东亚区域碳-氮-水循环与气候的相互作用机制及其对未来极端降水的响应

The nitrogen fertilizer has been increasing in the past 30 year in East Asia, and this area has become one of the three largest nitrogen deposition regions across the globe. It is urgent need to study the carbon-nitrogen-water-atmosphere interaction mechanism in terrestrial ecosystems, and to assess its regional climate-environment effect under the background of high nitrogen input. By collecting and compiling the carbon-nitrogen-water cycle data in recent 30 years, the regional scale spatiotemporal variation of the cycles will be diagnosed and exposed. By coupling the land surface model AVIM with carbon-nitrogen-water cycles into the regional climate model WRF, a regional climate-environment platform can be built to study the interaction mechanism between carbon, nitrogen, water and air at regional scale, and to evaluate its climate-environment effect. The extreme precipitation will enhance in the future in East Asia, and the nitrogen fertilizer will be used increasingly, thus using this platform to explore the carbon-nitrogen-water-atmosphere evolution and its response to the extreme precipitation will provide scientific basis for our living environment change due to pressure of the growing food production. It also will present the assessment of the contribution of China agricultural production to green house gases in science.

东亚地区过去30年氮肥施用量日益增长，氮沉降量已成为世界三大区域中心之一，在当前高强度氮输入的情况下，陆地生态系统中碳-氮-水循环与气候的相互作用机制以及碳-氮-水循环带来的区域气候-环境效应问题亟需研究和评估，通过收集整理过去30年的碳-氮-水循环资料诊断分析其时空变化的基本客观事实；利用含有碳-氮-水循环过程的陆面模式AVIM与区域模式WRF耦合建立一个区域气候-环境模拟平台，研究区域尺度碳-氮-水-气的相互作用机制并评估其气候-环境效应；未来东亚地区的极端降水将出现增强的趋势，氮肥施用在未来几十年也将保持较高的投入，利用区域气候-环境模拟平台研究东亚区域特别是中国的碳-氮-水循环演变趋势以及对极端降水的响应，为我国的粮食增产需求下的生存环境演变提供科学支撑，也为我国的农业生产对温室气体排放的贡献提供科学评估。

东亚地区过去几十年氮沉降出现了明显的增加趋势，已经和欧洲、北美并列为世界最大的三大氮沉降地区。陆地生态系统中碳氮水循环变化与气候的相互作用机制以及碳氮水循环带来的区域气候环境效应问题亟需研究和评估。通过收集整理过去百年的碳氮水循环资料诊断分析其时空变化的基本客观事实，阐明了东亚区域特别是中国的碳氮水循环变化，探明了区域尺度的碳氮水循环历史变化相互之间的内在联系，碳氮通量在青藏高原、干旱半干旱区和东北地区有较好相关。研发了东亚区域耦合碳氮循环过程和水文模块的气候环境模拟系统，开展了区域碳氮水循环相互作用机理研究，研究了碳氮水循环的相互作用以及对区域气候环境的反馈和影响机制，给出了不同气候敏感度的区域碳氮水循环的影响反馈机理，在中国大部分地区，NPP年际变化降水变化是最为重要的驱动因素，生物固氮主要在陆地生态中起到增加碳储量的作用，特别是在中高纬度的北方森林地区，在整个碳储量增加作用中能占到28%，在中国东部局部地区会引起一定的碳储量减小。氮沉降也主要是促进碳储量的增加，特别是在40-60N中纬度地区，热带地区的氮沉降影响较小。生物固氮目前的研究有较大不确定性，也是碳氮循环研究误差较大的原因之一。氮添加对碳通量有较大影响，对蒸散发的影响相对较小。未来我国东部地区有利于碳通量的增长，华中地区将在全国NPP年际变化中发挥关键作用，这种贡献约为24.6%。给出了ENSO和上层大气异常变暖双重因子调控全球碳循环关键过程的机制，加深了对全球变暖影响碳循环关键过程的动力学机制的理解。本项目研究能为我国的粮食增产需求下的生存环境演变提供科学支撑，能为我国的农业生产对温室气体排放的贡献提供科学评估，也能为碳中和路径的实现提供相关的科学数据参考。