氮沉降对植被和水文特征的影响

The Impact of Nitrogen Deposition on Vegetation and Hydrological Characteristics

摘要: 人类活动导致全球氮沉降急剧增加，氮沉降促进了陆地生态系统的碳汇。本文利用来自CMIP6模型的数据，将1pctCO2与1pctCO2Ndep气候情景进行比较，来量化氮沉降对植被以及水文特征的影响。结果显示，氮沉降增加导致植被变绿，间接影响水文特征。结构方程模型表明，氮沉降增加通过促进植被生长来增加植被蒸腾。植被通过冠层截留作用直接减少降水量，以及通过提高蒸腾间接增加降水。植被变绿对径流的影响则因地区的干旱程度而异。植被冠层截留的降水也能通过蒸发补充土壤水分。这些发现提高了我们对陆地生态系统水文特征对氮沉降响应的理解，并为评估氮沉降对植被以及水文特征的影响提供了新的见解。

Abstract: Human activities have resulted in a significant upsurge in global nitrogen deposition, and such nitrogen deposition has facilitated the carbon sink of terrestrial ecosystems. This study utilizes data from CMIP6 models to compare the 1pctCO2 and 1pctCO2Ndep climate scenarios, aiming to quantify the effects of nitrogen deposition on vegetation and hydrological characteristics. The findings suggest that elevated nitrogen deposition leads to enhanced vegetation greenness, which subsequently affects hydrological properties. Structural equation modeling reveals that enhanced nitrogen deposition fosters vegetation growth, thereby increasing vegetation transpiration. Vegetation directly reduces precipitation through canopy interception and indirectly increases it by enhancing transpiration. The influence of enhanced vegetation greenness on runoff is contingent upon regional aridity levels. Moreover, precipitation that is intercepted by the vegetation canopy has the potential to replenish soil moisture via the process of evaporation. These findings contribute to a deeper understanding of the responses of terrestrial ecosystem hydrological characteristics to nitrogen deposition and offer new insights for evaluating the impacts of nitrogen deposition on vegetation and hydrological characteristics.

1. 引言

自工业革命以来，全球CO₂浓度的增加促进了植被光合作用和陆地碳汇的增长[1] [2]。与此同时，氮沉降也在全球范围内增加，这与矿物燃料的燃烧、含氮化肥的使用和畜牧业的发展紧密相关[3]。氮作为促进植被生长和碳固存的限制性养分，在陆地生态系统中，其对净初级生产力的营养限制是普遍存在的[4] [5]。在氮元素受到限制的生态系统，从大气沉降中增加的有效氮供应可能会促进陆地生态系统净初级生产力的发展[6]。

而大气中CO₂浓度的升高与氮沉降的增加共同促进了植被的生长，缓解了氮的限制，推动了全球植被的绿化。植被对水文过程的影响是复杂的，它通过根系吸水和气孔蒸腾直接影响水文过程，并通过冠层结构和群落分布间接影响水循环[7]。植被覆盖度的增加也可能会减少土壤水分和径流，加剧干旱[8]。关于植被变绿对水文特征的影响机制，还有待我们进一步的研究。

氮沉降对陆地生态系统的净初级生产力具有显著影响，在这项工作中，通过使用理想化每年增加1%的CO₂模拟(1pctCO2)和理想化的每年增加1% CO₂，氮沉积增加的模拟(1pctCO2Ndep)，得出的氮沉降引起的植被叶面积指数和水文情况的变化，来量化氮沉降对植被以及水文特征的影响。本研究分析比较了不同气候带氮沉降对植被以及水文特征的影响大小。还使用了结构方程模型，以探究氮沉降引起植被生长增加后，植被影响水文特征的机制。

2. 数据与方法

2.1. 研究数据

2.1.1. CMIP6模型数据

本研究使用了CMIP6中C4MIP的2个地球系统模型MIROC-ES2L和UKESM1-0-LL。本文使用了2个实验的情景，1pctCO2和1pctCO2Ndep。1pctCO2假设氮沉降水平维持在工业化前不变，CO₂是其中唯一随时间改变的强迫。1pctCO2Ndep在工业化前的基线加上2100年SSP5-8.5氮沉降情景与工业化前之间的地理明显差异，使得大气CO₂浓度达到2100年SSP5-8.5数值时，氮沉降和CO₂的相对增长率匹配，且全球总氮沉降对应于2100年的总氮沉降[9]。研究变量包括叶面积指数(LAI)、降水(P)、蒸腾(TRAN)、总径流(R)和土壤水(SM)，均来自以上两个模拟，见表1。

