化石燃料燃燒和土地利用等人類活動向大氣排放了大量的二氧化碳，導致了全球變暖，也從而改變全球水文循環。模型模擬顯示全球和區域尺度上未來的降水格局還將發生顯著的變化。例如，政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告顯示北半球中緯度地區降雨量會增加、降雨量的年際間變異以及極端降雨事件的頻率也會增加。在干旱半干旱地區，降水增加很可能會提高植物生產力和生態系統碳吸存，因而減緩未來氣候變化。但是有關降雨對生產力的影響證據主要來自多地區或者相同地區多年份的自然降雨梯度實驗、或者降水變化短期的控制實驗（<5年）。降雨增加是否持久提高草地生態系統植物生產力仍然不清楚。
中國科學院沈陽應用生態研究所方運霆和姜勇兩個團隊與中國科學院植物研究所韓興國團隊等合作，通過在中科院多倫恢復生態學實驗站內蒙古典型草原進行十年的水分和氮素添加控制實驗，發現在實驗處理前六年，降雨增加顯著提高植物生產力、土壤可利用氮和葉片氮含量。但是，在接下來的四年，降雨增加不再提高植物生產力以及土壤和植物氮含量。然而在水氮同時添加的處理中，植物生產力持續增加，土壤可利用氮和葉片氮含量也持續增加（圖1）。該研究結果表明在長期的降水增多后，氮供給限制了水分對植物生產力的促進作用，也表明過去的模型高估了降水對草地生態系統生產力和碳吸存的作用。通過對植物和土壤、土壤銨態氮和硝態氮的穩定同位素自然豐度的進一步研究，發現實驗后期降雨增加導致氮損失增多，其中反硝化作用很可能是氮損失的重要途徑，從而加劇了氮供給對植物生長的限制（圖2）。這些結果表明草地生態系統對長期降雨增加的響應格局受土壤氮可利用性的調節，長期降雨增加會導致半干旱地區從水氮共同限制轉變為氮獨立限制，也表明氣候變化將誘導生態系統資源限制類型發生改變。
該成果于3月30日在線發表于《生態學專論》（Ecological Monographs）。方運霆團隊的任海燕和姜勇團隊的徐柱文為論文共同第一作者，方運霆為通訊作者。該研究得到了國家重點研發項目、中科院戰略先導項目、國家自然科學基金和中國博士后科學基金的資助。
圖1.水分和氮添加對內蒙古典型草地生態系統凈初級生產力（A）、土壤可利用氮含量（B）和植物氮濃度（C）的影響。Control、Water、N和Water + N分別表示對照（不加水也不加氮）、水分添加、氮添加、水分和氮同時添加四個處理。
圖2.水分和氮添加對內蒙古典型草地植物和土壤穩定同位素特征的影響。處理八年后，水分添加、氮添加或水分氮同時添加處理都增加植物、土壤、土壤銨態氮和銨態氮15N自然豐度，說明這些處理加速了的土壤氮循環和氮損失。土壤硝酸鹽18O和15N自然豐度的相關性能說明反硝化作用（氣態氮損失主要途徑）的發生，因為反硝化作用發生會導致剩余沒有被利用的硝酸鹽18O和15N自然豐度按0.5到1的比例增加（本研究的比例是0.56）。