We are searching data for your request:
Upon completion, a link will appear to access the found materials.
อัลฟัลฟา, โคลเวอร์, ถั่ว, ถั่ว, ถั่ว, ลูปิน, เมสกีต, คารอบ, ถั่วเหลืองและถั่วลิสง เหล่านี้คืออะไร?
พืชตระกูลถั่ว พืชตระกูลถั่วมีความสามารถในการตรึงไนโตรเจนในบรรยากาศ เนื่องจากความสัมพันธ์ทางชีวภาพแบบพึ่งพาอาศัยกันกับแบคทีเรียที่พบในก้อนรากของพืชเหล่านี้
วัฏจักรไนโตรเจน
ไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบของชั้นบรรยากาศของโลกถึง 78 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ยังเป็นส่วนสำคัญของสิ่งมีชีวิต ไนโตรเจนพบได้ในโปรตีน กรดนิวคลีอิก และคลอโรฟิลล์ NS วัฏจักรไนโตรเจน เคลื่อนไนโตรเจนผ่านส่วนที่ไม่มีชีวิตและส่วนที่มีชีวิตของระบบนิเวศ รูป ด้านล่างแสดงให้เห็นว่าไนโตรเจนหมุนเวียนผ่านระบบนิเวศบนบกอย่างไร ไนโตรเจนผ่านวงจรที่คล้ายกันในระบบนิเวศทางน้ำ
วัฏจักรไนโตรเจนในระบบนิเวศภาคพื้นดิน ไนโตรเจนเป็นวัฏจักรระหว่างชั้นบรรยากาศกับสิ่งมีชีวิต
แม้ว่าก๊าซไนโตรเจนจะประกอบขึ้นเป็นชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่ของโลก แต่พืชก็ไม่สามารถใช้ก๊าซไนโตรเจนนี้ทำสารประกอบอินทรีย์สำหรับตัวเองและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ได้ อะตอมไนโตรเจนสองอะตอมในโมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนถูกยึดเข้าด้วยกันโดยพันธะสามที่เสถียรมาก พันธะนี้จะต้องแตกออกจึงจะสามารถใช้ไนโตรเจนได้ ก๊าซไนโตรเจนจะต้องเปลี่ยนให้อยู่ในรูปแบบที่เรียกว่าไนเตรต ซึ่งพืชสามารถดูดซึมผ่านรากของพวกมันได้ กระบวนการเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนเป็นไนเตรตเรียกว่า การตรึงไนโตรเจน. ดำเนินการโดยแบคทีเรียตรึงไนโตรเจน แบคทีเรียอาศัยอยู่ในดินและรากของพืชตระกูลถั่ว เช่น ถั่ว
เมื่อพืชและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ตาย ตัวย่อยสลายจะทำลายซากของพวกมัน ในกระบวนการนี้จะปล่อยไนโตรเจนในรูปของไอออนแอมโมเนียม กระบวนการนี้เรียกว่าแอมโมเนีย แบคทีเรียไนตริไฟริ่งจะเปลี่ยนไอออนของแอมโมเนียมเป็นไนไตรต์และไนเตรต พืชใช้ไนเตรตบางชนิด กระบวนการเปลี่ยนแอมโมเนียมไอออนเป็นไนไตรต์หรือไนเตรตเรียกว่า ไนตริฟิเคชั่น ยังมีแบคทีเรียอื่นๆ ที่เรียกว่า แบคทีเรียดีไนตริฟายอิ้ง ทำหน้าที่เปลี่ยนไนเตรตบางส่วนในดินกลับเป็นก๊าซไนโตรเจนในกระบวนการที่เรียกว่า การดีไนตริฟิเคชั่น กระบวนการนี้ตรงกันข้ามกับการตรึงไนโตรเจน การดีไนตริฟิเคชั่นจะส่งก๊าซไนโตรเจนกลับคืนสู่บรรยากาศ ซึ่งจะทำให้วัฏจักรไนโตรเจนดำเนินต่อไปได้
สรุป
- วัฏจักรไนโตรเจนเคลื่อนไนโตรเจนไปมาระหว่างบรรยากาศและสิ่งมีชีวิต
- แบคทีเรียเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนจากบรรยากาศเป็นสารประกอบไนโตรเจนที่พืชสามารถดูดซับได้
- แบคทีเรียชนิดอื่นเปลี่ยนสารประกอบไนโตรเจนกลับเป็นก๊าซไนโตรเจนซึ่งกลับเข้าสู่บรรยากาศอีกครั้ง
ทบทวน
- ทำไมพืชถึงใช้ก๊าซไนโตรเจนโดยตรงไม่ได้?
