科研进展 | 中科院地理资源所于贵瑞院士团队揭示中国陆地碳汇对大气氮沉降变化转型的响应
- ：数据中心
- ：2025-06-24
在经济结构调整和多种环境控制措施的共同作用下，中国大气氮沉降在过去几十年间的变化表现出转型特征，由20 世纪 80 年代以来的显著上升转变为2001-2005 年趋于稳定、近年来有所下降的趋势。然而，目前常用的全球大气化学传输模型往往低估了中国区域大气氮沉降水平，并且未能捕捉到这种变化趋势的转变。这种大气氮沉降的转型变化如何影响中国陆地碳吸收尚缺乏系统研究。
基于Yu等（2019，Nature Geoscience）构建的中国大气氮沉降数据集，利用过程模型（CLM4.5）、化学计量法和基于森林清查资料的统计分析等三种方法，量化了1990-2015 年大气氮沉降变化对中国陆地碳汇的影响。结果表明，尽管中国大气氮沉降增加速率由1990-2005年的0.37 Tg N yr-2降为2006-2015年的0.05 Tg N yr-2，但是中国陆地净生态系统生产力（NEP）年总量依然呈现持续上升趋势，由前一时段的7.89 Tg C yr-2增至13.79 Tg C yr-2。其中，由大气氮沉降增加引起的陆地碳汇增量（∆CNdep）的变化速率由1990-2005年的4.42 Tg C yr-2增加为2006-2015年5.64 Tg C yr-2（图1）。
图1 1990-2015年中国大气氮沉降（a）、气候和CO2（b）、净生态系统生产力NEP（c）和大气氮沉降增加引起的陆地碳汇增量∆CNdep（d）距平。
使用常用的全球大气氮沉降数据集会明显低估中国陆地碳汇的大小和趋势。与利用Yu等（2019）氮沉降数据的模拟结果相比，采用MsTMIP、TRENDY和CLM默认氮沉降数据模拟的陆地碳汇（NBP）年总量多年平均值分别偏低0.061（18%）、0.117（35%）和0.076 Pg C yr-1（23%）。碳汇低估区域主要分布在亚热带热带季风气候区（IV）和温带季风气候区（II），这2个气候区NBP的低估占全国低估量的79%-95%（图2）。
图2 1990-2015年不同大气氮沉降数据的差异及其对中国陆地碳汇模拟结果的影响。（a）中国区域大气氮沉降逐年平均值；（b）中国4个气候区大气氮沉降总量多年平均值；（c）采用MsTMIP、TRENDY、CLM默认氮沉降驱动CLM4.5模型模拟的NBP与采用Yu等（2019）氮沉降数据模拟结果的差异；（d）大气氮沉降量增加引起的中国陆地碳汇增量（∆CNdep）的时间变化趋势。I、II、III、IV 分别表示温带大陆性气候区、温带季风气候区、青藏高寒气候区、热带亚热带季风气候区。
大气氮沉降增加引起的陆地NEP增量（∆CNdep）具有很大的空间异质性。NEP增量主要分布在东部季风区，其中亚热带热带季风区和温带季风区的贡献分别占63%和25%（图3a）。大气氮沉降增加对森林生态系统固碳功能的促进作用最强（图3b）。基于CLM4.5模型估算的1990-2015年氮沉降引起的森林NEP增加量为0.166 Pg C yr-1，占全国陆地NEP增量的65%。利用化学计量方法和基于森林清查资料的统计方法（仅考虑植被碳汇）推算的森林碳汇增加量分别为0.145 和0.115 Pg C yr-1。森林生态系统的∆CNdep较高是由于森林生态系统同时具有高的氮沉降量和高的单位氮沉降引起的碳吸收量。
图3 大气氮沉降增加引起的碳汇增量（∆CNdep）、大气氮沉降增加量（∆Ndep）和单位氮沉降引起的碳吸收量（CRN）在不同气候区和不同生态系统类型之间的差异。Stoichiometry 和Inventory分别代表本研究利用化学计量法和基于森林清查资料的统计方法计算的结果。
利用情景模拟试验进一步量化了氮沉降直接作用及其与其他环境因子的交互作用对∆CNdep变化的相对贡献。∆CNdep的大小主要受大气氮沉降的直接作用主导，其中大气氮沉降和大气CO2交互作用总体上强于氮沉降增加与降水和气温变化的交互作用。但是，大气氮沉降与其他环境因子的交互作用对∆CNdep变化趋势的影响却明显大于直接作用，特别是氮沉降和降水的交互作用对∆CNdep变化趋势具有重要贡献（图4）。该研究指出了深入理解氮沉降与环境因子之间交互作用机制的重要意义，这对预测未来氮沉降变化如何影响陆地碳汇具有重要作用。
图4 大气氮沉降增加引起的碳汇增量（∆CNdep）的变化趋势。（a）1990-2005、2006-2015年∆CNdep趋势的总贡献（Combined effect）、氮沉降直接作用（Direct effect）和交互作用（Interactive effect）；（b）1990-2005、2006-2015年不同气候区交互作用引起的∆CNdep趋势；（c）2006-2015与1990-2005年交互作用导致的∆CNdep趋势差值；（d）2006-2015与1990-2005年降水量、气温和CO2趋势差异。
上述研究结果以“Response of China’s terrestrial carbon uptake to shift in nitrogen deposition”为题，于2025年6月发表于地学TOP期刊Earth’s Future。中国科学院地理科学与资源研究所、国家生态科学数据中心张黎副研究员和天津大学李攀博士为论文第一作者，地理资源所于贵瑞院士、国家生态科学数据中心何洪林研究员为通讯作者。河北农业大学贾彦龙副教授、地理资源所朱剑兴副研究员和任小丽副研究员、南京大学居为民教授、鲁东大学张春华副教授等参与该项研究工作。该研究得到国家自然科学基金委基础中心项目（31988102）、重点项目（42141005）、国际合作项目（42261144688）和面上项目（31971512）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1029/2024EF004946