自工业革命以来，人类活动引起的温室气体排放已经对全球气候、生态安全和人类社会经济发展造成了显著影响，而厘清和量化全球湖泊和水库的温室气体排放也是全球碳氮水循环中基础和核心的科学问题之一。为此，中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室王思远研究员团队联合美国波士顿学院（Boston College ）田汉勤教授团队，在《自然通讯》（Nature Communications）在线发表题为“Increased nitrous oxide emissions from global lakes and reservoirs since the pre-industrial era”的论文，系统评估了自工业革命时期以来全球湖泊和水库氧化亚氮（N2O）排放的百年变化。
N2O作为一种强效温室气体，在百年尺度上的单位增温潜势为二氧化碳的273倍，同时会引起平流层臭氧的严重消耗。先前的研究已指出河流在全球N2O排放中的关键作用。然而，全球湖库N2O排放的量化仍存在很大的不确定性，特别是在人为活性氮负荷显著增加的情况下，湖库N2O排放是否发生变化以及如何发生变化仍不明确。该问题已经成为全球温室气体收支评估中不确定性的主要来源之一。为解决上述科学问题，研究团队采用一种包含尺度自适应模拟框架和陆-水碳氮耦合过程的生态系统模型（DLEM-TAC），模拟并估算了1850-2019年间全球湖库N2O的形成与排放。同时，通过对气候、大气二氧化碳浓度、大气氮沉降、土地利用、合成氮肥与粪肥施用等因素进行控制变量实验，也量化了环境因素变化对全球湖库N2O排放的影响。
研究结果表明，在2010-2019年间，全球湖库N2O排放总量为64.6±12.1 Gg N yr-1，与工业革命前的排放水平（28.6±6.8 Gg N yr-1）相比高出一倍以上。研究发现，75%的湖库N2O排放增加来自于北半球中高纬度（30°N-60°N）地区。全球范围内广泛使用的合成氮肥和粪肥是造成湖库N2O排放增加的最主要原因。此外，大气二氧化碳水平的上升降低了生态系统中氮的可用性，从而有助于减少湖库N2O排放。研究团队重新评估了河流N2O排放（254.9±46.2 Gg N yr-1），提出了全球内陆水体N2O排放的完整估计，为319.6±58.2 Gg N yr-1。研究进一步修正了国家尺度的水体N2O排放系数，以帮助提高国家温室排放清单中N2O排放评估的准确性。该研究为全球温室气体排放管理提供了重要的数据支持，有望引导各国在气候变化应对方面采取更有效的环境管理策略。
图1 全球湖泊和水库N2O排放核算图
图2 全球湖泊和水库N2O排放时空特征
上述研究得到了国家自然科学基金委面上项目、全球碳计划(GCP)和国际氮倡议(INI)项目以及中国科学院生态环境研究中心自主部署项目的资助。论文第一作者为生态中心博士生李雅，论文链接如下: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45061-0.
城市与区域生态国家重点实验室
2024年2月4日