2005年開始，于內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)中國科學院植物研究所多倫恢復生態(tài)學實驗站建立了一項野外控制實驗，采用野外觀測、調(diào)查取樣為主、結合室內(nèi)分析的方法，開展水分和氮磷添加下草地群落組成及動態(tài)、物種周轉與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、生物多樣性及生態(tài)系統(tǒng)功能、植物功能性狀、土壤有效養(yǎng)分供應與植物養(yǎng)分利用效率等方面的研究。本實驗以過度放牧后被圍封的天然草地和農(nóng)田棄耕后自然演替形成的草地作為研究對象。從2005年開始分別在天然草地和棄耕地進行添加氮素和磷素的處理，分別為對照（CK），添加氮（N5，N10，N15）， 添加磷（P），添加氮+磷素（NP），并分別在以上增肥處理基礎上另外設增水（W）的處理，共12個處理。氮素添加以尿素（含46%的N）的形式每年每平米添加10克氮，于每年5月中旬和7月初分兩次進行，每次添加一半。增水的處理采用噴灌的方式進行，于每年6月中旬至8月上旬每周增加15mm降水，分8周共增加降水120mm。每個處理設7次重復，小區(qū)面積為8m×8m。各小區(qū)之間留有1 m 的緩沖帶和過道，樣地邊緣設5m以上的防護帶；實驗為裂區(qū)設計。
2009－2011年，此試驗樣地由中國科學院植物所轉移至沈陽應用生態(tài)所土壤生態(tài)研究組負責維持與日常管理，2012年始，由土壤化學研究組負責維持和管理。依托該基地，先后獲得國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973）子課題“溫帶草原土壤碳截獲能力對降水與氮沉降變化的響應”（2011CB403204，2011-2015）、國家自然科學基金青年基金項目“降水及氮沉降增加對不同土地利用歷史的草地群落結構和穩(wěn)定性的影響”(31000200，2011-2013)、“利用15N自然豐度法和15N示蹤法揭示內(nèi)蒙古典型草原植物的氮吸收喜好（31300387，2014-2016）”、面上項目“草地群落系統(tǒng)發(fā)育及功能性狀多樣性對長期水分和氮素添加的響應及其與生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性的關系”（31370009，2014-2017）、“氮水添加對北方退化草地土壤陽離子交換性能影響”（41371251，2014-2017）等的資助，自2012年，依托本試驗平臺，已發(fā)表研究論文13篇。近期主要研究進展如下：
模擬大氣氮沉降和降水增加影響半干旱草原群落穩(wěn)定性：基于多倫野外控制實驗，研究了長期增加降水及氮沉降對干旱區(qū)草原植物群落相對及絕對抵抗力、恢復力及彈力的影響。發(fā)現(xiàn)增加降水條件下，植物群落表現(xiàn)出較高的抵抗力和較低的恢復力，但對植物群落彈力無顯著影響；氮沉降降低了植物群落的抵抗力，但對其他穩(wěn)定性指標沒有顯著影響。穩(wěn)定性指標對降水及氮沉降增加的響應在群落、功能群及物種水平均呈現(xiàn)一致的規(guī)律（Oecologia, 2014）。
環(huán)境變化通過改變物種不同步響應驅動半干旱草原穩(wěn)定性：基于8年的野外控制實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)增加降水提高物種多樣性及群落穩(wěn)定性，而增加氮沉降降低物種多樣性及穩(wěn)定性。和預期相反，物種多樣性并非半干旱草原群落穩(wěn)定性的驅動因子。氮、水有效性主要通過改變物種的不同步響應驅動著群落穩(wěn)定性，優(yōu)勢物種的穩(wěn)定性也直接影響群落的穩(wěn)定性。這些結果突出了限制性資源在調(diào)節(jié)自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性中的重要作用，表明未來降水增加將在一定程度上抵消氮沉降增加對物種多樣性及群落穩(wěn)定性的負面影響（Journal of Ecology，2015）。
