大气中二氧化碳增加降低了北方针叶林的氮素可用性

森林养分为何与我们息息相关

森林常被赞颂为把导致全球变暖的二氧化碳从空气中抽走的力量。但树木生长需要的不仅仅是碳。像田间作物一样，它们也依赖土壤中的养分——尤其是氮。本研究提出了一个看似简单却影响深远的问题：随着大气中二氧化碳持续上升，世界北部的针叶林是否正面临氮素短缺？这种短缺最终会削弱它们作为减缓气候变化“刹车”的作用吗？

在年轮中追溯历史

为了解答这一问题，研究人员借助了一种不同寻常的档案：瑞典国家森林清查几十年来采集的数千根树芯。每根树芯都是从树干钻出的狭窄圆柱体，保存着记录逐年生长的年轮。研究小组分析了来自两种常见北方树种——苏格兰松和挪威云杉——的1600多根树芯，时间跨度从20世纪50年代到2010年代，覆盖瑞典各地的森林。研究并不只测量生长本身，而是关注木材中的一项化学指纹：两种氮同位素的比值。这个比值用δ15N表示，当生态系统中氮的可用性增减时，它会以一种一致的方式发生变化，使科学家得以重建近七十年来森林氮素状况的历史。

全国性氮素变薄的信号

瑞典在分辨各种作用力方面具有特殊优势。该国从北到南大致跨越了一个四倍的空气氮污染梯度，这主要由化石燃料燃烧和化肥使用等人类活动驱动。相比之下，大气中的二氧化碳在该地区几乎是均一的。如果森林中氮素的下降主要由氮污染变化引起，那么年轮中δ15N的趋势在污染严重和轻微的地区之间应当有显著差异。相反，研究人员发现瑞典四个区域的树木年轮δ15N都随时间下降，包括长期以来氮沉降一直很低且相对稳定的极北地区。这种广泛的下降表明，驱动因素是同时作用于所有地区的因素——上升的二氧化碳——而不仅仅是局部污染变化。

检验替代理论

为了更严格地探究成因，研究团队使用了统计模型，将年轮δ15N与若干环境因子联系起来：大气二氧化碳、不同的氮沉降指标、气温及森林结构。在多种模型变体中，二氧化碳始终是对δ15N影响最强的预测因子，关系明确为负相关：随着二氧化碳增加，木材中的δ15N下降。氮沉降和温度确实有可检测到的作用，但影响远弱于二氧化碳。值得注意的是，基于空气中不同化学形态氮（铵态与硝态）比例变化的解释并未得到数据支持。这些结果强化了这样一种观点：二氧化碳上升正在直接收紧北方针叶林中的氮循环，而不是仅仅掩盖大气清洁政策的效果。

为何更多的碳会意味着更少的氮

研究还考察了森林生长变化与氮状况之间的关系。国家清查数据显示，自20世纪50年代以来，瑞典的松林和云杉林生长加快，每年积累的木材更多。作者在将这些生长趋势与δ15N比较时发现，增长最快的地块通常伴随δ15N下降最显著，与“渐进性氮限制”理论一致。通俗地说，额外的二氧化碳像短期的光合作用“肥料”，促使树木生长并提高对氮的需求。随着时间推移，这种增强的需求可能超过土壤天然可供给的氮量。树木可能通过把更多糖分投向与之共生的根际真菌（菌根真菌）来应对，借助它们从更深或更难分解的有机氮库中获取氮。这种策略可以让生长持续一段时间，但也会把更多氮锁在生物量和真菌组织中，减少留在土壤和溪流中的可用氮。

这对气候未来意味着什么

由于北方针叶林储存了全球陆地碳的相当大一部分，它们对上升二氧化碳的长期响应将决定我们排放中有多少留在大气中。这项研究表明，随着二氧化碳上升，即便在远离工业污染的地区，这些森林中的氮也在悄然变得更加稀缺。作者得出结论：年轮中δ15N下降所示的氮素可用性下降，将越来越限制北方针叶林能额外吸收的碳量。对普通读者而言，信息很直接：我们不能指望北方森林无限制地吸收越来越多的排放。它们在更高二氧化碳下的增长繁荣伴随着隐藏的养分代价，这更突显了从源头减少温室气体排放的紧迫性，而不是单靠森林来挽救局面。

引用: Bassett, K.R., Hupperts, S.F., Jämtgård, S. et al. Rising atmospheric CO₂ reduces nitrogen availability in boreal forests. Nature 650, 629–635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10039-5

关键词: 北方针叶林, 二氧化碳, 氮素限制, 年轮, 全球碳循环