自工业革命以来，人类活动导致的温室气体排放（主要为CO₂、CH₄和N₂O）加剧了全球气候变暖。为了避免气候变暖带来不可承担的后果，包括中国在内的许多国家都提出了在本世纪中叶实现温室气体“净零排放”或“碳中和”目标。为实现这一目标，森林生态系统相关的“基于自然的解决方案”是当前国内外应对气候变暖的主要抓手。但是，森林土壤温室气体通量受限于观测难度，其不确定性相对较高。同时，森林土壤温室气体还会受到包括大气氮沉降在内的全球变化因素的影响，进一步增加了研究森林生态系统温室气体收支变化的难度。过去半个世纪积累的、来自世界各地的大量的氮添加实验数据，为量化大气氮沉降对土壤温室气体的影响提供了基础。

图1 人类活动可能导致森林氮饱和状态的变化，进而改变森林生态系统对环境变化的响应

理论上，生态系统是否氮饱和对其碳氮循环具有重要影响（图1），但受方法学限制，人们一直无法给出氮饱和森林的空间分布图。如何科学、定量地评估氮沉降对森林土壤温室气体通量的影响也成为困扰学界多年的难题。何念鹏团队通过从文献中系统性整合的全球氮添加实验数据和温室气体通量数据，提出了新的研究框架基于“土壤N₂O排放对氮沉降的敏感性”来确定了森林氮饱和状态，首次给出了全球氮饱和森林空间图，并以此为基础，探索了全球森林土壤三种温室气体对氮输入的响应规律，定量评估了氮沉降对森林土壤温室气体通量的影响及其空间格局，揭示了氮沉降对氮限制、氮饱和森林土壤温室气体收支的差异性影响。在该领域取得了以下几方面重要进展：

1.揭示了全球氮饱和森林的分布格局

相比氮限制森林，氮饱和森林中的氮循环更加开放，因此随着沉降进入生态系统的活性氮会有更大一部分以N₂O等形式逸失。研究团队采用土壤N₂O排放对氮沉降的敏感性（即单位氮沉降导致的N₂O排放变化）这一新的指示因子，首次揭示了全球氮饱和森林的分布格局。研究发现在全球尺度上，已有47.5%的森林达到氮饱和状态（图2）。其中热带以及受人类活动影响较大的温带区域的氮饱和森林占比较高。全球森林氮饱和状态的空间变异性高，且受到氮沉降、毁林-再造林等人类干扰的影响，因此在不同区域需要采取不同的环境管理措施。首次生成的全球氮饱和森林空间分布图将有助于预测森林生产力变化、加强物种多样性保护、优化森林管理策略。相关成果详见Cen et al. (2025b)。

图2 全球氮饱和森林分布及其空间差异

2.评估了氮沉降对全球森林氧化亚氮排放的贡献

以土壤N₂O排放对氮沉降的敏感性参数为核心，研究团队利用全球氮添加实验数据及氮沉降数据，发展了“基于数据和过程”的方法来模拟全球森林土壤N₂O排放动态（图3）。研究发现1985至2015年间，全球森林土壤N₂O排放量从3.55 TgN yr^–1上升至3.85 TgN yr^–1。氮沉降直接贡献了全球森林土壤N₂O排放量中的9%，对中国森林N₂O排放量的贡献高达19%。该研究也为全球145个森林覆被国家提供了本地化的N₂O排放因子，有助于提高国家温室气体核算的准确性。发展的“基于数据和过程”的方法使控制实验数据也可以应用于区域温室气体核算，且估算结果与通过过程模型、经验模型或机器学习算法得到的结果相当。相关成果详见Cen et al. (2022)及Cen et al. (2024b)。

