民以食为天，农田是全球粮食安全的基础。氮是构成蛋白质的重要元素，农田生态系统代表地球上最大的氮素流。气候变化威胁农田的稳定性，影响全球粮食安全和环境可持续性。在气候变化影响下，氮循环将决定农田中潜在的碳汇或碳源，因此理解这两个关键生物地球化学循环及其之间的耦合关系非常重要。气候变化究竟会对农田氮循环产生怎样的影响？大气二氧化碳浓度升高这一气候变化驱动力如何改变农田氮循环？
为了回答这些问题，浙江大学谷保静等在国家重点研发项目和国家自然科学基金资助下，与英国生态水文中心、荷兰环境评估署等单位合作，基于全球eCO2实验的数据集，利用耦合人类和自然系统(CHANS)模型，构建二氧化碳浓度升高下的全球氮收支，并提供货币化影响评估。研究显示，二氧化碳浓度升高将促进全球农田氮循环和碳循环协同增强，评估其影响能够避免人类和生态系统健康损失估值为6680亿美元。本研究为完善地球系统模型提供科学依据，并支持适应气候变化政策制定。该研究工作以“Nitrogen cycles in global croplands altered by elevated CO2”为题近期发表于Nature Sustainability。
我们整合了全球1003条eCO2实验田间观测记录，发现升高的二氧化碳提高21%的作物单产，响应敏感性随着作物类型和二氧化碳升高浓度改变，同时土壤呼吸和土壤有机碳均增加。升高的碳可利用性为氮循环的微生物活动提供底物支持，氮利用效率提高19%，生物固氮速率提高55%，氮矿化提高22%，而进入到空气和水体中的氮流失大幅减少。在未来二氧化碳升高情景下，对全球农田氮预算进行了建模，预计到2050年，作物氮收获增加12 Tg，化肥需求降低34 Tg，反应性氮损失整体上减少46 Tg。升高的二氧化碳改变了农田氮循环，其影响将产生6680亿美元的社会效益，避免对人类和生态健康造成的损害。最大的收益将发生在中国、印度、北美和欧洲。
全球二氧化碳升高实验站点分布(按实验方法和作物类型分类)及碳氮循环关键变量的响应值
预计到2050年二氧化碳升高情景下的全球农田氮素流。深灰色数值代表基线值，红色数值代表改变值。
全世界都在为实现零碳排放(NetZero+)努力，但在2050年之前大气中的二氧化碳水平很可能会继续上升。我们的分析表明，尽管气候变化引起明显的全球生存风险，但在升高的二氧化碳水平下，人类有潜力在减少污染的同时生产更多粮食以确保粮食安全。我们必须认识到并应对全球农田在升高二氧化碳水平下的氮循环变化，共同努力适应这些变化并设计可持续农业管理实践的新方法。
论文链接https://doi.org/10.1038/s41893-023-01154-0
第一作者简介
崔静岚，现于浙江大学从事博士后研究，重点关注全球气候变化对地球生物化学循环的影响及其应对策略。本硕毕业于中国海洋大学和浙江大学，获香港中文大学博士学位，得到欧亚太平洋奖学金资助于维也纳大学访学。以第一作者在Nature Sustainability、Earth's Future、Science of the Total Environment等期刊上发表论文。
通讯作者简介
谷保静，浙江大学环境与资源学院教授，主要从事资源与环境管理领域的交叉研究，在区域氮循环模型构建、资源环境效应评估、成本收益分析及其调控等方面取得了创新成果。发表论文百余篇，包括Science、Nature、PNAS、Nature Sustainability、Nature Food、Nature Communications等期刊。担任国际氮素协会东亚中心副主任，联合国环境署氮素管理系统工作组长，中国土壤学会氮素工作组委员，Earth's Future、The Innovation等期刊编委。2023年获得“前沿地球科学奖”国际冠军。个人主页：https://person.zju.edu.cn/bjgu