编者按美国国家科学院国家研究理事会归纳总结出未来10年地球科学领域新的研究机遇，具有明确的科学和社会意义，是未来10年国际地球科学的重要发展方向。本文摘选《地球科学新的研究机遇》一书中“碳、氮和水循环对气候变化的响应和反馈”一节可窥其一斑。

每年约有120Pg碳通过光合作用和呼吸作用在大气和陆地生态系统之间交换。由于人类活动直接产生的碳交换量估计多一个数量级（8.7Pg碳/年来自于化石燃料的燃烧，1.2Pg碳/年来自于2008年土地利用的变化；Le Quéré et al．，2009）。因此，由于气候变化引起的碳源的全球变化至少可以作为重要的全球碳循环直接人为排放的总量。间接地，主要是通过燃烧化石燃料，人类已经并将继续是一个过去和未来气候变化的始作俑者。碳源的鉴定需要开展地区性的研究，而大多数碳循环研究已经着眼于全球（如全球气候模型模拟）或本地（如通量塔）尺度。

气候变化可能会较快地引发植被和地形环境的变化（如冻土区和湿地），这是区域和全球碳交换应特别关注的。例如，根据模型预测，在北半球有2900万km2的富冰冻土，到2100年，其中1/3将会融化（Grosse et al．，2011）。据估计，在北半球多年冻土区，1600Pg碳存储于地表3ｍ之内（见下图）。永久冻土带的融化，和相关的有机碳微生物分解潜在地向大气中释放大量的碳，据估计，到2100年，此转换量的范围为50～100Pg（Schuur et al．，2008）。但是，变暖和解冻的脆弱性和恢复能力也作为潜在碳排放的评估，由于积雪、植被、土壤、活性层的属性、地表水和地下水之间的正负反馈被复杂化了（Grosse et al．，2011）。永久冻土层的融化也可能会产生快速的地形退化，包括热融的发展、海岸侵蚀的加速、网络渠道的扩展以及大量的浪费（Rowland et al．，2010）。提高气候变化对永久冻土区碳、土壤、生态系统和景观动态影响的认识，需要靠多学科科学家团队间相互配合的观测和模拟工作。

通过北部永久冻土区的理想化剖面（横截面），显示了已知的和假设的碳源，包括估算了永久冻土层陆地和海洋部分的碳存储（单位：Pg碳）（资料来源：Grosse et al．，2011）

生活中相关元素化学计量学的有机体保证碳循环中氮与磷的耦合，而诸如生物固氮过程则将氮循环与其他元素（如铁）联系在一起（如Finzi et al．，2011）。基于碳、氮和其他元素循环对不同温度和降水的变化及其之间的耦合响应，创建了一个关于元素循环、生态系统和气候之间相互作用和反馈的复杂系统。将碳和氮循环与气候变化关联起来是该系统当前受关注的一个方面，因为就地球气候对持久的人为大气二氧化碳排放响应而言，氮和碳循环将产生不确定的减缓或放大反馈。

受用于肥料用途的活性氮的工业生产以及化石燃料燃烧和豆类种植的影响，陆地氮循环一直在急剧加速。据估计过去几十年中，这3种人为氮源向陆地环境增加了比天然来源（110Tg N/a；见下图；Gruber and Galloway，2008）更多的氮（2005年为187TgN/a；Galloway et al．，2008）。另外，人为排放的一氧化二氮（N2O，一种温室气体）直接对平流层臭氧消耗和对流层N2O积累做出了贡献（Ravishankara et al．，2009），而排放的氮氧化物（ＮＯx）间接促进对流层臭氧和雾的形成（Arneth et al．，2010）。

陆地（a）和海洋（b）氮循环自然的（蓝色）和人为的（橙色）氮排放。说明与活性氮生产有关的主要来源和过程以及氮循环与碳和磷的耦合。数值为20世纪90年代的数据（单位：Tg N/a）（资料来源：Gruber and Galloway，2008）

