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自20世纪以来,人类活动的持续加强导致化石燃料的消耗量不断上升,而化石燃料中含有丰富的氮素。燃烧使化石燃料中封存的氮素重新进入了大气圈通过沉降的方式进入生态系统。大气氮沉降已经在过去的100多年中显著增加,并有可能在未来的25年内加倍。人类活动已经极大地改变了氮素从大气向陆地生态系统输入的方式和速率。同时大气氮沉降对生态系统碳收支所带来的影响也已经受到越来越多的研究学者的关注。本文研究目的是利用卫星遥感数据监测的大气NO2柱浓度数据估算全球大气氮沉降,并评估氮沉降对陆地生态系统碳收支所产生的影响。研究中通过主成份回归分析的方法,将卫星柱浓度数据转换为大气氮沉降的回归模型,并以此建立了长时间序列的大气氮沉降数据集。分析氮沉降在全球不同生态系统中的变化情况。同时,从已有的相关文献中,归纳总结氮沉降对陆地生态系统碳水循环和平衡的作用及影响,并将文献中总结的元数据分析结果集成入一个名为IBIS(Integrated BIosphere Simulator)的陆地生态系统模型中。以长时间序列的大气氮沉降数据和气候数据作为驱动因子,利用IBIS模型模拟陆地生态系统碳水循环的过程,通过多组模拟实验比较衡量氮沉降对陆地生态系统碳收支、碳氮循环和碳水循环的影响,以及温度、降水、大气CO2浓度、大气氮沉降对于全球碳氮水耦合的影响差异。本文主要研究结果包括:1)利用NO2柱浓度数据、气象数据和Mozart(Model for OZone and Related chemical Tracers)模型模拟的大气氮沉降数据,使用主成份回归的方法,建立了快速估算长时间序列全球大气氮沉降的模型。估算的结果显示,全球绝大部分地区的大气氮沉降都已经超出了全球背景值,同时全球大气氮沉降的分布具有较大的分异性。中国、印度、欧洲和美国是世界氮沉降水平最高的地区。从历年的变化过程中可以发现,从1970～2009年世界氮沉降增加了 38.35%,其中增加最快地区出现在亚洲,中国、印度和东南地区的氮沉降增加幅度最为显著。2)通过对元数据的总结与分析,氮饱和对于生态系统光合作用、光合产物分配和凋落物分解方面的影响被集成入了 IBIS模型,使模型的氮循环模块得到了进一步完善。并将改进模型模拟的结果与文献资料、卫星反演数据、样地观测数据和Fluxnet观测数据进行了对比验证。验证结果显示IBIS模型的全球碳循环模拟结果具有较高的模拟精度。3)在历史时期全球 NPP(Net Primary Productivity)和 NEP(Net Ecosystem Productivity)的总量变化上,NPP和NEP都保持着一定的增加趋势。本世纪初的前十年中NPP总量增加到了 52.8 Pg C yr-1,NEP总量增加到了 3.1 Pg C yr-1,分别较上世纪70年代增加了 9.3%和14.8%。森林无论是在NPP和NEP的总量还是在增加量上都是占有主体地位,尤其以热带森林为最。在过去的40年中,全球陆地氮沉降显著增加,并未对NPP和NEP带来显著影响。在平均氮沉降水平最高的21世纪前十年,全球氮沉降相对于1970年增加了 53%左右,而这一时期NPP和NEP的平均增加率仅为0.64%和4.6%。氮沉降对全球碳收支作用不明显的主要原因是由于其空间分布的不均与氮饱和的影响。大部分陆地生态系统并没有受到强烈氮沉降的影响,高值氮沉降区域集中在人为活动强烈的区域,影响范围有限。森林作为碳同化和吸收的主体,氮沉降的增加并不显著,尤其是在北方森林中,这限制了氮素对于全球碳收支的贡献。同时在氮沉降水平较高的区域,氮饱和作用的发生也极大的限制了氮沉降的对于全球碳收支的贡献。4)氮沉降的增加将引起全球范围的氮利用效率(NUE,Nitrogen Use Efficiency)下降,下降的幅度大约为2～4 g C/gN。在空间分布上,氮沉降的变化使全球NUE下降最明显的地区出现在中国东部的亚热带森林地区和东欧的部分地区,在这些地区中NUE大约下降了 20.3 g C/g N;而最主要的NUE上升地区出现在东欧北部的北方森林地区大约上升了11.2 g C/g N。氮沉降的增加和NUE的下降具有较好的负相关性。无论是在全球范围还是在各生物区中都能够发现这种负相关性的存在。从这种负相关性的变化中可以看出,气候变化和大气CO2的升高所带来的耦合效应正在减弱这种负相关性。5)水分利用效率(WUE,Water Use Efficiency)在历史时期有较为明显的增加,大约上升了 10%。这其中氮沉降的贡献微弱,而其他环境胁迫因子对于WUE的贡献更为显著。在全球变化背景下的多因子耦合作用中,温度的增加和降水的变化对于WUE起到了负面影响,大气氮沉降和C02浓度的升高促进了 WUE的升高。其中,大气C02浓度的升高所产生的耦合效应对于WUE的正面影响是最为显著的,而温度升高产生的负面影响最大。WUE和NUE呈现负相关关系。从全球均值而言这种负相关性不显著,同时,在空间格局上这种负相关性在全球有广泛的分布,并在一些地区表现出显著性。而氮沉降对于这种关系的影响,仅局限在全球一些氮沉降较为严重的地区。