文章题目：Substantial nitrogen abatement accompanying decarbonization suppresses terrestrial carbon sinks in China
发表期刊：Nature communications
影响因子：14.7
通讯作者：朱彤 教授
第一单位：北京大学
在线日期：2024-09-04
中国是全球最大的二氧化碳排放国，2020年排放量约为107亿吨。为了应对气候变化，中国承诺到2060年实现碳中和目标，这与《巴黎协定》和《格拉斯哥气候协议》的全球升温控制目标一致。此外，中国还致力于减少严重的空气污染，这需要大幅减少氮氧化物（NOx）和氨（NH3）的排放。氮氧化物和氨是中国空气污染的重要来源，同时也是全球生态系统中的反应性氮沉降的主要组成部分。
然而，氮对于植物生长和生态系统的初级生产力至关重要。减少氮沉降可能导致生态系统中氮的不足，进而影响植物的生长和碳吸收能力。陆地生态系统是中国碳中和进程中重要的自然碳汇。近年来，中国的陆地生态系统一直在吸收部分二氧化碳排放，这为实现碳中和目标提供了支持。然而，未来大规模减少氮排放可能会对这一自然碳汇产生意外的负面影响。
由于氮减排政策的实施，尤其是在碳中和路径下，未来几十年中国的反应性氮沉降预计将大幅下降。这引发了人们对氮沉降减少是否会削弱陆地碳汇功能的担忧。如果氮沉降减少过快，陆地生态系统可能因氮限制而削弱碳吸收能力，这将影响中国的碳中和进程。因此，研究氮减排对中国陆地碳汇的影响，对于制定平衡碳中和和氮管理的政策至关重要。
本研究旨在量化中国在减排政策下氮沉降减少对陆地碳汇的影响，尤其是在碳中和情景下，评估氮减排如何抑制陆地生态系统的碳吸收能力，并探讨碳中和与氮管理之间的权衡。
研究使用了两种大气化学模型（WRF-Chem和CAM-Chem）以及两种基于过程的陆地生态系统模型（CLM5和CoLM），结合全国氮沉降和二氧化碳交换的观测数据。通过对比2017年基线情景和2060年碳中和情景，模拟氮沉降的变化及其对净生态系统生产力（NEP）的影响。
研究结果表明，在未来碳中和情景下，中国的氮沉降量将显著减少。根据大气化学模型的模拟，氮沉降量预计在2060年减少44-57%，具体取决于采用的减排路径。在最为激进的碳中和情景中，氮氧化物沉降量将减少高达89%，而氨沉降量也将减少约50%。这种显著的氮沉降减少主要集中在中国的东部和西南部，这些地区目前是氮排放的热点区域。
氮沉降减少对陆地生态系统的碳吸收能力有显著影响。研究发现，随着氮沉降的减少，陆地生态系统的净生态系统生产力（NEP）将减少11%至20%。在碳中和情景下，中国的自然碳汇预计每年将减少48.5至52.9 Tg C，相当于现有碳汇的16-20%。相对而言，仅实施终端污染控制技术（如NOx和NH3的末端治理措施）情景下，碳汇减少较少，仅为35.5至39.7 Tg C，约占现有碳汇的11%至15%。
从区域上看，南方和西南地区的碳汇减少最为显著。尽管东部地区的氮沉降减少最大，但由于南方和西南地区的自然植被较为丰富，且这些地区的植被生长对氮的需求更为依赖，因此这些地区的净生态系统生产力下降幅度更大。在季节上，碳汇的减少主要集中在春季和夏季，这些季节是陆地生态系统碳吸收的高峰期。
此外，研究还表明，未来大气中的升高温度和二氧化碳浓度将进一步加剧氮沉降减少对碳汇的负面影响。在高温和高CO2条件下，碳汇的下降幅度更大，这表明未来气候变化可能会强化氮减排带来的碳吸收能力下降效应。
本研究揭示了减少氮排放在碳中和背景下对中国陆地碳汇的负面影响，表明需要关注氮管理与碳中和目标之间的权衡。为了实现碳中和目标，除了减少碳排放外，还需加强自然碳汇的管理，采取如提高氮利用效率等措施。同时，碳捕获与存储技术可以作为自然碳汇的补充手段，以应对气候变化。
图1.中国目前和未来的活性氮 (Nr) 沉降。a 基准运行 (当前排放情景)、EndCtrol 运行 (预计 2060 年末端污染控制排放情景) 和 CNeutr 运行 (预计 2060 年碳中性排放情景) 中中国 Nr 沉降模拟结果比较。红色条表示 NOy-N (NOy = NOx + 其氧化产物) 沉降，灰色条表示 NHx-N (NHx = NH3 + NH4 + ) 沉降。黑色虚线和相应数字表示 Nr 总沉降量的减少。b-d 基准运行、EndCtrol 运行和 CNeutr 运行中中国年总 Nr 沉降通量的模拟空间分布。EC，中国东部；SC，中国南部；SWC，中国西南部。这里给出的结果来自我们对 WRF-Chem 模型的模拟。
图2.2060 年预计碳中和 (CNeutr) 情景下，中国陆地碳预算对人为活性氮 (Nr) 排放变化的响应概念概述。此处的 NPP 指自然植被净初级生产力，净 CO2 吸收指自然植被净生态系统生产力 (NEP)。蓝色过程代表氮循环，绿色过程代表碳循环，黄色过程代表植物氮吸收对 NPP 的影响。红色箭头表示排放、氮沉降或生态系统过程的减少。这里展示的氮沉降变化来自我们对两个大气化学模型的模拟，碳预算变化来自我们对两个基于过程的陆地生态系统模型的模拟。所有计算均针对整个中国大陆每年进行。
图3.中国陆地氮和碳预算对 CNeutr 运行的响应。a 与 Base 运行（当前排放情景）相比，CNeutr 运行中自然植被氮吸收（NUPTAKE）变化的模拟空间模式。b–d 与 (a) 相同，但针对的是自然植被净初级生产力 (NPP)、总异养呼吸 (RH) 和自然植被净生态系统生产力 (NEP)。(a) 中的 EC 和 SC 分别表示中国东部和中国南部。CNeutr 表示预计的 2060 年碳中和排放情景。
图4. 中国季节性碳预算及其对氮减排的响应。a 基准运行中的自然植被净初级生产力 (NPP)、异养呼吸 (RH) 和净生态系统生产力 (NEP)。b 与基准运行相比，CNeutr 运行中自然植被 NPP、RH 和 NEP (Tg C) 的变化。I 形箱线图的边界表示两个陆地生态系统模型模拟的季节性碳预算或由于氮减排导致的碳预算变化的范围。绿色框表示暖季，包括春季（3 月、4 月和 5 月）和夏季（6 月、7 月和 8 月），而橙色框表示冷季，包括秋季（9 月、10 月和 11 月）和冬季（12 月、1 月和 2 月）。请注意，此处表示的 NPP 值是自然植被 NPP，而 RH 包括自然植被和农作物残留物的分解。基准运行表示当前的排放情景；CNeutr 表示预计 2060 年碳中和排放情景。