图3 全球森林土壤N₂O排放通量的时空变化

3.发展了森林土壤甲烷对氮沉降的“三个阶段”响应理论

野外实验发现模拟氮沉降在一些森林中促进了土壤CH₄吸收，在一些森林中抑制了土壤CH₄吸收，在其他一些森林中二者的关系不显著。研究团队创造性地提出了氮沉降对土壤CH₄通量的影响会经历促进-抑制-弱效应这“三个阶段”。通过整合分析全球氮添加实验数据，研究团队验证了“三个阶段”假说（图4）。基于全球氮饱和森林空间分布图，系统地评估了氮沉降对森林土壤CH₄吸收的影响，发现在氮限制森林中，氮沉降整体促进了甲烷吸收；在氮饱和森林中，氮沉降整体抑制了甲烷吸收。在全球尺度上，当前的氮沉降水平使森林土壤甲烷吸收能力降低了2.6%。该研究启示我们，随着大气氮沉降下降，那些受到人类活动影响较大的氮饱和森林对土壤CH₄的吸收能力将得到提升，从而在一定程度上减缓全球变暖。相关成果详见Cen et al. (2024a)。

图4 土壤CH₄通量对氮输入的响应系数的三个阶段变化

4.发展了全球森林土壤呼吸对氮沉降的统一响应的新框架

传统理论认为在氮饱和森林中，进一步的氮输入会抑制土壤呼吸。但在一些富氮森林和长期氮添加实验林中，仍有观测显示低剂量的氮输入促进了土壤呼吸。研究团队结合氮添加实验数据以及自然氮沉降梯度下的土壤呼吸观测数据，综合评估氮沉降对土壤呼吸的促进和抑制作用，发现氮输入对土壤呼吸的促进作用呈现双相效应，而氮输入对土壤呼吸的抑制作用呈临界突变效应（图5）。相比氮限制森林，氮饱和森林中出现氮输入抑制土壤呼吸的概率更高。当前的氮沉降水平导致全球2.9%的森林区域土壤呼吸下降。这些森林主要是中国东部、西欧和美国东部的氮饱和森林。然而，氮沉降的净效应使全球森林土壤呼吸增加了约5%（1.7 ± 0.1 PgC yr^–1）。若能有效控制氮污染，全球森林土壤呼吸将下降，这可能有助于减少陆地碳排放。相关成果详见Cen et al. (2025a)。

图5 森林土壤呼吸对氮沉降的响应规律假说

相关研究以5篇科研论文分别发表在Nature Communications, One Earth, Global Biogeochemical Cycles和Communications Earth & Environment。上述研究成果得到了国家自然科学基金项目（32430067,42141004）、国家重点研发计划项目（2022YFF080210102，2023YFF1305900）、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划项目（YSBR-037）等资助。感谢在相关研究开展过程中，来自野外测试、室内测定、数据分析和结果研讨等方面专家学者的大力支持和帮助！

相关科研论文详细信息如下：

Cen, X., Vitousek, P., He. N.*, Bond-Lamberty, B., Niu, S., Du, E., Yu, K., Zheng, M., Van Sundert, K., Paulus, E., He, L., Xu, L., Li, M. and Butterbach-Bahl, K. 2025a.A general framework fornitrogendepositioneffects on soilrespirationin global forests. Nature Communications,doi.org/10.1038/s41467-025-67203-8.

Cen, X., He, N.*, Van Sundert, K., Terrer, C., Yu, K., Li, M., Xu, L., He, L. and Butterbach-Bahl, K., 2025b. Global patterns of nitrogen saturation in forests. One Earth, 8(1): 101132.

Cen, X., He, N.*, Li, M., Xu, L., Yu, X., Cai, W., Li, X. and Butterbach-Bahl, K., 2024a. Suppression of Nitrogen Deposition on Global Forest Soil CH₄ Uptake Depends on Nitrogen Status. Global Biogeochemical Cycles, 38(7): e2024GB008098.

Cen, X., Müller, C., Kang, X.*, Zhou, X., Zhang, J., Yu, G. and He, N.*, 2024b. Nitrogen deposition contributed to a global increase in nitrous oxide emissions from forest soils. Communications Earth & Environment, 5(1): 532.

Cen, X., Li, M.*, Xu, L., Zhu, J. and He, N.*, 2022. Atmospheric N deposition significantly enhanced soil N₂O emission from eastern China forests. Global Biogeochemical Cycles, 36(8): e2021GB007289.