气候变暖或导致全球氮循环流程的剧变

氮是地球生态环境中常见的几种元素之一，是大气中含量最高的元素，也是地球生态循环中的深度参与者。因此，影响甚至改变氮元素在环境中的存在和循环现状可能会深度影响全球。2023年8月7日，四位来自卡耐基科学研究所（Carnegie Institution for Science）的科学家发布在《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences）的新研究引发了人们的关注。

就如这个研究的题目 —— 《气候变暖可能抵销降水的改变对河流氮负荷的影响》（“Warming may offset impact of precipitation changes on riverine nitrogen loading”）所示，该研究从美国的大陆区域内河流的氮负荷（Nitrogen loading）的改变和对未来的预测出发，揭示了气候变暖对氮循环和分布带来的影响在美国大陆地区正在超过降雨量改变带来的影响，并以此提示这种趋势可能意味着全球范围内的氮循环流程也正在改变。这种改变会对水体和生态系统带来深远影响，进一步说明了氮循环与气候变化之间错综复杂的关系。

在研究中，科学家们主要通过持续监测水体氮浓度和水流量数据，定量评估了美国大陆地区河流中的氮负荷变化情况。相较于以往的相关研究，这项研究的数据规模更加庞大，涵盖了全美国258个由美国地质调查局（United States Geological Survey）管理的监测站数据，时间跨度从1981年至2017年。这一更大规模数据集的存在使得研究团队能够更好地理解氮负荷的时空分布以及长期变化趋势。

在研究过程中，研究团队将多个其他环境因素纳入了考量，包括氮通过人类农业活动等途径的输入量、降水情况改变和土地利用规模。为了更好地解析这些因素之间的复杂关系，研究人员运用了广义加性模型（Generalized Addictive Model, GAM）——一种用于探究不符合线性关系的数据之间的复杂相关性的统计模型，以揭示氮负荷与多个其他环境变量之间的关系。

他们发现，氮剩余、降水和气温变化等因素与氮负荷之间存在复杂的关联。其中重要的一点是，降水过多可能导致从土地等其他来源的氮更多地融合进水中并流入河流，导致氮负荷增加；而气温升高会蒸发更多本来含氮的水体，导致更少的氮进入河流。

这项研究的一个特别之处在于它不仅解析了当前的情况，还对未来进行了预测。研究人员基于三个不同的社会经济性和排放的情景：已达成可持续化（Sustainability）、仍在推进可持续化（Middle-of-the-road）和继续基于化石燃料发展（Fossil-fueled-development），结合16种不同的温度模型预测了美国大陆地区氮负荷在未来可能的变化。结果表明，如果年均气温持续上升，美国范围内的氮循环流程可能会发生剧变。尽管具体的影响范围和深度因不同的气候情境而有区别，但无论什么情境下的氮循环都将被显著改变。

基于三种不同场景进行的氮负荷（Nitrogen loading）预测 / 图源：PNAS

图中黄色区域代表温度变化对当地氮负荷的影响将抵消甚至反转降雨量对其带来的影响 / 图源：PNAS

在接受科学和技术新闻网站Phys.org关于这项研究的采访时，研究的其中一位领导科学家，也是中国科学院地理科学与资源研究所下属的陆地水循环与地表过程院重点实验室副研究员赵罡博士（Gang Zhao）说：“氮元素在土壤和水系统中的迁移是一个复杂的过程，氮在迁移过程中会发生化学变化，且气温和降水的变化又会以各种方式影响整个迁移过程。这将会对环境中的营养物质管理制造很大的挑战。”

而另一位领导科学家Anna Michalak在总结这项研究的成果时说道：“理清一系列改变温度变化对水质的影响的因素将帮助农民、土地管理者和相关政策制定者采取最佳的方法，以确保在保证水质的同时可持续的生产食物和供应水。”

作者：梁弘尚

—— 作者系中国生物多样性保护与绿色发展基金会（CBCGDF）国际部与北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院（BNU-HKBU UIC）全球化与发展（GAD）专业联合发起的“可持续发展人才培养计划”的学生

审核：Richard
编辑：Richard

【参考链接】

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2220616120#fig02

https://phys.org/news/2023-08-nitrogen-runoff-strategies-complicated-climate.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Generalized_additive_model

http://www.igsnrr.cas.cn/team/fyjy/