1. 科学问题
工业革命以来，土地利用变化、化石燃料燃烧以及氮肥施用等人类活动导致全球气候及大气组成发生显著变化。根据“政府间气候变化委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)”第六次评估报告结果(IPCC, 2021)，2010-2019年间地球地表平均温度相较于1850-1990年上升1.07°C (图1)，预计到本世纪末，还可能继续上升1.0-5.7°C。此外，地球地表温升幅度存在昼夜差异，夜间升温幅度显著高于白天(Xia et al. 2014)。与此同时，集约化农业、工业化和城市化以及大量化石燃料的使用显著提高大气活性氮沉降速率。例如，作为氮沉降速率最高的国家之一，中国的大气氮沉降速率在过去三十年间增长近60% (Yu et al. 2019)。因为温度和氮素有效性是植物生长的两类主要限制因子，气候变暖和大气氮沉降被预期将极大地影响植物生长、生产力以及生态系统碳循环过程(Song et al. 2019)。
图1. 地球地表温度上升趋势(引自IPCC, Climate Change 2021, The Physical Science Basis, pp. 6)。
全球湿地面积占陆地面积的5-8%，但其储存的有机碳占全球碳库的20-25%，湿地生态系统在全球碳汇过程中扮演着重要角色(Evans et al. 2021)。白洋淀是华北平原最大的浅水湖泊湿地生态系统，在洪涝调蓄、水源涵养、生物多样性保护等方面发挥着关键作用。白洋淀湿地经历了广泛的水质恶化、生物多样性减少等问题。在全球变化情景下，白洋淀湿地水质、植物生长以及生态系统碳循环过程是否会发生变化仍不清楚，阐明气候变暖、大气氮沉降及其交互作用对该区域湿地生态系统碳、氮、磷循环的影响，将有助于降低预测陆地生态系统响应和反馈全球变化的不确定性。为探究以上问题，全球变化生态学实验室于2021年在“河北雄安白洋淀湿地野外科学观测研究站”内设置气候变暖与冠层氮沉降实验，该实验通过人工模拟气候变暖和大气氮沉降全面评估气候变暖和氮添加及其交互作用对白洋淀湿地生态系统芦苇为主的水生植物群落多样性、生产力和碳循环过程的影响及潜在机制。
2.研究站点
本实验设置在“河北雄安白洋淀湿地野外科学观测研究站”，该站地处河北省雄安新区安新县白洋淀湿地保护区“白洋淀荷花大观园”内(38º56´N, 115º59´E, 海拔6 m)。白洋淀属海河流域大清河南支水系天然湖泊，位于北纬38º44´-38º59´、东经115º45´-116º07´之间，是华北平原上为数不多的淡水湖泊湿地之一，素有“华北明珠”之誉。白洋淀主要由被3700多条沟壕分割形成的143个大小不等的淀泊组成，其中万亩以上的淀泊七个，包括白洋淀、烧车淀、马棚淀、羊角淀、池鱼淀、石塘和小北淀。白洋淀区域内的主要地面景观为水体，其它地貌类型包括芦苇沼泽、台地以及浅滩湖滨带等，气候特征为温带大陆性季风气候。该区域典型挺水植物包括芦苇、荷花、泽泻、茨菇、荆三棱等，浮水植物包括泉生眼子菜、竹叶眼子菜、睡莲、萍蓬草、荇菜、菱角、芡实、王莲等，沉水植物包括轮叶黑藻、小茨藻、大茨藻、刚毛藻、轮藻、马来眼子菜、细叶眼子菜、篦齿眼子菜、水绵、狸藻等。
白洋淀地区长期(1955-2019)年均降水量525 mm，其中春季(3-5月)、夏季(6-8月)和秋季(9-11月)降水量分别占总降水量的11.6%、70.4%和16.0%。年均气温12.8ºC，最高温和最低温分别出现在7 月(43.3ºC)和1 月(-22.0ºC; 中国气象局数据共享系统)。白洋淀所在区域1955-2019 年间气象记录显示该地区年降水量呈现波动下降趋势(图2A)，而年均气温呈现快速上升趋势(图2B)。并且年均气温上升主要归因于年最低气温上升，年最高气温在过去65 年间轻微下降(图2C, D)。此外，年最低气温在春、夏、秋、冬四季均呈现上升趋势(图3)，其中春季和冬季最低气温升幅最大。2011-2015年间白洋淀区域大气氮沉降速率约为20 kg N ha-1 yr-1 (Yu et al. 2019)。
图2. 1955-2019 年间年降水量(A)、年均气温(B)、年最高气温(C)和年最低气温
图3. 1955-2019 年间春季(A)、夏季(B)、秋季(C)和冬季最低气温(D)。
3. 实验设计和控制方式
本实验采用随机区组设计(randomized complete block design)控制增温和大气氮沉降两项因素，设置四项处理：对照(control, C)、夜间增温(nithttime warming, W; 18:00-06:00, 当地时间)、冠层氮添加(canopy nitrogen addition, N)以及夜间增温+冠层氮添加(WN)。每项处理四次重复，共建有16座内部尺寸为4 m ×3 m 的混凝土样池，采用4排×4列布局(图4, 图5)。每座样池池壁厚0.3 m，池壁高度1.7 m，嵌入底泥1.1 m。池内水深0.3 m (使用自动补水装置保持水位)。
图4. 实验设计图。C: control (对照), W: nighttime warming (夜间增温), N: nitrogen addition (冠层氮添加), WN: nighttime warming plus nitrogen addition (夜间增温+冠层氮添加).