- การตรึงไนโตรเจนคืออะไร?
- อธิบายว่าเหตุใดแบคทีเรียจึงเป็นส่วนสำคัญของวัฏจักรไนโตรเจน
- แอมโมเนียคืออะไร?
วัฏจักร การซิงโครไนซ์เฟส และการกักขังในประชากรแพลงก์ตอนพืชชนิดเดียว
พลวัตที่ซับซ้อน เช่น วัฏจักรของประชากร สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อสมาชิกแต่ละคนของประชากรตรงกัน อย่างไรก็ตาม เป็นคำถามที่เปิดกว้างว่าวงจรการซิงโครไนซ์ที่ขับเคลื่อนด้วยกลไกสามารถเกิดขึ้นได้อย่างไรในประชากรจุลินทรีย์ที่ไม่มีโครงสร้างอย่างรวดเร็วและโดยผ่านกลไกใด ในคีโมสแตตทดลอง เราศึกษาประชากรจำนวนมาก (>10 9 เซลล์) ของแพลงก์ตอนพืชที่มีเซลล์เดียวซึ่งแสดงการสั่นของประชากรที่สม่ำเสมอ เหนี่ยวนำไม่ได้ และทำซ้ำได้ การวัดการกระจายขนาดเซลล์เปิดเผยว่าการลุกลามผ่านวัฏจักรไมโทติคถูกซิงโครไนซ์กับวัฏจักรประชากร แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายทั้งวัฏจักรเซลล์และกระบวนการระดับประชากร ชี้ให้เห็นว่าวัฏจักรเกิดขึ้นเนื่องจากเซลล์แต่ละเซลล์จะซิงโครไนซ์โดยการโต้ตอบซึ่งกันและกันผ่านแหล่งรวมสารอาหารทั่วไป การรบกวนจากภายนอกโดยการจัดการโดยตรงของความพร้อมของสารอาหารส่งผลให้เกิดการรีเซ็ตเฟส เปิดโปงการสั่นที่แท้จริง และสร้างวงจรรวมชั่วคราวในขณะที่บุคคลค่อยๆ แยกจากกัน การศึกษาของเราชี้ให้เห็นถึงความเชื่อมโยงที่แน่นแฟ้นระหว่างกระบวนการภายในเซลล์ที่ซับซ้อนและการเปลี่ยนแปลงของประชากร โดยที่วัฏจักรเซลล์ที่ซิงโครไนซ์ของแพลงก์ตอนพืชที่มีเซลล์เดียวให้โครงสร้างประชากรที่เพียงพอในการทำให้เกิดการสั่นของแอมพลิจูดน้อยที่ระดับประชากร
การซิงโครไนซ์เฟสเป็นการปรับจังหวะของวัตถุที่สั่นซึ่งสามารถนำไปสู่การเกิดขึ้นของพฤติกรรมการซิงโครไนซ์ที่ซับซ้อน (1–3) เช่น การเปลี่ยนสีเป็นระยะของไมโครอนุภาคเร่งปฏิกิริยา (4) การกะพริบพร้อมกันของหิ่งห้อย (5) หรือ การปรบมือเป็นจังหวะของผู้ชมที่เป็นมนุษย์ (6). ในทำนองเดียวกัน ความหนาแน่นของประชากรทางนิเวศวิทยาจำนวนมากสั่นด้วยความถี่ที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยการแปรผันรายวัน รายปี หรือตามฤดูกาลอื่นๆ (7–9) บ่อยครั้ง การสั่นปกติดังกล่าวเกิดจากการโต้ตอบหลายสปีชีส์ (10–13) การทดลองแสดงให้เห็นว่าประชากรชนิดเดียวยังสามารถได้รับความผันผวนอย่างต่อเนื่องหรือแบบหน่วง (14, 