未来城市化和气候变化对新英格兰地区生物地球化学循环影响的区域预测

《Research》：Regional Projections of the Impacts of Future Urbanization and Climate Change on Biogeochemical Cycles in New England Landscapes

城市化与气候变化协同作用下，新英格兰森林生态系统碳氮动态及水资源演变研究。采用PnET-CN-daily模型模拟发现，南部区域因快速城市化可能导致碳汇能力下降，土壤有机氮因温度升高加速分解而减少，雪pack缩短影响水资源平衡。

　　
研究聚焦于新英格兰地区森林生态系统在气候变化和人类活动双重压力下的动态演变。该区域作为北美重要的生物地球化学循环枢纽，其森林功能正经历复杂转变。通过改进的PnET-CN-daily模型，研究构建了包含土地覆盖变化、气候变暖和大气污染演变的综合情景框架，揭示了未来30年碳氮循环与水资源平衡的关键驱动力。

在模型验证阶段，研究显示该模型对新英格兰地区主要植被类型的碳氮动态模拟具有较高精度。针对温带硬木林和针叶林两类典型生态系统，模型对光合生产量（GPP）、呼吸量及林分生物量的模拟误差控制在合理范围内。值得注意的是，模型在北方高海拔区域对土壤有机质（SOM）的估算存在系统性偏差，这可能与忽略微生物厌氧分解等复杂过程有关。同时，模型未能完全捕捉植被随海拔变化的水分利用效率特征，特别是在酸雨恢复过程中存在低估现象。

未来情景模拟表明，新英格兰森林将继续发挥区域碳汇功能，但存在显著的空间异质性和情景依赖性。在碳动态方面，气候变暖与CO?施肥协同作用使植物碳储量提升，但快速城市化导致土壤碳流失加剧。特别是南部地区，城市化强度超过环境承载阈值后，土壤碳库出现净释放，形成碳汇功能弱化与植物碳增益的补偿机制。研究量化显示，至2050年总生态系统碳储量将增加9.6%，其中植物碳贡献率达82%，而土壤碳因分解加速下降4%。

氮循环呈现更复杂的空间分异特征。受化石燃料减排政策影响，大气氮沉降速率持续下降，而城市扩张导致氮淋失增加。模型预测显示，南部地区氮素流失速率达3.2%，引发显著的氮贫瘠化（N-oligotrophication）。这种营养限制不仅抑制森林生长，更通过改变植物-土壤氮循环的耦合关系，形成正向反馈机制——土壤氮库的持续萎缩加剧植物对氮的竞争性吸收，最终导致林分生产力下降。

水动态模拟揭示了城市化与气候变暖的协同效应。尽管降水总量保持稳定，但雪覆盖期缩短和蒸发量增加导致土壤水分亏缺加剧。特别在南部新英格兰地区，雪pack深度预计下降至当前水平的23.6%-68.2%，直接影响越冬水源补给。值得注意的是，CO?施肥导致的植物水分利用效率提升（WUE）有效缓解了干旱压力，形成与温度升高的负反馈调节。

研究创新性地构建了多情景叠加模型，揭示出不同发展路径的生态响应阈值。当城市化率超过65%时，碳汇功能由净积累转向局部区域（如波士顿周边）的碳源释放。这种转变源于植被类型置换与土壤碳矿化速率的突变响应。模型进一步显示，在清洁能源转型（CES40B）情景下，氮沉降下降速度较常规情景快1.8倍，导致农村地区氮限制强度在2035年后显著增强。

模型验证部分发现，对高海拔区域土壤有机质估算存在15%-20%的系统偏差，这可能源于对冻融循环中有机质物理碎裂过程的简化处理。同时，城市热岛效应与臭氧污染的耦合作用使植被光合损伤率增加，但模型未充分考虑局地尺度气象过程的非线性影响，这成为未来改进方向。

研究结论强调，新英格兰森林管理需构建多尺度协同机制：在城市扩张边界实施碳汇增强技术，如在建筑屋顶配置光伏-绿化复合系统；针对氮贫瘠化趋势，推广精准施肥与林下植被调控技术；建立雪水资源管理预案，通过生态护坡等措施缓解雪pack退化对水循环的冲击。特别在人口密集的甲基兰地区（ME）和麻省（MA），需优先实施气候适应性规划，平衡城市化进程与生态系统服务功能。

该研究为东北部美国森林的可持续管理提供了量化依据，其多情景分析框架可拓展应用于其他东北亚温带森林生态系统。未来研究应着重完善城市大气污染传输模型，特别是臭氧前体物在建筑群中的扩散机制，以及将微生物功能基因表达纳入土壤碳模型，以提高对养分限制响应的模拟精度。