大气二氧化碳增多导致北方森林“缺氮”

人类活动引发的环境变化已接近或超出多个地球系统过程边界，部分原因是全球氮（N）和碳（C）循环的显著改变。自1960年以来，人类通过工业合成氨、豆科作物扩张和化石燃料燃烧等方式，将活性氮（Nr）的生成速率提高了10倍，预计到2050年还将增长18倍。同时，能源和粮食生产导致大量Nr排放并沉降到地表，使陆地和水生生态系统氮富集，引发富营养化和酸化问题。另一方面，工业革命以来大气二氧化碳（CO₂）浓度增加超50%，促进了陆地净初级生产力（NPP），但也可能通过增强植物生长和氮吸收、提高植物碳氮比等方式，降低土壤氮可利用性，加剧氮限制（即渐进氮限制或生态系统寡营养化）。

植物组织的氮稳定同位素比值（δ¹⁵N）时间序列是寡营养化的关键证据，因其能整合生态系统氮循环过程。通常，氮可利用性高时植物δ¹⁵N值较高，反之则较低。然而，对于δ¹⁵N下降趋势的原因存在争议：有人认为是氮沉降减少，也有人认为是CO₂升高所致。

为解决这一争议，研究分析了1961-2018年瑞典2350万公顷森林中1609个存档树木年轮的δ¹⁵N值。瑞典森林南北跨度1500公里，氮沉降量相差4倍，但CO₂浓度空间分布均匀。结果显示，全瑞典森林的δ¹⁵N时间序列均呈下降趋势，包括氮沉降极低的北部森林。线性混合效应模型表明，CO₂升高是δ¹⁵N值的最强预测因子，而氮沉降、温度和森林 basal面积的解释力较低。

研究结果表明，大气CO₂浓度升高导致北方森林寡营养化。这一机制可能包括：CO₂促进植物生长和氮吸收，耗尽土壤氮；植物碳氮比升高，增加凋落物分解时微生物对氮的固定；树木通过菌根真菌获取氮，而菌根会优先保留¹⁵N，使植物δ¹⁵N降低。瑞典国家森林 inventory 数据显示，森林生长量长期增加，且与δ¹⁵N下降显著相关，支持渐进氮限制理论。

北方森林在全球碳循环中至关重要，约占陆地碳储量的32%。CO₂诱导的氮可利用性下降可能削弱其未来碳汇能力，对地球系统模型预测陆地碳汇具有重要意义。