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利用 IBIS 模型模拟氮饱和度对全球碳收支的影响

Xuehe Lu^1,2, Hong Jiang^1,2, Jinxun Liu³, Xiuying Zhang^1,2, Jiaxin Jin^1,2, Qiuan Zhu⁴, Zhen Zhang^1,2 amp; Changhui Peng⁴

在过去100年中，人类活动极大地改变了陆地生态系统中大气N（氮）沉降的速率，导致世界某些地区的N饱和。由于CN（碳 - 氮）相互作用和地理多样性的复杂性，N饱和度对全球碳收支的贡献仍然不确定。虽然大多数陆地生态系统模型中都包含N沉降，但N饱和的影响经常被忽视。在这项研究中，IBIS（综合生物圈模拟器）用于模拟1961 - 2009年期间N饱和度的全球尺度效应。该模型的结果表明，N饱和度分别使全球NPP（净初级生产力）和NEP（净生态系统生产率）降低0.26和0.03 Pg C yrminus;1。氮饱和度对碳固存的负面影响主要发生在温带森林和草原。为了应对CO2 浓度升高 ，全球氮营业额因生物量增长而减缓，导致土壤矿质氮下降.N循环的这些变化减少了氮饱和度对全球碳收支的影响。然而，在某些区域中升高的N沉降可以进一步改变N饱和度和CN耦合。

土壤中的活性N（氮）是植被生长的主要营养来源¹ 并对生态系统的C（碳）循环产生深远的影响^2.研究人员发现，N的局限性会影响全球生态系统的NPP（净初级生产力）^3,4.CO2 水平升高和气候变化共同加剧了这一局限^5,6.即使在富含N的热带森林中，N的可用性也是C平衡的关键调节因素⁷.基于模拟研究，全球N限制减少了前工业时期和21世纪初圣世纪之间19-162 Pg C（Pg = 10¹⁵g）的土地C积累^4,8,9

然而，N限制的全球模式可能会被N沉积改变^10,11.随着人类活动的增强（例如，化石燃料燃烧和氮肥施用），N沉积从19世纪60年代的不到1 Tg N yr^minus;1（Tg = 10¹²g）增加到25 Tg N yr^minus;1在2000年^12,13 在未来25年内可能翻番¹⁴.当生态系统的氮输入超过植物和微生物的需求时，会发生氮饱和，从而导致多种过程发生一系列变化，如氮矿化，硝化作用，硝酸盐浸出和碳氮化合物¹⁵。^15.欧洲和北美的实验表明，如果N沉积为2.5-3.0 gm^minus;2yr^minus;1，则会发生N饱和^16,17.在中国南方，研究人员发现，高水平的氮沉降（3.6-3.8克^minus;2年^minus;1）导致亚热带成熟森林的氮饱和^18.N饱和度与人为N沉积有关^19,20.在中国南方，N沉积从城乡样带上的2.6至6.5 g N m^minus;2yr^minus;1增加，导致城市和郊区森林的N饱和²¹

氮饱和度对生态系统的影响是复杂的。研究人员发现，在N饱和生态系统中，N的添加不会增加叶面氮元素²²这导致植物光合作用的减少^18,23.此外，N饱和度可以减少叶子和木材的C分配²4，限制土壤呼吸^25,26，减少微生物生物量²⁷ 并增加N浸出²⁸.然而，一些研究发现尽管饱和土壤N，N的添加继续导致地上生物量的C分配增加^29.此外，增加N浸出是第一个，而不是最后一个响应N加法的变量，这与N饱和假设中的陈述不同^20.该N饱和效应的复杂性可能是由于不同研究方法的空间和时间限制（例如，长期观察，梯度和实验研究）³⁰

生态系统模型适用于评估N在大空间和长时间尺度上对生态系统的影响。许多现有的CN（碳 - 氮）耦合模型已被用于评估全球C budg-ets44,8,^31–34.模拟显示，在CO2 水平升高的情况下，增加的N沉积促进了陆地生态系统在1990年代吸收了额外的0.3-1.3 Pg C yr^minus;1。^35.将来，N沉积增加可能会促使森林吸收额外的0.81 Pg C yr^minus;111.然而，在大规模建模研究中尚未考虑N饱和的过程。基于可用的N饱和度文献，我们修改了基于过程的陆地生态系统模型 - IBIS（综合生物圈模拟器） - 来测试N饱和度对生态系统光合作用，C分配和凋落物分解的影响。历史N沉积和气候变化数据用于推动模型模拟。进行模型实验以检查生态系统对增强的N沉积的响应，并评估在饱和CO2 条件下N饱和度对全球C收支的负面影响。

1江苏省地理信息科学与技术重点实验室，Xianlin Avenue 163，南京210093，中国。 图2南京大学国际地球系统科学研究所 Xianlin Avenue 163210093，中国。 3USGS 西部地理科学中心，门洛帕克，加利福尼亚州，94025，美国。 国家重点实验室Loess Plateau 的水土流失和旱地农业，西北农林科技大学，杨陵区712100。信件和索取材料的请求应发送到 h.j. (电子邮件: jiangghong@nju. edu. cn)

