城市化与气候变化叠加下美国新英格兰地区森林生态系统碳氮水循环响应模拟

背景

森林是地球系统的重要基石，在调节气候和维持生态系统方面发挥着关键作用，其功能包括碳储存、养分循环以及水分供给与调控。在美国东北部，森林长期以来一直是重要的区域碳汇，同时支撑着生物多样性和水资源。然而，数百年来的人类活动——尤其是森林砍伐、大气污染、农业开发以及快速的城市扩张——已经深刻改变了森林的结构和功能。与此同时，城市化引发了一系列环境变化，包括气温升高、大气二氧化碳浓度增加以及空气污染加剧，这些变化均可能对森林碳、氮和水分循环过程产生显著影响。上述城市化效应并非孤立发生，而是与全球气候变化和区域空气污染相互叠加，进一步放大了对森林生态系统的压力，可能重塑其碳储存能力、养分保持功能以及水文调节能力。尽管人们日益认识到这些相互作用的环境压力，其对区域尺度森林生物地球化学过程的长期综合影响仍然缺乏系统认识。

研究进展

本研究构建了一个区域尺度的生态系统建模框架，用以刻画并量化美国东北部森林在持续环境变化背景下至21世纪中叶可能产生的响应，重点关注城市化景观中复杂的相互作用过程。我们分析了多种未来土地覆盖情景，以代表不同的城市化发展路径。

为表征未来气候条件，我们基于32个全球气候模型构建了一个加权集合的稳健气候情景。同时，在前期研究基础上，我们模拟了不同城市化水平下的城市环境条件，该研究量化了美国大陆东北部新英格兰地区（以下简称新英格兰地区）沿城市化梯度变化的空气温度和空气污染物浓度。

随后，我们应用了 PnET-CN-daily 模型（广泛使用的 PnET 生态系统模型的改进版本），在上述综合情景下模拟森林生态系统响应。通过该框架，我们预测了新英格兰地区未来碳、氮和水分动态的变化，并定量分析了气候变化、土地覆盖变化以及大气化学过程对生态系统响应的相对贡献。

研究结果概述

研究结果表明，到21世纪中叶，新英格兰地区的森林仍将作为区域碳汇发挥作用，但其强度和空间分布将随着未来城市化和气候变化而发生显著差异。虽然气候变暖和大气二氧化碳浓度升高总体上有利于森林生长，但城市用地扩张减少了森林面积，并在一定程度上抵消了这些正效应，尤其在新英格兰南部地区更为明显。

与此同时，持续的植被氮吸收以及大气氮沉降的下降推动了逐步加剧的养分限制，从而制约了森林长期生产力。城市化和气候变化还显著改变了区域水文过程，导致雪储量和积雪持续时间大幅减少，并引发生态系统蒸散和径流格局的变化。总体而言，这些结果凸显了土地利用、气候和空气质量变化的相互作用如何共同重塑新英格兰地区森林碳、氮和水循环过程。

未来展望

我们计划将该建模框架应用于其他地区，但仍存在重要不确定性，需要进一步研究以提升未来预测的可靠性。其中一个关键限制在于，城市化相关的空气质量响应高度依赖于区域能源结构和城市化模式。例如，中国京津冀地区由于更高的人口密度以及煤炭燃烧产生的大量氮氧化物和挥发性有机物排放，其生态系统响应机制可能与主要依赖天然气的新英格兰地区显著不同。

在此类区域，城市化可能显著加剧空气污染，导致更严重的臭氧胁迫，从而抑制植被光合作用和森林生长。因此，将类似研究推广至其他区域时，有必要针对主导植被类型开展精细的样地尺度校准与验证，以确保模型预测的可靠性。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1043