理解所有这些增加的氮将会如何影响气候、陆地生态系统和碳循环，在我们试图预测未来环境的变化和可能的减灾战略时是非常必要的。例如，最近的一次模拟研究表明，因大气中的二氧化碳的增加，氮对陆地碳储量变化有重要的控制作用，尽管这种自然控制随热带、温带、高纬度生态系统影响的幅度仍然不明朗（如Zaehle et al．，2010）。碳储存中与氮相关的变化是通过调节大气中二氧化碳的含量反馈到气候。此外，任何陆地植物碳与氮的比值和变化率或者生物固氮和脱氮作用的地理分布都将改变地区和全球碳循环（Gruber and Galloway，2008）。陆地系统中由于径流、陆—气交换和其他与生物地球化学循环相关的地表过程导致的氮、碳和其他元素的再分配将土壤、淡水和海洋系统中的生物化学循环联系起来。因此，与气候变化相关的水循环变化的量化是建立一个了解未来生物地球化学循环变化的关键要素。

Labat等（2004）对最大河流月排量的重建表明，全球大陆径流在20世纪增加了。径流量变化与降水、蒸散量和土地利用的变化相关联。降水、温度、二氧化碳浓度、土地覆盖和土地使用对20世纪河流流量增加的相对贡献模型表明，降水增加是全球河流流量增加的主导因素（Gerten et al．，2008）。降水预计将随着温度的升高而增加，尽管增长的速度可能由对流层大气温室气体强迫和黑炭气溶胶对降水的影响而降低（如Frieler et al．，2011）。土地使用的实践也有利于增加水的排放，特别是以粗放农业或流域为特征的森林砍伐的情况下。例如，在密西西比河的农地覆盖和平均降水条件下的增加注入之间存在很强的相关性，农业和土地利用解释了过去50年中在密西西比河水排放的增加要多于降水量的增加（Raymond et al．，2008）。这种农业增强径流可携带高浓度的氮、磷和碳（以碳酸氢盐的形式），影响河水流域和下游海洋生态系统的生物地球化学特性。

在水循环中，蒸发量与气候变化的相关作用更难梳理，部分原因是由于蒸发量和土壤水分之间的反馈。大气中二氧化碳含量升高与气孔联通度的下降相互关联（Leakey et al．，2009），这可能会导致蒸发量下降和土壤水分的增加（如Gedney et al．，2006）。然而，一些水文证据（水平衡的估计，蒸渗仪和蒸发量测量，植物生长季长度）表明在过去的50年里温带地区蒸发量增加（Huntington，2008）。这些结果表明，目前，较高温度的影响一般都能抵消蒸发量随二氧化碳增加的影响，虽然他们的相对效应很可能随地理位置的不同而不同，也可能随着未来的气候和土地覆盖的变化而改变。

虽然存在相对长时间序列的和空间尺度的径流和降水的记录，基本的水文地质参数（如土壤水分和蒸发量）是难以衡量的，而且，在大多数情况下，现有的数据在时间和空间上是稀疏的。要推进科学进步，地形测量点（如通量塔网络）必须与平面上的从遥感获取到的分布（如卫星遥感估算测量土壤水分）顺利地整合。所有的这些测量将必须与新的数据相匹配，适当的同化方法与新的理论适用于地区规模。这些和其他用于量化必要的水文参数的新方法对于解决水循环在空间与时间的趋势、气候变化、土地使用和其他人类活动的影响相关的生物地球化学循环是非常必要的。

本文由刘四旦摘编自由美国国家科学院国家研究理事会编，张志强、郑军卫等译的《地球科学新的研究机遇》一书。美国国家科学院国家研究理事会地球科学新的研究机遇委员会在广泛研究和征求各方面意见的基础上，归纳总结出未来10年地球科学领域新的研究机遇，包括从地表到地球内部运动过程的研究，以及海洋与大气科学、生物科学、工程科学、社会科学、行为科学等领域的跨学科研究，并指出地球科学未来10年出现的7个新的研究机遇：①早期的地球；②热化学内动力和挥发物分布；③断裂作用与变形过程；④气候，地表过程、地质构造和深部地球过程之间的相互作用；⑤生命、环境和气候问的协同演化；⑥水文地貌-生态系统对自然界与人类活动变化的耦合响应；⑦陆地环境的生物地球化学和水循环，以及全球变化对它们的影响。美国国家科学院国家研究理事会著的《地球科学新的研究机遇》提出的研究机遇与挑战具有明确的科学和社会意义，是未来10年国际地球科学的重要发展方向。

敬请关注科学出版社，搜索微信ID：sciencepress-cspm 或“科学出版社”公众号