佳文速递 | Nature | 瑞典农业科学大学团队揭示大气CO₂升高加剧北方森林氮限制
近日，瑞典农业科学大学（SLU）北方生态系统与农业科学系Peter Högberg教授团队，利用瑞典全国范围内长达57年（1961-2018年）的树木年轮氮同位素（δ15N）序列档案，通过线性混合效应模型系统分析了大气CO₂浓度升高、氮沉降变化、温度及森林环境基底面积等多个因子对生态系统氮可用性的影响，明确揭示大气CO₂浓度上升是导致北方森林出现持续氮寡营养化（oligotrophication）——即氮可用性持续下降——的主导驱动因子（图1）。相关研究成果以题为《Rising atmospheric CO₂ reduces nitrogen availability in boreal forests》表于国际顶级学术期刊《Nature》正刊（2026年，Volume 650，pages 629–635）。
- δ15N下降揭示氮可用性持续降低：研究通过对瑞典全境2350万公顷森林区域中1609个独立的归档树芯进行δ15N分析，构建了横跨1961-2018年的树轮δ15N年表。数据显示，瑞典全境森林的δ15N值呈持续下降趋势，其中包括氮沉降率极低的极北地区森林，表明这一氮可用性下降现象并非由局部氮输入变化所驱动。
- CO₂升高的主导性驱动作用：线性混合效应模型分析结果表明，大气CO₂浓度升高是δ15N下降的最强预测因子，而氮沉降变量、温度和森林基底面积等因素的解释力相对较弱。瑞典南北跨越1500公里的样带中，氮沉降量南高北低相差达四倍，但由于大气CO₂在此区域空间分布均匀，两地的δ15N下降速率高度一致，从而有效排除了氮沉降量变化作为主要驱动因子的可能性。
- 渐进性氮限制（PNL）机制：研究揭示，CO₂浓度升高驱动的植物生物量增长显著增加了森林对氮的需求，而这一需求增长超过了任何潜在的单位叶面积氮需求生理性下调。持续的氮需求加剧了植物与土壤微生物之间对有限氮源的竞争，导致生态系统氮可用性持续下降，形成了所谓的“渐进性氮限制”反馈，这可能最终限制北方森林对未来CO₂升高的碳汇响应能力。
- 地下碳分配与菌根真菌的作用：研究发现，随着土壤无机氮可用性降低，树木可能增加对地下碳的投资，通过外生菌根真菌（ectomycorrhizal fungi）增强对土壤有机氮的获取。这一机制虽然可能维持森林在CO₂升高条件下的短期生长，但可能抑制土壤碳积累，对北方森林作为全球碳循环中重要碳汇的未来角色产生深远影响。
- 对全球碳循环的启示：该研究指出，随着氮限制的加剧，北方森林响应未来CO₂升高的碳汇敏感性可能减弱，这意味着Earth-system模型中需要纳入CO₂-氮反馈机制，以避免高估北方森林的碳汇潜力。
图1：瑞典全境木材δ¹⁵N的空间与时间格局及氮沉降分布图2：瑞典全境木材δ¹⁵N与环境驱动因子的模型关系
瑞典农业科学大学为论文的主要完成单位，Peter Högberg教授为通讯作者。研究得到瑞典研究委员会（VR）、瑞典战略研究基金会（SSF）等项目的资助。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-10039-5
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