Table 1. Basic information of 2 GCMs in CMIP6

表1. CMIP6中2个GCMs基本信息

序号	模式名称	机构	分辨率(经向网格数 × 纬向 网格数)
1	MIROC-ES2L	MIROC	128 × 64
2	UKESM1-0-LL	MOHC NERC NIMS-KMA NIWA	192 × 144

2.1.2. 柯本分类数据

为了对比各个气候带氮沉降对植被以及水文特征的影响，研究统计了各个气候带的变化率。气候等级是根据柯本–盖格气候分类定义的。将气候划分为热带、干旱带、温暖带、内陆带和极地带。

2.2. PET的计算

在CMIP6模式中，可以利用模式输出的气象变量来计算PET。本文主要使用参考作物Penman-Monteith方程(PM-RC) [10]。

$PET=\frac{0.408s\left(Rn-G\right)+\gamma \frac{900}{T+273}\mu D}{s+\gamma \left(1+0.34\mu \right)}$

式中，s为饱和蒸汽压相对于空气温度的斜率(kPa K⁻¹)，Rn−G为净地表辐射减去地面热通量，假定为月尺度上的潜热通量和显热通量之和(MJ m⁻² d⁻¹)，γ为常数(kPa K⁻¹)，T为地面以上2米处的空气温度(K)，u为距地面2 m处的风速(m s⁻¹)，D为饱和蒸汽压与实际蒸汽压之差的蒸汽压差(kPa)。

2.3. 氮沉降的影响

对于每个模型，以1pctCO2情景下前30年变化为基准，计算1pctCO2和1pctCO2Ndep前后30年的变化率，来量化氮沉降对植被以及水文特征的影响如下：

$y^{1pctCO2}=\frac{\Delta x_{1970-1999}^{1pctCO2}-\Delta x_{1850-1879}^{1pctCO2}}{\Delta x_{1850-1879}^{1pctCO2}}$

$y^{1pctCO2Ndep}=\frac{\Delta x_{1970-1999}^{1pctCO2Ndep}-\Delta x_{1850-1879}^{1pctCO2Ndep}}{\Delta x_{1850-1879}^{1pctCO2}}$

式中，$\Delta x_{1850-1879}^{1pctCO2}$ 和$\Delta x_{1970-1999}^{1pctCO2}$ 分别是1850~1879年和1970~1999年1pctCO2情景下的30年运行变量(LAI、P、TRAN、R、SM)平均值。$\Delta x_{1850-1879}^{1pctCO2Ndep}$ 和$\Delta x_{1970-1999}^{1pctCO2Ndep}$ 分别是1850~1879年和1970~1999年1pctCO2Ndep情景下的30年运行变量(LAI、P、TRAN、R、SM)平均值。

2.4. 结构方程模型

本文使用结构方程模型构建了一个包含五个变量的路径图，分析叶面积指数与植被蒸腾、降水、径流、土壤水分之间的因果关系。正系数表示正影响，负系数表示负影响。路径效应是路径系数的乘积。采用拟合优度指数(GFI) ≥ 0.90、修正拟合优度指数(AGFI) ≥ 0.90、近似均方根误(RMSEA) ≤ 0.10对所建立的模型进行拟合评价。当满足这些标准时，则认为模型合理。SEM分析采用AMOS (version 24.0)软件(AMOS Development Corporation, Chicago, USA)进行。

结构方程模型评估了1pctCO2Ndep和1pctCO2情景下变量变化率的差异，分析了氮沉降对不同气候带植被生长和水文特征的影响。数据通过双线性插值法提高到1˚ × 1˚分辨率，并剔除了MODIS NDVI值小于0.1的低植被覆盖区域。