氮素與水分有效性對半干旱草原群落相似度具相反影響：氮素添加降低了天然草原和棄耕草地的物種組成相似度，水分添加增加了兩種類型的草地物種組成相似度。這些實驗處理的效應與土壤水分及有效氮含量、物種多樣性特征、優(yōu)勢物種及功能群的多度都有密切關聯(lián)。研究顯示，資源有效性在調(diào)節(jié)群落組成變化中具有重要作用，在大氣氮沉降增加情景下，天然草原和棄耕草地的演替軌跡趨于分化，而生長季降水的增加將使兩種草地的演替方向趨同。氮素增加使天然草地和棄耕草地的物種組成相似度降低，這種變化在一定程度上被降水的增加效應抵消（Plant and Soil，2015）。
模擬氮沉降和降水增加對草地土壤碳氮及相關酶活性具有顯著影響：氮水添加可提高內(nèi)蒙古半干旱草原地上初級生產(chǎn)力，而地下土壤碳、氮庫以及微生物活性對氮、水添加的響應尚不明確。本研究依托內(nèi)蒙古多倫草地氮、水添加長期定位試驗，研究了土壤有機碳、全氮、易氧化有機碳、無機氮以及土壤pH的響應；以表征微生物呼吸的土壤脫氫酶，表征有機質(zhì)分解的β-葡糖苷酶及酸/堿性磷酸單酯酶的活性，探討了土壤碳氮庫的變化。研究結果表明：在0-10cm土層，氮添加對土壤有機碳含量的影響不顯著，而10-20cm土層，氮添加顯著降低了有機碳含量，水添加同時提高了兩層土壤的有機碳含量；土壤無機氮庫對氮添加的響應比全氮更敏感，而水添加條件下兩者均沒有顯著變化。氮添加顯著降低了土壤pH、脫氫酶活性和堿性磷酸酶活性，而水添加則顯著提高了土壤pH和微生物酶活性。本研究顯示，在水分添加條件下土壤有機碳的累積，可能緣于植物凋落物輸入超出殘落物降解的輸出；氮添加對酶活性的抑制，主要是土壤pH下降及植物-微生物爭氮導致。研究結果表明，半干旱草原水分有效性對土壤碳氮累積的重要性要大于氮素的有效性（Plant and Soil, 2014）。
模擬氮沉降和降水增加改變草地土壤團聚體組成及碳氮動態(tài)：依托9年控制試驗，通過篩分大（>2000μm）、小（250-2000μm）和微團聚體（<250 μm），測定重量比例、土壤有機碳、和全氮、水溶性無機氮和自然豐度碳氮穩(wěn)定性同位素（δ13C和15N），探究了氮水處理下土壤的團聚作用和團聚體內(nèi)碳氮動態(tài)。結果表明，降水增加使土壤大團聚體的比例平均增加了33%，微團聚體減少了42%。氮水添加處理均增加了總無機氮含量，并且交互作用顯著。水處理顯著降低了土壤δ13C值，而氮處理升高了δ15N值。無水分處理條件下，大團聚體和小團聚體內(nèi)δ13C與土壤有機碳均呈顯著負相關，大微團聚體和微團聚體內(nèi)δ15N與水溶性無機氮均呈顯著正相關；增水處理下，δ13C與土壤有機碳在三個團聚體內(nèi)均表現(xiàn)負相關關系。研究結果指示，水添加處理加速了植物殘體向土壤有機質(zhì)的轉換（δ13C所指示），氮處理潛在增加氮素的氣態(tài)損失(δ15N所指示)。相比于氮添加處理，模擬降水增加處理有益于改善土壤結構。該研究為探明利用自然豐度碳氮同位素指示不同土壤顆粒內(nèi)有機質(zhì)對全球變化背景下氮水條件耦合變化的敏感性，具有一定的借鑒意義（Soil Science Society of America Journal，2015）。
氮水添加草地對土壤團聚體酶活性具有顯著影響：對土壤團聚體酶活性的研究表明，微團聚體比小團聚體分布有較高的β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸單酯酶活性，大團聚體內(nèi)分布有最高的N-乙酰基-氨基葡萄糖苷酶活性。酶活性的團聚體分布趨勢說明，快速生長微生物更多地分布于微團聚體內(nèi)。氮添加條件下，β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸單酯酶活性受到抑制，而N-乙?；?/span>-氨基葡萄糖苷酶活性升高；該現(xiàn)象說明，氮輸入增加導致的土壤pH下降有利于真菌而不利于細菌的生長。水添加使β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸單酯酶活性分別增加了高達103.4%和75.4%。氮添加使β-葡萄糖苷酶與N-乙?；?/span>-氨基葡萄糖苷酶以及N-乙?；?/span>-氨基葡萄糖苷酶與酸性磷酸單酯酶的比值降低，說明微生物出現(xiàn)了氮素缺乏而非碳磷缺乏。我們的研究結果表明，在生產(chǎn)力受到氮水限制的干旱和半干旱草原，氮水輸入的增加會導致微生物活性在不同團聚體內(nèi)重新分布；從而，影響團聚體內(nèi)有機質(zhì)的穩(wěn)定性和土壤生物的養(yǎng)分限制狀況（Soil Biology & Biochemistry，2015）。