结果

N饱和度的全球模式。在我们的研究中，超过N临界载荷的N沉积被认为是N饱和。方法中介绍了模型修正，参数化和N临界空间分布确定的细节。当前N饱和度的空间分布如图所示图1a。 N饱和区主要位于美国，欧洲，印度和中国，而其他区域则表现出不同程度的N缺陷。饱和地区的植被主要是草原和温带森林。N饱和草原主要分布在印度和中国，小区域遍布欧洲各地。N饱和森林位于美国东部和欧洲。由于化石燃料燃烧和农业施肥，饱和区域中的N沉积很高³⁶

饱和区域不同植被类型的多年平均氮沉降示于图1b.N沉积总是超过美国温带森林的临界负荷，而在欧洲森林中，N沉积在1970年至2009年间减少，目前的N沉积仅略微超过N临界负荷。20世纪80年代，欧洲更多的温带森林位于N饱和区域，当时N沉积达到了过去40年来的最高值。在中国和印度，由于人类活动的加剧，氮沉降的快速增加导致了N饱和的草原。在2000年代，氮沉降远远超过N个临界负荷，表明中国和印度的N饱和草地的氮饱和度对生态系统有显着影响。

氮沉降对全球碳收支的影响。使用几种不同的模拟方案来评估N沉积对全球C收支的影响。这些模拟场景的详细信息列于表1. NCC（氮气CO2 气候）情景模拟了全球平均NPP和NEP（净生态系统生产力）的历史变化，结果如图S5所示。1970年代平均NPP为51.3 Pg C yr^minus;1，2000年代平均为55.9 Pg C yr^minus;1，而1970年代平均NEP为2.2 Pg C yr^minus;1和2.8 Pg C yr^minus;1在2000年代。由于气候变化，在过去40年中，CO2增加，氮沉降增加，NPP和NEP分别增加了9.0％和27.2％（图S5）。

通过比较NNC（无氮沉积变化）和NCC情景来评估N沉积对全球C收支的影响。结果表明，在过去的几十年中，N沉积对全球C收支产生了积极影响。增加的N沉积使NPP平均增加0.23 Pg C yr^minus;1（图。2a），占全球平均NPP的约0.44％（图。图2b）。N沉积促使NEP平均增加0.09 Pg C yr^minus;1（图。2c），相当于全球平均NEP的4.2％（图。2d).

在过去的40年中，N沉积总量增加了53％（图2e和f），虽然它没有导致全球核电厂和新经济政策的显著增加。在2000年代观察到N沉积的最大影响，NPP增加0.8％，NEP增加6.0％。通常，全局C同化受N可用性的限制。然而，生态系统中N的增加并未导致C同化的显着增加。N沉积的不均衡空间分布可能是陆地生态系统C同化与快速增加N沉积之间对比的主要原因。

图1.全局N饱和区域。（a）表示N饱和区域的分布;（b）显示了在不同时间段内主要N饱和区域的平均N沉降。地图是使用ArcGIS生成的

10.0软件（httPS：// w ^www. arcgiss. com/)和SigmaPlot版本12.0，来自Systat Software，Inc.，San Jose California USA（https://www.systatsoftware.com）。

表1.模拟实验的设计。 *当N饱和发生时，生物地球化学模型中的修饰因子设定为1。

图2.模拟场景NCC和NNC之间C收支的差异。（a）和（b）显示NPP差异和变化百分比;（c）和（d）显示NEP差异和变化百分比;（e）和（f）显示N沉降差异和变化百分比。

不同生态系统的氮沉降分布不均匀。在这项研究中，我们使用生态系统生物群系来检查不同生态系统中氮沉降的变化。生态系统生物群系由Roy等人定义。^37，此等数据集的全局模式由Beer等人展示。³⁸.在该数据集中，农田面积取自MODIS（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）土地覆盖图^39.作为单一的生物群落，2000年代，农田占全球总氮沉降（28.7％）的最大比例。在同一时期，森林生物群落共占全球总氮沉降量的约38.4％;热带，温带和北方针叶林分别占18.0％，14.9％和5.5％（表S4）。生物群落中N沉降速率的增加显着不同（表S4），N沉降的变化也是如此。热带森林中氮沉降迅速增加，约占全球总氮沉降增加的25.9％。温带森林生物群落也显着增加，占全球总氮沉降增加的11.3％。然而，北方森林生物群落中的氮沉降仅占全球总增加量的0.7％。与一些森林生物群落相比，一些非森林生物群落，包括农田，草地，灌木丛和稀树草原，在氮沉降中具有更显著的量和增加率（表S4）。

图3. N饱和度对全球C收支（NNS-NCC）的影响。（a）和（b）显示N饱和区域对NPP和NEP的N饱和效应。（c）和（d）显示了植被类型的N饱和效应。

空间分布和增长率限制了氮沉降对全球碳收支的影响。森林生物群落对全球C收支很重要，尽管所需N（对于森林C同化和吸收）与增加氮沉降之间的空间差异导致NPP和NEP的不太显着增

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