3. 研究结果

3.1. 氮沉降产生影响的空间分布格局

植被及水文特征对氮沉降的响应(图1)的多模式平均估计来自2个完全耦合的地球系统模式。结果表明，从1850年到1999年，叶面积指数显著增加。尤其在北美洲东北部、欧洲北部和中部、亚洲东部和东南部、非洲南部和大洋洲西北部。温带和寒带地区增幅最大，尤其在高纬度地区。随着大气CO₂浓度的升高，全球平均地表温度上升，导致潜在蒸散量增加，尤其在欧洲北部、亚洲东部和东南部，与叶面积指数增加地区一致。氮沉降促进了这些地区的植被生长，增加了年蒸散量[11]。在中高纬度地区，潜在蒸散发增加得最显著。CO₂浓度升高使得植被气孔导度降低，以减少蒸腾失水[12]。植被蒸腾量在欧洲北部和中部、亚洲北部和东部，非洲北部部分地区显著增加，与叶面积指数增加区域一致。在中低纬度地区，蒸腾都在增加。全球的植被变绿趋势同时导致了陆地蒸散发和降水量的增加。降雨量在北美洲东北部、欧洲北部和中部、亚洲东部和东南部以及非洲西部增加。然而，受氮沉降影响，径流在全球大部分地区呈现减少趋势，尤其在欧洲东部、亚洲南部和东南部和非洲北部部分地区。在纬向变化上基本呈现减少的现象。土壤水分也在全球大部分地区减少，主要在欧洲东部、亚洲南部和东南部，在中纬度地区基本增加，在低纬度和高纬度减少。这些发现揭示了氮沉降对全球植被生长和水文循环的复杂影响。

历史(1850~1999)时期叶面积指数、潜在蒸散发、蒸腾、降水、径流和土壤水分在1pctCO2Ndep情景和1pctCO2情景的变化率差值的空间格局。

Figure 1. The spatial patterns of leaf area index, potential evapotranspiration, transpiration, precipitation, runoff, and variations in soil moisture in response to increased nitrogen deposition

图1. 响应氮沉降增加叶面积指数、潜在蒸散发、蒸腾、降水、径流和土壤水分变化的空间格局

在不同的气候带中，与氮沉降相关的叶面积指数增加较大的地区往往在中高纬度寒带和极地带(图2(a))，在极地带增加了大约4.33%，其变化率的增幅则从高纬度气候带向低纬度气候带递减。其中降水增幅较大的区域集中在寒带(图2(d))，降低了大约0.24%。径流减少最大的地区是干旱带。土壤水分降幅最大的地区也在温带和干旱带。

历史(1850~1999)时期1pctCO2Ndep和1pctCO2各个气候带叶面积指数、潜在蒸散发、蒸腾、径流、降水和土壤水分的变化率差值。

Figure 2. Changes of each climatic zone in response to nitrogen deposition

图2. 各个气候带响应氮沉降的变化

3.2. 氮沉降影响植被和水文特征的途径及其效应

通过路径分析探究氮沉降背景下植被对水文特征的影响机制。研究分别考虑了各个气候带植物生长对水文特征的影响。不同的气候带下表现出不同的路径效应。植被对蒸腾在各个气候带都有显著的直接影响，叶面积指数对蒸腾的路径效应均为正，寒带的路径效应最大，为0.78 (图3(b))。植被对降水的影响在极地带、寒带和干旱带较为显著。寒带叶面积指数对降水的影响最大，路径效应为−0.13 (图3(b))。植被通过蒸腾进一步影响降水、径流和土壤水。在蒸腾对土壤水分、径流和降水的影响方面，其路径效应均为正，在极地带，蒸腾对土壤水分和径流的路径效应最大，分别为0.62和0.6 (图3(a))。寒带蒸腾对降水的路径效应为0.7，在5个气候带为最大(图3(b))。降水也会直接影响径流和土壤水。降水对径流的影响在各个气候带有明显差异，除干旱带外，降水对径流的路径效应均为正，且其影响在热带最为显著，路径效应为0.43 (图3(e))。在降水对土壤水分的影响方面，除寒带外，均有正的直接影响。在寒带地区，其路径效应最大，为0.28 (图3(b))。

