多重环境变化下全球陆地生态系统的CH4和N2O排放

Global methane and nitrous oxide emissions from terrestrial ecosystems due to multiple environmental changes

导读

温室气体排放导致的气候变化问题是当今人类面临的最紧迫的可持续发展挑战之一，对生态系统健康构成严重威胁。CH4和N2O是继CO2之后最重要的两种温室气体，但对其区域和全球排放估算的研究较少。在过去的100年时间里，各种人类活动，如：化石燃料和生物质燃烧、氮肥及动物粪便的施用使二者的排放水平不断增加，CH4和N2O对全球变暖的潜在影响分别是CO2的25倍和298倍。来自美国奥本大学、美国橡树岭国家实验室、美国德克萨斯大学埃尔帕索分校、美国华盛顿州立大学、中国科学院新疆生态与地理研究所、美国国家海洋和大气局地球系统研究实验室、哈佛大学等高校及科研机构的Hanqin Tian、Guangsheng Chen、Chaoqun Lu、Xiaofeng Xu等13位科学家应用基于过程的生物地球化学耦合模型估算CH4和N2O的排放通量及其可能的影响因素。研究成果以“Global methane and nitrous oxide emissions from terrestrial ecosystems due to multiple environmental changes”为题发表在国际期刊Ecosystem Health and Sustainability（2015, 1（1）: 1-20）上。

文章亮点

估算了全球CH4和N2O的排放通量；探讨了气候、CO2、O3、氮沉降、土地利用变化、氮肥施用等多种环境因素对CH4和N2O排放年际变化的影响；比较了CH4和N2O的排放通量在区域、生态系统类型和纬度上的差异。

研究方法

本研究系统搜集了表征1901—2010年期间环境变化参数的时空数据集（空间分辨率为0.5°×0.5°），构建了基于过程的动态陆地生态系统模型（DLEM），通过耦合主要的生物地球化学以及水文过程，模拟陆地生态系统中的碳、氮、水通量等多种要素的变化，利用1981—2010年的模型结果分析了全球CH4和N2O排放通量的时空格局，使用多元线性回归分析CH4和N2O的排放通量的长期变化趋势及其与环境要素的皮尔逊相关系数。此外，在全球范围内对该模型的模拟结果与其他模型进行对比，确定DLEM模型的可行性。模型模拟的过程需要考虑不确定性。首先，CH4和N2O生产和消费机制的简化可能导致不确定性；其次，参数不确定性可能导致估计的偏差；再次，输入数据具有不确定性。本研究主要使用参数敏感性分析计算模型的不确定性。

研究结论

1、过去30年的全球环境变化情况

1981—2010年，全球气温和降水量显著增加。降雨量增加最显著的是非洲和南美洲，但是在非洲南部、印度北部和澳大利亚东南部减少（图1A）。大气温度升高幅度最大的是北部高纬度地区，升高最快的是欧洲和亚洲，南美洲和大洋洲略有下降（图1B）。除欧洲外，所有大洲的农田肥料使用量均显著增加，其中亚洲增长最快。此外，各大洲的氮沉降和O3浓度均显著增加，亚洲增幅最大，氮沉降速率最高的是东亚和南亚（图1C），而氮肥利用率最高的是中国东部（图1D）。所有大洲的耕地面积都发生了显著变化，欧洲和北美的耕地面积减少，亚洲和非洲的耕地面积呈上升趋势。

图1 陆地生态系统环境因子的空间分布

（A）降水异常（B）气温异常（C）2010年氮沉降速率（D）2005年农田分布和氮肥用量（E）2005年7月对流层O3累积浓度超过40ppb -h（AOT40: ppm-h）

2、陆地生态系统CH4和N2O排放通量的空间分布

由于全球环境的变化，1981—2010年全球CH4和N2O的排放量大幅增加，二者年际变化大致一致。这表明全球陆地生态系统在过去几十年里对气候变暖起到了积极的作用。CH4和N2O排放量的大部分和增长最快的地区都在热带地区，这表明该地区可能是重点关注温室气体减排的区域。从总体上看，CH4和N2O排放量随着气温的升高而降低，说明气温是控制二者排放量的重要因素之一（图2）。

图2 1981—2010年间全球CH4（A）和N2O（C）的排放通量，CH4和N2O的纬度分布模式分别显示在（B）和（D）中

3、陆地生态系统CH4和N2O排放通量随纬度与生态系统类型的变化趋势

模型模拟结果表明，CH4和N2O在不同气候区域通量变化趋势显著不同（图3），其中，热带地区的N2O排放量约占总排放量的75%。其他气候带CH4和N2O的排放的增长率远低于热带地区。过去30年，CH4排放量最大的是自然湿地，其次是农田。此外，山地生态系统（如森林、旱地、灌丛、草地）的CH4吸收率略有增加，而平原生态系统（如天然湿地、稻田）的增加幅度更大。N2O排放量最大的是森林，其次是农田，最少的是草地（图3）。从整体上看，N2O在所有生态系统中都有所增加，其中农田的增幅最大，主要是由于各项农艺管理措施的应用（如氮肥的使用、灌溉和粪肥的施用）。

图31981—2010年不同生物群落类型CH4和N2O排放量的年际变化（A）森林（B）湿地（C）灌丛（D）草原（E）农田

4、不同大洲CH4和N2O排放通量的变化趋势

在洲际尺度上，除非洲和欧洲外，其他各大洲的CH4排放均呈现显著增长趋势。其中，亚洲的排放量最高，增长最快。自20世纪90年代初开始，来自欧洲的CH4排放开始下降。对于N2O而言，除欧洲和大洋洲外，其他大洲的排放量均显著增加（图4）。其中，亚洲排放量的增加是由于氮肥使用量的增加以及氮沉积率的加快。总体而言，亚洲和南美洲CH4和N2O的增加趋势最为明显，在未来温室气体的核算中，应更多关注这两个大洲。

图4 1981—2010年不同大陆CH4和N2O排放通量的年际变化

研究展望

为了减缓全球变暖，政策制定者应特别注意减少CH4和N2O的排放，同时增加碳封存，例如对农田和人工林的集约管理，扩大能源作物的面积以生产“清洁”能源，这些措施可以有效地增加碳封存或减少碳排放，但这些措施对CH4和N2O排放的影响是不确定的。因此，未来的研究还需要在现场实验和区域估算中模拟CO2、CH4和N2O的净通量。本研究建议，在提出大范围的管理措施或政策之前，或评估减排政策的效果时，需要对这三种温室气体进行综合分析。