上述研究結果已在相關生態(tài)學及土壤學國際期刊發(fā)表。在上述研究的同時，研究團隊還系統(tǒng)開展了模擬氮沉降和降水增加對多倫草地生產(chǎn)力、植物遺傳多樣性、土壤微生物多樣性、土壤緩沖性能、交換性能、土壤－植物系統(tǒng)微量元素循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)生源要素CNPS耦合、地上－地上生態(tài)關聯(lián)等研究，部分數(shù)據(jù)正在整理中，有望獲得較為系統(tǒng)的研究結果，以期為我國北方半干旱退化草地在未來氣候變化情景下的生態(tài)管理提供數(shù)據(jù)支撐。
附 近期發(fā)表研究論文：
[1] Xu ZW*, Ren HY, Cai JP, Wang RZ, Li MH, Han XG*, Lewis BJ, Jiang Y*. 2014. Effects of experimentally enhanced precipitation and nitrogen on resistance, recovery and resilience of plant cover in a semi-arid grassland following a natural drought. Oecologia, 176: 1187-1197. Doi: 10.1007/s00442-014-3081-9.
[2] Xu ZW？, Ren HY？, Li MH, van Ruijven J, Han XG, Wan SQ, Li H, Yu Q, Jiang Y*, Jiang L*. 2015. Environmental changes drive the temporal stability of semi-arid natural grasslands through altering species asynchrony. Journal of Ecology, Doi: 10.1111/1365-2745.12441.
[3] Xu ZW？, Ren HY？, Cai JP, Wang RZ, He P, Li MH, Lewis BJ, Han XG, Jiang Y*. 2015. Antithetical effects of nitrogen and water availability on community similarity of semiarid grasslands: Evidence from a nine-year manipulation experiment. Plant and Soil, Doi: 10.1007/s11104-015-2634-y.
[4] Wang RZ, Filley TR, Xu ZW, Wang X, Li MH, Zhang YG, Luo WT, Jiang Y*. 2014. Coupled response of soil carbon and nitrogen pools and enzyme activities to nitrogen and water addition in a semiarid grassland of Inner Mongolia. Plant and Soil, 381(1): 323-336. Doi : 10.1007/s11104-014-2129-2.
[5] Wang RZ, Dungait JAJ, Creamer CA, Cai JP, Li B, Xu ZW, Zhang YG, Ma YN, Jiang Y*. 2015. Carbon and nitrogen dynamics in soil aggregates under long-term N and water addition in a temperate steppe. Soil Science Society of America Journal, 79: 527-535 Doi:10.2136/sssaj2014.05.0201.
[6] Wang RZ, Dorodnikov M, Yang S, Zhang YY, Filley TR, Turco RF, Zhang YG, Xu ZW, Li H, Jiang Y*. 2015. Responses of enzymatic activities within soil aggregates to 9-year nitrogen and water addition in a semi-arid grassland. Soil Biology & Biochemistry, 81: 157-169. Doi:10.1016/j.2014.11.015.
