文章信息
文章题目：Elevated CO2 levels promote both carbon and nitrogen cycling in global forest
发表期刊：《Nature Climate Change》
影响因子：30.7
通讯作者：谷保静 教授
第一单位：浙江大学环境与资源学院
在线日期：2024-04-02
研究背景
森林作为重要的生态系统服务提供者的角色，特别是在碳汇方面对于基于自然的气候解决方案的重要性。随着大气中CO₂水平的不断上升，其对森林生态系统的生物生理和生物地球化学过程产生了显著影响，包括通过CO₂肥料效应刺激植物生长和生产力。过去五十年里，由于CO₂肥料效应，陆地碳汇的能力显著增强。
然而，碳库的改变高度依赖于氮的可用性，因此，在气候变化背景下，氮循环的响应可能决定森林是作为碳汇还是碳源。在高CO₂（eCO₂）条件下，森林中碳和氮的相互作用变得至关重要和复杂。通过开展自由空气CO₂富集（FACE）实验，提供了评估在更高大气CO₂水平下潜在响应模式的宝贵观测数据和机会。
全球约31%的森林主要用于木材和非木材产品的生产，近几十年来，由于氮沉降的增加和人类使用合成肥料，一些森林的氮输入和相关的活性氮（Nr）损失增加。但是，eCO₂作为气候变化的一个关键驱动因素对森林氮循环和Nr损失的具体影响，在全球森林中仍未得到充分的理解和量化。当前地球系统模型对氮循环及其对气候变化响应的表征尚不充分，特别是未能充分考虑碳和氮循环及其相互作用过程的反馈。因此，将碳和氮循环及其相互作用过程的反馈整合到森林管理政策制定中，对于适应和缓解未来气候变化的影响至关重要。
研究目的
本研究利用在森林中进行的 eCO2 实验的全球数据集来确定 eCO2 对碳和氮循环的影响。随后，我们通过将 eCO2 实验对碳氮循环的影响与全球森林碳氮预算相结合，提出了一个建模框架（扩展数据图 1）。这种整合使我们能够预测森林碳和氮预算的时空变化，以响应多种未来情景下的 eCO2。最后，我们对 eCO2 对全球森林碳氮循环的货币影响进行了评估，评估其对人类社会的经济影响。
研究方法
全球eCO₂实验数据收集与分析：研究者从全球范围内的eCO₂实验中收集数据，包括控制组（现有CO₂水平）和处理组（eCO₂）。这些实验数据涉及森林生态系统中碳和氮循环的关键参数，如植物净初级生产力（NPP）、生物固氮（BNF）、叶片C/N比率等。收集的数据来源于同行评审的期刊文章和权威数据库。
动态陆地生态模型（DLEM）与耦合人类与自然系统（CHANS）模型的应用：研究者使用DLEM模型和CHANS模型来构建一个全球森林碳和氮预算的格网化模型。DLEM模型模拟了由大气化学、气候变化、土地利用变化和干扰驱动的碳、水和氮的日循环，而CHANS模型专注于氮流的分析，整合了生物地球化学、生态和社会过程。
模型参数化与情景设计：研究者基于收集的eCO₂实验数据和现有的气候、土地利用变化数据对模型进行参数化。设计了两组情景，包括无气候变化的基线情景（SSP1和SSP2）和只考虑eCO₂作为气候变化驱动因素的eCO₂情景（SSP1-2.6和SSP2-4.5）。未来大气CO₂浓度数据来自于CMIP6模型。
模型模拟与影响评估：应用DLEM和CHANS模型，在不同的未来情景下进行模型模拟，预测eCO₂对全球森林碳和氮预算的时空变化。同时，研究者进行了一系列的影响评估，包括对eCO₂对森林资产影响的经济评估，涉及人类健康、生态系统服务、气候影响和森林产品。
不确定性分析：采用Monte Carlo模拟进行不确定性分析，通过1000次迭代生成模型输出的平均值和变异性，量化模型预测的不确定性范围。
