土壤氮转化速率对全球气候变暖的不均衡响应

作者：常熟站  更新时间：2026-01-19

   土壤氮循环对生态系统生产力和环境质量至关重要，氮矿化、硝化和反硝化过程决定了氮素的可利用性和损失。然而，全球变暖正加速这些过程，影响土壤养分供应、温室气体排放，并可能加剧生态系统氮流失。

   温度敏感性（Q10）定义为温度每升高10℃时氮转化速率的相对变化倍数，是评估土壤氮循环响应气候变暖的关键指标。传统研究多假设Q10为固定值（如Q10=2），忽略了不同生态系统、地理环境及氮转化过程的差异。本研究突破这一局限，基于全国1,131组观测数据，结合高分辨率土壤、气候、地形及管理数据库，采用随机森林模型预测Q10的空间分布，利用结构方程模型和线性混合效应模型解析Q10的驱动因子及其相互作用，并预测未来几十年土壤氮素转化速率的变化趋势。

   研究发现，土壤氮转化速率对升温的响应存在显著差异。反硝化（Q10=2.19）敏感性显著高于矿化（1.96）和硝化（1.90），可能加剧N₂O排放，形成气候变暖正反馈；草地生态系统中的氮矿化（2.33）和硝化（2.39）最为敏感，而农田硝化Q10最低（1.55），自然生态系统更易受氮流失威胁。

Q10的地理分异规律：北方及西部地区的Q10值普遍高于东部，高海拔区升温响应更剧烈，显示出明显的经纬度和海拔梯度变化。

锁定关键驱动因素：土壤底物数量（有机碳、总氮）和质量（碳氮比）是影响氮转化Q10的关键因素；氮输入对硝化和反硝化的Q10影响显著，表现出负相关关系；在森林和湿地生态系统中，土壤pH是影响Q10的关键因子；年均温和年降水在大尺度上调控Q10分布。

未来气候变化情景下的影响：在SSP2-4.5（中等排放）情景下，土壤氮转化速率比2030年增加0.001-0.65倍；在SSP5-8.5（高排放）情景下，升温效应更强，增长幅度高达1.87倍，且呈指数增长趋势，影响最显著的地区为西北、西南及青藏高原。

   本研究为地球系统模型提供动态Q10参数，为未来气候变化背景下的土壤氮素循环预测提供了重要的科学依据。此外，Q10的空间异质性影响遗留氮的累积和释放，进一步决定了不同区域遗留氮的环境效应，这对于精准预测河流氮通量和优化氮管理策略至关重要。