了解山波事件中的森林风害：来自挪威案例研究的启示

本研究利用CABLE模型模拟氮限制对土地利用变化中CO?排放的影响，发现氮限制在1960-2020年间使直接排放减少0.4 Pg C/年，间接排放减少0.24 Pg C/年，主要因土壤碳损失减少。该研究揭示了氮限制对碳预算评估的重要性，为减排政策提供依据。

　　

该研究聚焦于氮限制对土地利用变化（LUC）中二氧化碳（CO?）排放的影响机制，基于澳大利亚社区大气生物地球化学陆地交换模型（CABLE）的改进版本，结合多时间尺度模拟与观测数据对比，揭示了氮限制通过直接和间接途径显著降低CO?排放的规律。以下从研究背景、方法创新、关键发现及科学意义四个维度进行解读。### 一、研究背景与问题提出

全球气候变化背景下，土地利用变化导致的CO?排放已成为碳循环研究的重要议题。现有研究表明，氮素限制通过抑制植物光合作用、改变土壤分解速率等途径，显著影响生态系统碳汇能力。然而，传统模型多将氮限制视为单一因子，未能系统解析其在动态气候与CO?浓度升高协同作用下的复合效应。例如，GCB2023报告显示，不同模型对LUC排放的估算差异高达35 Pg C（或总排放量的42%），凸显了模型参数化与过程耦合的不足。研究团队针对这一关键科学问题，构建了包含氮循环模块的CABLE-CN模型，通过对比传统CABLE-C模型（不考虑氮限制）与CABLE-CN模型（纳入氮限制）的输出，量化了氮限制对直接排放（LUC主导过程）与间接排放（LUC与气候/CO?交互作用）的双重影响。研究选取1960-2020年与1701-1959年两个时段进行对比，以区分历史累积效应与当代气候变化的作用差异。### 二、方法创新与模型验证

研究采用改进的CABLE-CN模型，通过引入氮素循环模块，实现了对植物氮吸收、土壤氮矿化及微生物氮利用的动态模拟。模型验证显示，CABLE-CN在关键碳循环参数（GPP、ER、植被生物量、土壤有机碳）的模拟精度上达到0.6-0.9的皮尔逊相关系数，与ILAMB观测数据高度吻合。例如，全球植被生物量碳的模拟值（387 Pg C）与观测值（381 ± 2 Pg C）偏差仅1.5%，土壤碳模拟值（1658 Pg C）与HWSD数据库（1375 Pg C）的偏差源于高纬度地区土壤碳观测数据的局限性。模型设计上，创新性地将土地利用变化分解为直接效应（LUC）与间接效应（气候与CO?交互作用），并通过全因子实验设计（S0-S11共12组情景）分离各因子贡献。特别引入的S8-S11组别，通过对比初始条件（1959年土地利用状态）的CABLE-C与CABLE-CN模拟结果，精确量化了氮限制对特定土地利用类型（如森林-作物转换、冻土-针叶林转变）的动态影响。### 三、关键研究发现

1. **总排放量对比**：1960-2020年期间，CABLE-C模型估算全球LUC排放量为119 Pg C，而CABLE-CN模型因氮限制效应将排放量降低至73 Pg C，降幅达39%。这一结果与GCB2023的观测值（100 ±35 Pg C）和三个账簿模型（87 ±24 Pg C）形成对比，表明氮限制被长期低估。2. **直接与间接排放分解**：

- **直接排放（LUC）**：氮限制使直接排放量从1960-2020年的67 Pg C降至43 Pg C，降幅21%。主要机制是氮限制降低了原始植被（如针叶林、冻土）的碳密度，导致砍伐后土壤碳流失减少（降幅达22%）。例如，在俄罗斯北极冻土区（案例II），氮限制使原始冻土碳密度从51.4 kg C/m2降至24.6 kg C/m2，导致受体林地的土壤碳损失减少51%。

- **间接排放（I）**：间接排放贡献了总排放量的42%-58%，其中与CO?的交互作用（FXCO?）占比最高（约70%）。氮限制使间接排放量从1960-2020年的52 Pg C降至30 Pg C，降幅42%。典型案例显示，在亚马逊雨林（案例I）向作物转化的过程中，氮限制使受体作物地的土壤碳损失减少2.22 kg/m2，同时通过抑制CO?施肥效应，使间接排放降低4.9 kg/m2。3. **时空异质性**：

- **高纬度地区**：氮限制对直接排放的抑制效应显著（如北方针叶林→草地转化中土壤碳损失减少37%），但对间接排放的调节作用较弱。

- **热带地区**：氮限制通过抑制C4作物（如玉米、甘蔗）的光合作用，使间接排放降低达15%。例如，东南亚热带雨林砍伐后转为C4草地时，氮限制导致NPP减少84%，间接排放降低19%。

- **时间动态**：1960年后，随着大气CO?浓度从320 ppm升至420 ppm，氮限制对间接排放的调控作用增强（贡献率从32%升至45%），表明气候变化与CO?升高的协同效应放大了氮限制的作用。### 四、科学意义与政策启示

1. **理论突破**：首次在动态全球植被模型中实现氮限制对LUC排放的量化分解。研究证实，氮限制通过三重机制降低总排放：

- **碳源减少**：原始植被碳库规模缩小（如冻土区氮限制使碳密度降低50%）

- **过程抑制**：降低CO?施肥效应（如热带草地NPP下降76%）

- **交互作用弱化**：削弱LUC与气候变化的耦合效应（如北方高纬度地区间接排放降低58%）2. **政策优化**：

- **碳核算修正**：现有账簿模型低估氮限制效应，建议将氮循环参数纳入国家温室气体清单，修正2020年前后的LUC排放估算。

- **生态修复设计**：在森林恢复工程中，需优先考虑氮素补充措施。例如，对冻土区次生林恢复，氮添加可使土壤碳固存提升3倍。

- **气候变化适应**：未来RCP8.5情景下，氮限制对LUC排放的调节作用将更显著，需在碳汇项目设计中纳入氮循环管理。3. **模型改进方向**：

- **多营养耦合**：当前仅纳入氮限制，需补充磷循环模块。Zhang等（2014）研究表明，氮磷双限制可使LUC排放额外降低18%。

- **年龄分层处理**：现有模型未区分次生林年龄阶段，导致对快速生长林（<10年）与成熟林（>50年）的碳动态响应失真。

- **观测数据校准**：需建立跨纬度、跨季节的氮循环观测网络，特别是热带雨林和北方冻土区的长期定位观测。### 五、研究局限与展望

1. **模型局限性**：

- 未考虑氮沉积的时空异质性（研究假设氮沉积率稳定）

- 对氮循环关键过程（如反硝化作用、硝化微生物群落）的参数化精度不足

- 未纳入农业管理措施（如精准施肥）对氮限制的缓解作用2. **未来研究方向**：

- 开发氮磷协同限制模型（N-P limitation coupled model）

- 建立基于遥感与地面观测的氮循环数据同化系统

- 探索氮循环与气候变化的非线性反馈机制（如氮限制加剧干旱区的碳排放）该研究为联合国气候变化框架公约（UNFCCC）第28次缔约方大会（COP28）的"气候-土地-海洋"协同行动提供了科学依据。建议在《巴黎协定》实施细则中增加氮循环管理条款，将氮素投入纳入国家自主贡献（NDC）评估体系，以实现"碳中和"目标与粮食安全、生态保护的协同。