箭头上的数字表示标准化的路径系数。红色箭头表示积极影响，而蓝色箭头表示消极影响。箭头的厚度反映了路径系数的大小。

Figure 3. The pathways and effects of vegetation on hydrological characteristics under nitrogen deposition across different climatic zones

图3. 不同气候带氮沉降背景下植被影响水文特征的路径及其效应

4. 讨论

本文利用结构方程模型研究了不同气候带氮沉降增加背景下植被对水文特征的影响。模型结果表明，氮沉降增加，促进植被生长，进而增加了蒸腾量。氮作为陆地生态系统中的限制性资源[13]，其增加会引起植物叶片中与光合作用有关的Rubisco酶的浓度和活性改变以及叶绿素含量增加，提高了植物光合速率，促进植物生长[14]。在寒带和温带，特别是在高纬度地区，氮沉降对这些氮限制地区起到局部缓解作用(图1(a))。

CO₂浓度不断增加，温度不断上升，空气的蒸汽压差可能会增加，同时植物冠层的蒸腾量也会增加。植物水分通过气孔蒸发的途径与CO₂吸收的途径相同，光合作用过程伴随着水分流失，为了减少水分流失，气孔随CO₂浓度增加而关闭，蒸腾量降低[15]-[17]。研究1pctCO2Ndep与1pctCO2情景的蒸腾量差值显示，氮沉降促进了植被碳积累和叶面积指数增加，尤其在寒带地区(图3(b))。这与该地区氮缺乏程度较高有关，氮沉降有效缓解了氮限制现象。

植被通过冠层截留和茎干流对降雨进行重分配。在相同的降雨条件下，植被叶面积指数越大，冠层截留比例越高[18]。植被还可以通过影响陆–气间的能水交换来间接影响降水量。植被的存在增强了地表感热和潜热的水平梯度，与裸地相比，植被可以吸收更多的辐射，进而通过蒸腾增加大气水汽，间接提高降水概率[19]。在寒带，植被对蒸腾的促进作用显著，对降雨的积极影响也最大(图3(b))。

植被对径流的影响存在争论，多数研究认为，植被变绿增加冠层截留、蒸腾和蒸发，造成部分地区径流量减少[20] [21]。但也有研究认为，植被促进水蒸气运输和降水增加，进而增加径流，这被称为造林的气候效应[22]。除干旱带外，降水对径流都有显著的积极影响(图3)。在湿润地区，植被变绿没有显著降低径流，因为植被变绿通过同时增加蒸散和降水而加强了水分的再循环，但是在干旱地区，植被覆盖增加会通过提高流域持水能力而减少径流量[23]。

土壤水分对植被的响应也较为复杂。一方面，认为植物冠层阴影能降低地表温度和土壤蒸发[24]，合理的植被建设可以导致土壤水分的累积[25]。另一方面，植被蒸腾消耗大量土壤水分，导致其减少。氮沉降导致土壤水分在各个气候带都显著减少(图2)。植被覆盖度增加通过增加蒸散作用消耗土壤水分。但在各气候带蒸腾对土壤水分有正向效应。这可能是由于植物冠层对降雨的分配和调节作用，冠层截留的降雨通过蒸发和茎流间接补充土壤水分[26]。

5. 结论

本研究基于CMIP6模型数据，通过结构方程模型量化了氮沉降对植被生长及水文特征的影响。分析揭示了在氮沉降背景下，不同气候带的植被变绿如何直接或间接影响蒸腾、降水、径流和土壤水分的变化。结果表明，氮沉降增加通过直接促进植被生长，进而间接影响水文特征。氮沉降直接促进植被生长，进而通过增加蒸腾作用和降雨重分配来影响降水量和径流。不同地区的植被对径流的影响有所不同，湿润地区的植被变绿不会显著减少径流，而在干旱地区则通过增强持水能力减少径流。此外，氮沉降导致各气候带土壤水分减少，主要是由于植被蒸腾。然而，植物冠层对降雨的调节作用可以间接补充土壤水分。本研究结合气候带的差异，系统分析了氮沉降增加背景下植被对水文过程的复杂影响，为理解气候变化背景下陆地生态系统的水文过程提供了重要的参考。未来可进一步探讨植被结构优化对水资源可持续利用的调控潜力。