研究结果
碳和氮循环的增强：eCO₂显著增强了森林的碳循环和氮循环。具体表现为净一级生产力（NPP）平均增加27%，叶片碳氮比（C/N比）增加26%，生物固氮（BNF）增加25%，以及氮利用效率（NUE）增加32%。
森林碳汇的增加：在2050年eCO₂中等道路情景下，森林碳汇预计增加0.28亿吨（PgC年⁻¹），相对于基线情景，反应性氮（Nr）损失减少8吨氮（TgN年⁻¹）。
全球森林碳和氮预算的时空变化：模拟结果显示，在eCO₂情景下，全球森林的碳汇、总氮输入、森林产品中的氮含量、生物量和土壤中的氮积累均有所增加，而氮损失减少。特别是在亚热带和热带森林中，碳汇增加和氮输入增加最为显著。
氮循环变化的空间差异：在不同地理区域和气候区之间，氮循环的响应存在显著差异。例如，生物固氮（BNF）在热带和亚热带森林中的增加最为显著，而在温带和寒带森林中的增加较小。
经济影响评估：eCO₂对森林碳和氮循环的影响在经济上估算价值约为2710亿美元，包括人类健康、生态系统服务、气候影响和森林产品方面的益处。其中，森林产品收益增加占据了主要部分。
图1 全球 eCO2 实验点以及 eCO2 对全球森林碳和氮变量的影响。a、采用多种熏蒸技术在森林中进行的eCO2实验，包括FACE、Open-Top Chamber（OTC）和GC（主要是Greenhouse、Growth Chamber等方法）。b，荟萃分析中关键碳循环和氮循环参数对 eCO2 的响应比。散点图表示观测值的响应比，带有误差条的菱形表示具有 95% 置信区间的响应比的平均值。括号中的数字表示观察的数量。Rs，土壤呼吸；SOC，土壤有机碳；DOC，溶解有机碳；MBC，微生物生物质碳；MBN，微生物生物量氮。
图2 2050年全球森林碳汇和氮收支及其在eCO2 SSP2-4.5中间路线情景与基线情景之间的变化。a-c，基线情景 (a) 和 eCO2 情景 (b) 中的碳汇（净生物群落生产力）和 ΔC 汇（eCO2 引起的变化）(c)。d–f、基线情景 (d) 和 eCO2 情景 (e) 中的 N 输入以及 ΔN 输入（eCO2 引起的变化）(f)。g–i，基线情景 (g) 和 eCO2 情景 (h) 中的 N 产品以及 ΔN 产品 (i)。j–l，基线情景 (j) 和 eCO2 情景 (k) 中的 Nr 损失以及 ΔNr 损失 (l)。图例中的值反映了网格单元 (0.5° × 0.5°) 内森林的年度预算。
图3 全球森林中的氮流量以及由于二氧化碳相对于 2050 年基线升高而产生的变化。a，2050 年 eCO2 SSP2–4.5 中间道路情景下全球森林中氮预算的示意图。绿色和黄色箭头分别代表氮输入和输出。深灰色的氮流量值代表基线情景中的流量，红色或蓝色值表示由于 CO2 升高而导致氮流量增加 (+) 或减少 (–)。单位为 Tg yr−1 N。b，1950-2050 年基线和 eCO2 SSP2-4.5 情景下的历史和未来大气 CO2 水平。
图4 2000 年至 2050 年期间基准情景和高二氧化碳情景下全球森林碳和氮预算的时间序列。a-f，实线代表森林面积（a）、碳汇（b）、总氮输入（c）、林产品（d）、氮积累（e）和Nr损失（f）的平均值。阴影代表平均值的标准差。
图5 相对于 2050 年基线，在二氧化碳浓度升高的中间情景 (SSP2-4.5) 下，大气二氧化碳浓度升高作为单一因素对森林的影响评估。正值表示效益。FSU，前苏联；中东和北非、中东和北非；OECD，经济合作与发展组织；SSA，撒哈拉以南非洲。