., Xu, X., & Gu, B. (2025). Shifts in precipitation regimes exacerbate global inequality in grassland nitrogen cycles. Nature Communications, 16, 7888.