地球系统模型中的氮循环：从约束碳预算到预测污染以促进行星管理

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Nitrogen Cycling in Earth System Models: From Constraining Carbon Budgets to Projecting Pollution for Planetary Stewardship

氮循环在地球系统模型（ESMs）中的整合对气候预测和生态系统服务评估至关重要。当前ESMs主要关注氮对陆地初级生产力的限制，但忽视了氮向大气和海洋的损失，这些过程受人类活动（如化肥使用和土地利用变化）显著影响，并涉及温室气体排放、空气质量、水污染及生物多样性等问题。研究指出，ESMs需实现氮循环与大气、海洋模块的完全交互，以准确模拟氮从陆地到大气海洋的连续体传输，进而改进气候变暖预测及氮污染治理政策。

　　人类活动正在以前所未有的规模和速度改变地球的生态系统，从大气层到陆地再到海洋，这种变化正在破坏地球系统的稳定性与韧性，影响其维持生命的能力。作为理解与预测气候变化的最重要工具之一，地球系统模型（Earth System Models, ESMs）已经逐步将陆地氮循环纳入其模拟框架。氮是植物生长的重要限制性营养元素，同时也是碳储存和生态系统功能的关键组成部分。然而，尽管ESMs在模拟陆地氮循环方面取得了一定进展，它们在描述氮从陆地生态系统向大气和水圈的流失过程方面仍然存在明显不足。这些氮流失过程，如土壤和野火中氮气的排放，以及通过陆地-水体-海洋的连续体传输氮化合物，对气候系统和生态系统服务具有深远影响，但目前尚未被充分纳入模型中。

氮循环与气候变化之间的关系复杂且多层次。一方面，氮的限制作用会影响陆地生态系统的碳吸收能力，从而改变碳浓度反馈机制。另一方面，氮气的排放会通过形成温室气体（如臭氧）和改变大气中氮氧化物的浓度，对气候产生直接或间接的影响。例如，土壤中的氮氧化物（N?O）排放是重要的温室气体，而氨（NH?）和氮氧化物（NO?）则可能通过形成气溶胶来产生冷却效应。此外，野火不仅会释放二氧化碳和甲烷，还会释放氮气及其相关气溶胶，这些物质在气候变化背景下可能进一步加剧全球变暖。

当前，大多数ESMs仅将氮循环作为限制植物生产力和碳封存的手段，而非将其视为一个动态的、与大气和水圈相互作用的系统。这种局限性导致了对氮气排放路径及其气候影响的忽略，从而影响了对未来气候情景的准确预测。在ESMs中，陆地氮流失通常以“外推”方式处理，即通过观测数据或独立模型得出的氮输入作为固定输入，而不是与模型内部的陆地氮循环过程动态交互。这种处理方式在一定程度上掩盖了氮循环与碳循环之间的复杂反馈关系，使得模型难以准确反映氮对生态系统服务和全球气候的综合影响。

随着全球氮输入的持续增加，尤其是由于化肥的广泛使用和化石燃料燃烧带来的氮沉降，陆地氮流失的规模和复杂性也相应提升。这些氮输入不仅改变了全球生物地球化学循环，还对人类福祉产生了深远影响。例如，氮肥的使用虽然提高了粮食产量，但仅有不到25%的氮被有效利用，其余则通过大气和水圈流失，导致一系列负面后果，如空气污染、水体富营养化和生态系统退化。这些影响涉及多个可持续发展目标，如消除饥饿、保障健康与福祉、改善水资源管理、应对气候变化、保护海洋和陆地生态系统等。因此，全面、动态地模拟氮循环及其与大气和水圈的相互作用，对于制定有效的政策和管理策略至关重要。

在ESMs中，氮的输入、输出和转化过程仍然存在许多不确定性。例如，植物对氮的获取策略、土壤微生物对氮的转化能力、氮在陆地-水体-海洋连续体中的传输路径等，都对模型的准确性构成挑战。目前，只有少数ESMs实现了氮循环与大气和海洋模块的完全交互，而大多数模型仍然采用“外推”方法，这限制了它们对氮对生态系统和气候的全面评估。例如，在某些ESMs中，氮沉降被作为固定输入，而土壤氮气排放则通过观测数据或独立模型推导得出，缺乏与模型内部氮循环过程的动态联系。

此外，氮的动态影响还涉及多个地球系统过程。例如，氮的排放不仅影响大气中的温室气体浓度，还可能通过改变气溶胶的光学性质和化学反应，影响太阳辐射的散射和吸收，进而改变气候的辐射平衡。在陆地生态系统中，氮的流失还可能通过改变土壤微生物活性、植物生长和生物多样性，间接影响碳循环和生态系统功能。因此，全面的氮循环模型需要能够模拟氮的输入、输出、转化和传输，同时与大气和水圈模块进行动态交互，以捕捉氮对全球气候变化和生态系统服务的多维影响。

尽管当前的研究已经揭示了氮循环在气候变化和生态系统服务中的重要作用，但ESMs在模拟氮循环及其与大气和水圈的相互作用方面仍然存在不足。例如，在CMIP6中，只有部分ESMs实现了氮循环与大气和海洋模块的完全交互，而大多数模型仍然采用“外推”方法，这限制了它们对氮对全球气候和生态系统影响的全面评估。因此，为了提高气候模型的准确性，并更好地支持全球政策制定，需要推动氮循环在ESMs中的全面整合。这不仅有助于更精确地预测未来的气候变化趋势，还能为减少氮污染及其对生态系统和人类健康的负面影响提供科学依据。

未来，随着模型分辨率的提高和数据合成技术的发展，ESMs有望在氮循环的模拟方面取得更大进展。例如，通过整合陆地、大气和海洋模块，模型可以更准确地捕捉氮在不同生态系统中的流动路径及其对气候和环境的综合影响。此外，氮循环的模拟还需要结合实地观测数据和实验研究，以提高模型的可信度和实用性。例如，利用随机森林模型和分布式观测数据，可以生成更精确的全球氮循环地图，从而为模型的校准和验证提供支持。

在政策层面，氮循环的全面模拟对于实现可持续发展目标具有重要意义。当前，全球氮输入已经远远超过了安全阈值，导致生态系统退化和气候变暖。因此，制定有效的氮管理政策，减少氮污染并提高氮利用效率，是实现全球可持续发展的重要途径。ESMs可以作为评估不同氮管理策略的工具，帮助政策制定者了解氮对气候变化、空气质量、水体健康和生物多样性的综合影响，从而优化政策选择。

综上所述，氮循环在地球系统中的作用不仅限于碳循环，它还通过多种机制影响气候变化和生态系统服务。因此，将氮循环与大气和水圈模块进行动态交互，是提升ESMs预测能力的关键步骤。这一整合不仅可以提高对全球气候变化的预测精度，还能为应对氮污染及其对生态系统和人类健康的负面影响提供科学支持。随着技术的进步和数据的完善，未来ESMs有望成为连接全球气候变化与地方管理政策的重要桥梁，推动更全面和可持续的地球系统研究。