图5. 实验俯瞰图。
2021年4月12日，在每座4 m ×3 m样池中种植42簇芦苇(7行×6列)，为保证种植芦苇成活率，每簇芦苇茎秆30 cm以上部分全部切除。40天后，由根系新生的芦苇高度达到94.6 cm，平均每簇4.2株。在所有夜间增温处理样池上方2.85 m处，悬挂MRM-2420型红外辐射器(Kalglo Electronics IncBethlehem, PA, USA)，每年3月1日-11月30日间每日夜间(18:00-06:00)打开增温灯模拟夜间增温；在不增温样池相同高度悬挂大小和形状与红外辐射器相同的“假灯”，以消除增温灯的遮阴效应。冠层氮添加时间为每年的4月至9月，在氮添加样池内使用喷雾器在芦苇冠层喷洒尿素(CH4N2O)溶液，每月添加量为2 g N m-2 (分三次添加，每次每座氮添加样池施加17.16 g尿素)，每年总添加量为12 g N m-2。对照和夜间增温样池中喷洒等量纯水，以消除冠层氮添加过程中水分添加的影响。每年11月中旬，使用镰刀紧贴水面收割芦苇及其它挺水植物。
4. 实验测定
4.1. 空气、冠层、水体和底泥温度。使用DS1922L型纽扣温度计测定水面上方80 cm、水深15 cm以及底泥10 cm深处温度。测定频度：3-11月连续测定(间隔30分钟)。使用LI-COR 6800测定冠层温度。测定频度：3-11月每月3次日动态(5、15、25日)。
4.2. 水质。使用EXO2水质仪测定水质相关参数，包括水体电导率、氧化还原电位、浊度、溶解性总固体、pH值、盐度、水体叶绿素含量、溶解氧。测定频度：3-11月每月3次日动态(每月5、15、25日)；每次施氮后第一天、第三天、第五天、第七天各测定一次。
4.3. 元素含量分析。使用MACRO cube元素分析仪测定水体总碳、溶解有机碳，底泥总碳、有机碳及挺水植物叶片碳含量。LH-3BA水质仪测定底Fe2+、Fe3+、Mn2+、Mn4+含量。测定频度：4-10月每月测定水体元素含量一次。底泥元素含量10月初取0-90 cm样品测定一次。植物叶片9月初(生长峰值期)和11月末(叶片枯黄期)各取样测定一次。
4.4. 养分、淀粉和纤维素含量。1) 使用LH-3BA水质仪测定水体总氮、无机氮、总磷、化学需氧量，测定土壤总氮、无机氮、总磷，挺水植物叶片氮、磷含量。4-10月每月测定水体养分一次。10月初取0-90 cm底泥样品测定一次。植物叶片9月初(生长峰值期)和11月末(叶片枯黄期)各取样测定一次。2) 4、7、10月每月中旬日动态当天夜间增温开始后(18:00-19:00间)以及次日天亮前(05:00-06:00间)取芦苇叶片测定叶片糖分、淀粉含量。3) 10月初地上生物量样品取芦苇茎秆测定纤维素含量。
4.5. 芦苇物候、功能性状及挺水植物密度
4.5.1. 物候。物候自芦苇萌芽开始，记录样池内芦苇萌芽及展叶株数。所有样池展叶株数均超过300株后，每块样池内选取14株具有代表性的芦苇记录物候。测定频度：芦苇萌芽开始，每周测定一次。
4.5.2. 功能性状。每块样池内选取50株具有代表性的芦苇，记录高度、基径。测定频度：4-10月每2周测定一次。在标记中的芦苇中选取10株，记录叶片数、叶长、叶宽、叶面积、比叶面积。使用LI-COR 6800测定芦苇CO2响应曲线。测定频度：4-10月每月中旬测定一次。
4.5.3. 挺水植物密度。芦苇萌芽至完全展叶期间记录整个样池挺水植物数量，芦苇冠层完全封闭后采用多个大样方调查。测定频度：4-10月每月测定一次。
4.6. 生物量
4.6.1. 植物地上生物量 (沉水、浮水和挺水植物)。每年10月初，在每块样池内从水面位置剪取1 m × 0.4 m样方内所有挺水植物，11月中旬样池放水以后，剪取水下部分芦苇茎秆；在样池水体内放置0.4 m × 0.4 m × 0.4 m样方框剪取内部所有沉水和浮水植物；植物样品取样后立即带回实验室杀青、65°C烘干至恒重，称重获取生物量数据。测定频度：10月初取样测定一次。
4.6.2. 根生物量。在地上生物量取样样方内，使用7 cm直径土钻取0-70 cm底泥样品，采用冲洗法除去底泥，保留根系，带回实验室65°C烘干至恒重，称重获取根生物量数据。测定频度：10月初取样测定一次。
4.6.3. 植物地下净初级生产力。3月初在底泥内放置网袋(90 cm深)、11月中旬取出，采用冲洗法除去底泥，保留根系，带回实验室65°C烘干至恒重，称重获取地下净初级生产力数据。测定频度：11月中旬测定一次。
