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研究亮点
HIGHLIGHTS
1. 二氧化碳浓度的增加对土壤中有效磷有显著的负面影响；
2. 在二氧化碳浓度升高的条件下，土壤中的有效磷可能会限制二氧化碳发挥其肥沃土地的效能；
3. 突出了磷限制对碳循环的影响，强调了磷的有效性如何抑制热带森林中的二氧化碳的施肥效应。
01
研究背景
热带森林储存了全球约72%的森林生物量碳，贡献的净初级生产力 (NPP) 约占全球的三分之一。热带森林是重要的碳库，它们的容量会随着二氧化碳的增加而增加，其中营养物质在其中起到至关重要的作用。二氧化碳施肥效应是维持和提高热带森林生产力的关键机制，它提高了叶片中的二氧化碳浓度，增强了植物的碳固定能力。然而，这种二氧化碳施肥效应却存在着不确定性，部分原因是营养物质的限制。
虽然二氧化碳施肥对总初级生产力和净初级生产力有显著的积极作用，但森林砍伐是导致这些指标下降的主要因素。因子实验表明，从 19 世纪 60 年代到 2010 年代，森林砍伐抵消了二氧化碳施肥对净初级生产力影响的135%。
本研究提出了一种新的碳-氮-磷耦合生物地球化学模型——动态陆地生态系统模型 (DLEM-CNP)。基于该模型研究了磷限制如何影响热带森林中的碳通量。
02
研究方法
本研究采用了耦合碳-氮-磷循环的动态陆地生态系统模型 (DLEM-CNP) 来研究磷限制对热带森林碳通量影响。研究首先将热带森林划分为四个亚类，并基于其净初级生产力 (NPP) 调整了碳同化速率参数 Vcmax25。接着，模型分别模拟了考虑和不考虑磷限制的情景，并分析了二氧化碳施肥效应对总初级生产力 (GPP)、净生态系统生产力 (NEP) 和其他碳通量的影响。此外，还进行了因子实验，以评估气候、大气氮沉降、森林砍伐和土壤磷等环境因素对碳通量的影响。最后，通过路径分析模型 (PAM) 量化了二氧化碳和气候对 NPP、磷吸收和可利用磷的直接影响和间接影响。
图1｜具有四个热带常绿阔叶林亚区(TrBEF1-4)、来自Clark等人(2001)的13个热带森林地点和本研究中使用的6个FLUXNET地点的全球热带森林地图
图2｜DLEM-CNP中C–N–P循环的结构及其与P吸收、有效P、降水、温度和CO2的相互作用
03
研究结果
本研究的多学科团队发现，磷的限制降低了热带森林对大气中二氧化碳浓度上升的响应。氮和磷共同限制使二氧化碳施肥对总初级生产力、净初级生产力和净生态系统生产力的影响分别降低了 45%、46% 和 41%。开发的模型基于生物地球化学模拟了热带森林的生态机制，表现了氮和磷对植被碳固定的相互作用及限制，有助于探索不同因素如何影响森林中的二氧化碳施肥效应。这种新方法强调了磷限制和森林砍伐如何降低热带森林的碳吸收潜力，强调了磷在碳循环中的关键作用。
图3｜FLUXNET站点观测值与模型模拟值之间日平均总初级生产力(GPP)的比较
图4｜FLUXNET站点观测和模型模拟之间的日GPP的比较
图5｜DLEM-C(蓝色) ，DLEM-CN(红色)和DLEM-CNP(绿色)分别模拟了1860–2018年热带森林历史大气CO2浓度下增加的GPP (a) ，Ra (b) ，NPP (c) ，Rh (d)和年 NEP (e) ; 图(a，b，c，d，e)参照1860年。图(f)为1860年至2018年的CO2浓度。图(g)和(h)显示年度GPP和NPP与CO2浓度的关系
图6｜使用DLEM-C (a，d，g)、DLEM-CN (b，e，h)、DLEM-CNP (c，f，i)模拟1860–2018年大气CO2浓度的年GPP、NPP和NEP的空间格局
图7｜由所有历史环境因素驱动的DLEM-CNP模拟的1860-2018年热带森林GPP (a)，NPP (b)和NEP (c)的长期趋势和年际变化
图8｜DLEM-CNP模拟热带森林年平均GPP，NPP和NEP的空间分布
图9｜Sen’s slope表示1860-2018年期间，热带森林年度GPP (a)，NPP (b)和NEP (c)的变化趋势；以及热带森林面积在年GPP (d)、NPP (e)和NEP (f)显著和不显著趋势的区域
图10｜1860-2018年间，由DLEM-CNP模型模拟的热带森林NPP的变化，由多个环境因素共同贡献的，包括气候变异性、CO2、大气氮沉降以及森林砍伐
图11｜NPP与磷吸收、有效磷、降水、温度和 CO2相互作用的结构方程模型
Cite this article
Wang, Z.N., Tian, H.Q., Pan, S.F., Shi, H., Yang, J., Liang, N.S., Kalin, L., Anderson, C., 2024. Phosphorus limitation on CO2 fertilization effect in tropical forests informed by a coupled biogeochemical model. For. Ecosyst. 11, 100210
https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100210
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100210
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1. Linking nutrient resorption stoichiometry with plant growth under long-term nitrogen addition
https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100221
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3. A better carbon-water flux simulation in multiple vegetation types by data assimilation
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《森林生态系统(英文)》（Forest Ecosystems）是由教育部主管、北京林业大学主办的林学、生态学类的开放获取学术期刊。主要收录森林生态系统、森林群落、森林环境、遥感、气候变化、大数据等相关研究领域的高质量、原创性研究论文和评论性文章。影响因子4.1，在中科院期刊分区表中居农林科学大类一区，林学小类一区。
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