《Atmospheric Environment》：Climate extremes drive increased fire nitrogen release in boreal forest
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摘要尽管通过直接反应性氮（Nr）排放对空气质量和人体健康影响日益增大，北方针叶林却较少受到关注。本文基于2000年以来的卫星记录，更新提供了全球火灾氮排放估算，并发现暖而干的季节触发了前所未有的北方针叶林火灾氮排放阶段性激增。2000—2020年间，北半球50°N以北的北方针
摘要
尽管通过直接反应性氮（Nr）排放对空气质量和人体健康影响日益增大，北方针叶林却较少受到关注。本文基于2000年以来的卫星记录，更新提供了全球火灾氮排放估算，并发现暖而干的季节触发了前所未有的北方针叶林火灾氮排放阶段性激增。2000—2020年间，北半球50°N以北的北方针叶林地区火灾氮排放维持着较为稳定的背景基准；而2021年的极端气候事件则引发了一次异常的脉冲式排放，达到2.88 Tg N/yr。受2021年北美与欧亚北方针叶林严重干旱驱动，北方针叶林火灾贡献了全球火灾氮排放的27%（2.88 Tg N）。METOP卫星观测数据也证实了大范围NH?异常。我们的研究为不断频繁的极端北方针叶林火灾显著扰动全球氮循环提供了证据。
引言
火灾影响空气质量与气候，是大气反应性氮（Nr）污染物（NH?和NO?）以及温室气体（如CO?和N?O）的重要来源。NH?和NO?均是PM?.?与全球Nr沉降的重要前体物（Sillman, 1999），对人体健康、生物多样性、土壤酸化、水体富营养化及气候动态影响深远（Krupa, 2003; Lammel and Grassl, 1995）。人类活动日益影响火灾，并成为火灾氮排放的重要驱动因素（Bowman et al., 2011）。全球每年由野火产生的Nr排放约为10.5 Tg，大致相当于全球化石燃料排放的21%（Vuuren et al., 2011）。
除集约化农业、化石燃料燃烧、土地利用变化等人为源外，由气候变化引起的干旱正使野火更频繁、更严重，导致短时间内大量氮排放（Abatzoglou et al., 2019; Coppola et al., 2022; Senande-Rivera et al., 2022）。尽管这些火灾驱动的排放峰值迅速，其长期影响包括改变土壤氮储量、火后生态系统恢复以及与人为氮输入的相互作用，可进一步影响区域和全球氮动态。以往研究突出强调了对热带森林火灾的广泛担忧，尤其是在亚马逊和东南亚地区，那里植被生物量密度高、氮含量丰富，导致火灾引发的排放规模较大（Gatti et al., 2021; Pearson et al., 2017）。然而，北方针叶林作为地球上最大、最重要的生物群落之一，所受到的关注却远远不足，尽管北极变暖速度已快于全球平均水平（Rantanen et al., 2022）。监测和模拟火灾氮排放的空间和时间变化，对于理解氮—气候反馈机制及Nr减排努力所面临的风险至关重要。过去几十年，生物质燃烧排放主要通过"自下而上"方法估算，该方法对燃料负荷、燃烧强度与燃烧效率进行建模（van der Werf et al., 2017），能较好地重现野外观测到的平均燃烧条件和排放水平。然而，这些方法难以准确刻画极端燃烧（即高强度火灾，通常与干旱状况相关）所导致的排放（van der Velde et al., 2021），且不易直接用于全球尺度排放估算。近年来，随着遥感技术的发展，许多"自上而下"的估算方法源于遥感观测（Beirle et al., 2019; Dammers et al., 2019），但其精度仍受限于模型和卫星数据分辨率。
本研究采用近期高质量的干物质燃烧卫星测量数据，并考虑了小型火灾（van der Werf et al., 2017）——即单个500米MODIS像元内燃烧面积小于21公顷的火灾。这些数据结合我们更新后的NH?与NO?排放因子汇编，用于估算2000—2021年全球生物质燃烧氮排放的高精度结果。本研究在先前研究（Andreae, 2019; Andreae and Merlet, 2001）基础上进一步拓展，对全球火灾相关氮排放的区域格局与气候—火灾反馈机制提供更细致的分析，尤其关注2021年北方针叶林（>50°N）排放的异常及其气候驱动因素。
分节摘要
排放因子
估算Nr排放需要目标气体的排放因子（EFs）（本研究涉及NH?和NO?）。我们采用关键词"biomass burning"（生物质燃烧）、"emission factors"（排放因子）以及"NH? or NO?"，从文献中收集了NH?与NO?的排放信息。本文方法学思路类似于Andreae and Merlet（Andreae and Merlet, 2001）以及Andreae（2019）所采用的方法。因此，本节将简要概述其定义与计算方法，并重点强调
全球火灾氮排放的空间格局
我们以2010年作为典型案例，展示全球生物质燃烧NO?与NH?排放的格局，因为该年并未出现类似2019年澳大利亚大范围野火的极端异常（图S2）。总排放量分别约为6.5和4.0 Tg N（图1）。植被覆盖度高（图2A）的热带地区更容易发生火灾，占全球火灾氮排放的87%（9.2 Tg N，其中NH?占35%，NO?占65%）。北部地区占比11%，
作者贡献声明（CRediT）
刘璞（Pu Liu）：综述与编辑、原创手稿撰写、方法学、形式化分析。王佳妮（Jiani Wang）：原创手稿撰写、调查、形式化分析、数据整理。徐航（Hang Xu）：综述与编辑、验证、数据整理。刘胜（Sheng Liu）：综述与编辑、指导、项目管理、方法学。丁佳（Jia Ding）：综述与编辑、可视化。杨雨钰（Yuyu Yang）：综述与编辑、可视化。刘磊（Lei Liu）：综述与编辑、原创手稿撰写，
基金资助
本研究受到国家自然科学基金委员会（T2522038、42371324和42001347）、江苏省基础研究计划（BK20250111）以及甘肃省优秀青年基金项目（25JRRA629）资助。
利益冲突声明
作者声明不存在已知可能影响本文研究成果的竞争经济利益或个人关系。
致谢
我们感谢欧洲航天局（ESA）在MetOp卫星上搭载IASI仪器的团队。我们感谢欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA5数据。我们也感谢在线火排放数据集背后的科研与技术人员团队。
Pu Liu|Jiani Wang|Hang Xu|Sheng Liu|Jia Ding|Yuyu Yang|Lei Liu
中国科学院南京地理与湖泊研究所 水安全湖泊与流域科学重点实验室，南京，211135，中国