4.6.4. 浮游植物湿生物量、浮游动物密度。4、7、10每月取水样采用镜检法测定浮游植物湿生物量以及浮游动物密度。
4.7. 多样性调查及微生物碳氮
4.7.1. 浮游、沉水、浮水和挺水植物多样性。在样池内不同位置取1L水样、混匀，1%鲁哥试剂固定，显微镜观察记录浮游植物多样性。同时，观测并记录样池内沉水、浮水和挺水植物多样性。测定频度：4-10月每月测定一次。
4.7.2. 微生物碳氮含量及产甲烷菌、甲烷氧化菌高通量测序分析。取0-90 cm底泥样品(0-10、10-30、30-50、50-70、70-90 cm)测定微生物碳氮含量及产甲烷菌、甲烷氧化菌丰度。测定频度：10月底取样测定一次。
4.8. 碳通量
4.8.1. 叶片光合速率。使用LI-COR 6800测定芦苇及其它优势挺水植物叶片净光合速率和呼吸速率。测定频度：4-10月每月3次日动态(5、15、25日)。
4.8.2. 水体-大气界面CO2、CH4交换速率。使用LI-COR 7810测定水体-大气界面CO2、CH4交换速率 (直径20 cm透明环插入底泥10 cm)。为区分水体中沉水植物以及底泥中根系和微生物组分对水体-大气界面温室气体交换速率的贡献，安装另外两个测定环：1) 直径20 cm PVC环插入底泥10 cm；2) 直径20 cm PVC环插入底泥90 cm。测定频度：3-11月每月3次日动态(5、15、25日)。
4.8.3. 生态系统CO2、CH4交换速率。使用LI-COR 7810测定生态系统水平CO2、CH4交换速率，其中CO2交换速率包括总生态系统生产力(gross ecosystem productivity, GEP)、生态系统呼吸(ecosystem respiration, ER)以及净生态系统生产(net ecosystem productivity, NEP)。测定频度：3-11月每月3次日动态(5、15、25日)。
实验人员：郭云鹏、宋健、冯佳胤、王鸿鹏、张进华、王晓盼、韩煦
参考文献
Evans, C.D., Peacock, M., Baird, A.J., Artz, R., Burden, A, Callaghan, N., . . . Morrison, R. (2021). Overriding water table control on managed peatland greenhouse gas emissions. Nature, 593, 548-552.
IPCC, 2021: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press.
Song, J., Wan, S., Piao, S., Knapp, A.K., Classen, A.T., Vicca, S., . . . Zheng, M. (2019). A meta-analysis of 1,119 manipulative experiments on terrestrial carbon-cycling responses to global change. Nature Ecology & Evolution, 3, 1309-1320.
Xia, J., Chen, J., Piao, S., Ciais, P., Luo, Y., Wan, S. (2014). Terrestrial carbon cycle affected by non-uniform climate warming. Nature Geoscience, 7, 173-180.
Yu, G., Y. Jia, Y., He, N. He, Zhu, J. Zhu, Chen, Z. Chen, Wang, Q. Wang, … Goulding, S. Piao, X. Liu, H. He, X. Guo, Z. Wen, P. Li, G. Ding, and K. Goulding. (2019). Stabilization of atmospheric nitrogen deposition in China over the past decade. Nature Geoscience, 12, 424-429 (2019).