利用遥感和模型模拟研究氮沉降对中国陆地生态系统碳收支的影响

The impacts of rapid increasing of nitrogen deposition on global carbon budget have been one of the hot realm of global change studies. China has become a hotspot of global nitrogen deposition, but the effects of nitrogen deposition, along with nitrogen saturation effects, on national terrestrial carbon budget are still unclear. Taking the Chinese terrestrial ecosystem as the study area, this proposal estimates long-term nitrogen deposition by fusing atmosphere NO2 column concentration, simulation results of atmospheric chemistry model and ground emission data. Then meta-analysis and optimizing of model parameters are conducted to promote the performance of nitrogen control on carbon budget in a land surface processes based model IBIS (Integrated BIosphere Simulator). Finally, coupling the estimated nitrogen deposition, the model simulations aim to clarify the processes of typical terrestrial ecosystems carbon budget response to the rising nitrogen deposition and distinguish their differences, assess the impacts of nitrogen deposition and its saturation effects on terrestrial ecosystem carbon budget in China, evaluate the importance of nitrogen deposition for carbon sink capacity of terrestrial ecosystems among multiple global change factors. These findings will be benefit to accurately predict the change of terrestrial ecosystems carbon sink in China under the background of global change.

大气氮沉降的迅速增加对陆地生态系统碳收支的影响已经成为全球变化研究领域的热点问题之一。中国已经成为全球氮沉降又一集中区域，但氮沉降及其可能造成的氮饱和效应对我国陆地生态系统碳收支的影响尚不确定。本研究拟以中国陆地生态系统为研究对象，首先通过大气NO2卫星遥感数据、模式模拟结果、地表排放清单等数据综合估算长时间序列大气氮沉降；然后通过元数据分析结果改进陆面过程模型IBIS（Integrated BIosphere Simulator）中氮素对碳收支影响的模型表达，并进行参数化工作；最终将遥感估算的氮沉降数据与改进的模型相结合，通过模型模拟的方法阐明我国典型陆地生态系统碳收支对于氮沉降增加的响应过程和差异，评估氮沉降及其饱和效应对陆地生态系统碳收支的影响，衡量全球变化多要素中，氮沉降对中国陆地生态系统碳汇能力影响的重要程度，为准确预测未来全球变化背景下我国陆地生态系统碳源汇变化提供参考。

近年来，氮沉降的持续增加对生态系统碳收支的影响是全球变化研究的热点问题。本研究利用大气环境遥感和陆地生态系统模型模拟方法，主要开展了以下三个方面的研究工作：（1）长时间序列大气氮沉降数据的遥感估算；（2）氮饱和对生态系统碳收支影响的模型表达与参数优化；（3）模拟氮沉降对我国生态系统碳收支的影响。研究结果显示构建的基于卫星数据的大气氮沉降估算模型和时空演进算法能够较好的模拟过去40年我国大气氮沉降的时空动态变化过程。氮沉降估算结果显示，21世纪初，我国大气氮沉降平均水平为 1.3 g N m-2 yr-1，中国东部地区是氮沉降高值区域。在过去40年中我国大气氮沉降增加了大约121%，是全球增加最快的区域。大气氮沉降的增加不但与氮氧化物的排放有关，还与土地覆盖变化密切相关。研究进而以氮饱和假说为理论基础，改进了生态系统过程模型IBIS，通过元数据分析和蒙特卡洛方法，实现了氮饱和关键参数的优化。最终在卫星遥感氮沉降数据的驱动下，利用模型评估了氮沉降对我国生态系统碳收支的影响。模拟结果指出2000~2010年氮沉降增加促进中国NPP和NEP分别增加了92.2 Tg C yr−1和46.9 Tg C yr-1。在全国范围内来看，氮沉降的增加和植被氮需求的不匹配是造成了强烈的大气氮沉降对碳收支影响不显著的主要原因。但南方地区大气氮沉降的显著增加对碳水耦合过程中叶片生理和植被结构两个方面都产生了显著影响，因此明显提升了森林生态系统的水分利用效率。研究结果增进了对我国大气氮沉降时空动态变化的认识，在全国尺度上评价了氮沉降对生态系统碳收支的影响，有助于提高预测未来气候变化和生态系统响应的准确性，为制定适应性政策提供了科学依据。