15) “วัฏจักรรุ่นเดียว” และ “รอบการตอบสนองที่ล่าช้า” (16) เป็นประเภทของความผันผวนของสายพันธุ์เดียวที่ทราบว่าเกิดขึ้นเมื่ออัตราสำคัญขึ้นอยู่กับความหนาแน่น ที่นี่เรามีความกังวลเกี่ยวกับความผันผวนของชนิดเดียวที่เกิดขึ้นเมื่อบุคคลซิงโครไนซ์ความก้าวหน้าผ่านวงจรชีวิตของพวกเขา การซิงโครไนซ์อาจเกิดจากการล็อควงจรชีวิตของแต่ละบุคคลกับแรงภายนอก (การขึ้นรถไฟ) แต่อาจเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติผ่านการปฏิสัมพันธ์ภายในระหว่างบุคคล (2–4) และสามารถเกิดขึ้นได้ในประชากรที่อยู่ห่างไกลจากอวกาศ (10, 13, 17 , 18). ประชากรที่มีโครงสร้างภายในที่ชัดเจนสามารถซิงโครไนซ์ได้โดยง่ายด้วยสิ่งกระตุ้นจากสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างเช่น ประชากรแมลงที่สูญเสียตัวเต็มวัยไปเป็นมนต์สะกดอันหนาวเหน็บก่อนที่จะมีการผลิตไข่ และจำเป็นต้องเริ่มต้นการเติบโตใหม่โดยพิจารณาจากเศษส่วนของตัวอ่อนที่รอดตายของประชากร ในทางตรงกันข้าม ยังไม่ค่อยมีใครทราบเกี่ยวกับศักยภาพของวัฏจักรการซิงโครไนซ์ในประชากรจุลินทรีย์ แม้จะมีบทบาทสำคัญในระบบนิเวศทั่วโลกก็ตาม
ในการศึกษานี้ เราทดลองชักนำให้เกิดการสั่นอย่างสม่ำเสมอในประชากรของสาหร่ายเซลล์เดียวที่ไม่มีช่วงชีวิตที่ชัดเจนนอกเหนือจากที่กำหนดโดยวัฏจักรเซลล์ของพวกมัน การสั่นสามารถคงรักษาไว้ได้หากไม่มีจังหวะจังหวะภายนอก และสามารถอธิบายได้ผ่านการซิงโครไนซ์แบบรวมระหว่างออสซิลเลเตอร์เฟสที่มีปฏิสัมพันธ์จำนวนมาก โดยสอดคล้องกับรุ่นทั่วไปของโมเดลคุราโมโตะ (19) เนื่องจากการเชื่อมโยงเชิงสาเหตุระหว่างวัฏจักรเซลล์และการหมุนเวียนของประชากร เราจึงแสดงหลักฐานสำหรับการซิงโครไนซ์ไดนามิกของการสั่นในระดับชีวภาพขององค์กร
เราทำการทดลองคีโมสแตทกับแพลงก์ตอนพืชน้ำจืดที่มีเซลล์เดียวที่แตกต่างกันสามชนิด และเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงกับการเปลี่ยนแปลงที่คาดการณ์โดยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ช่วยให้มีไนโตรเจนและความก้าวหน้าของเซลล์แพลงก์ตอนพืชที่ขึ้นกับไนโตรเจนผ่านวัฏจักรเซลล์ (SI ส่วนที่ 1 และ 3). ในการติดตามการเปลี่ยนแปลงของแพลงก์ตอนพืชในคีโมสแตต เราใช้ระบบการวัดการสูญเสียแสงอัตโนมัติ (20) (SI มาตรา 2). ซึ่งช่วยให้เรารวบรวมการวัดที่มีความไวของสัญญาณและความละเอียดชั่วขณะ (ช่วงเวลา 5 นาที) ที่มีความแม่นยำผิดปกติสำหรับการทดลองอนุกรมเวลาทางนิเวศวิทยา นอกจากนี้ เรายังใช้ตัวนับอนุภาคเพื่อกำหนดความอุดมสมบูรณ์ของเซลล์และการกระจายขนาด (ช่วง 4 ถึง 12 ชั่วโมง) เราใช้ปริมาตรของเซลล์เป็นตัวแทนสำหรับเฟสของวัฏจักรเซลล์ที่เซลล์ของแพลงก์ตอนพืชตั้งอยู่
ปฏิกิริยาของวัฏจักรคาร์บอนของไนโตรเจนบนบกในระดับโลก
ปฏิกิริยาระหว่างวัฏจักรไนโตรเจนบนบก (N) และคาร์บอน (C) เป็นตัวกำหนดการตอบสนองของระบบนิเวศต่อการเปลี่ยนแปลงของโลก อย่างไรก็ตาม การกระจายตัวของไนโตรเจนทั่วโลกและความสำคัญในชีวธรณีเคมีและปฏิกิริยาทางชีวเคมีของโลกกับระบบภูมิอากาศยังคงไม่แน่นอน ตามการคาดการณ์ของแบบจำลองชีวมณฑลภาคพื้นดินที่ปรับขนาดความเข้าใจทางนิเวศวิทยาของปฏิกิริยาระหว่างวัฏจักรไนโตรเจนและคาร์บอนกับระดับสากล การเติมไนโตรเจนโดยมนุษย์ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2403 คาดว่าจะได้เพิ่มคุณค่าของชีวมณฑลบนบก 1.3 Pg N ซึ่งสนับสนุนการกักเก็บ 11.2 Pg C ในทำนองเดียวกัน ช่วงเวลา CO2 การปฏิสนธิได้เพิ่มการจัดเก็บคาร์บอนบนบกขึ้น 134.0 Pg C ซึ่งทำให้สต็อกไนโตรเจนบนบกเพิ่มขึ้น 1.2 Pg N ในปี 2544-2553 ระบบนิเวศบนบกได้เก็บกักรวมประมาณ 27 Tg N yr -1 (1.9 Pg C yr -1 ) ซึ่ง 10 Tg N yr −1 (0.2 Pg C yr −1 ) เกิดจากการทับถมของไนโตรเจนในมนุษย์ ความพร้อมใช้งานของไนโตรเจนได้จำกัดการกักเก็บคาร์บอนบนบกในเขตเหนือและเขตอบอุ่นแล้ว และจะจำกัดการกักเก็บคาร์บอนในอนาคตเพื่อตอบสนองต่อ CO2 การปฏิสนธิ (มากถึง 70% เมื่อเทียบกับการประมาณการโดยไม่พิจารณาปฏิกิริยาระหว่างไนโตรเจนกับคาร์บอน) การดูดซับคาร์บอนบนบกที่ลดลงนี้อาจครอบงำบทบาทของวัฏจักรไนโตรเจนบนบกในระบบภูมิอากาศ เนื่องจากเร่งการสะสมของ CO2 ในบรรยากาศ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มขึ้นของ N2การปล่อย O อันเนื่องมาจากไนโตรเจนที่มนุษย์สร้างขึ้นและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (ในอัตราประมาณ 0.5 Tg N ต่อปี -1 ต่อภาวะโลกร้อนที่ 1°C) จะเพิ่มการบังคับสภาพภูมิอากาศในระยะยาวที่สำคัญ
1. บทนำ
ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต รูปแบบที่มีอยู่ในระบบนิเวศของไนโตรเจน (แอมโมเนียม เช่นเดียวกับไนเตรตในรูปแบบไนโตรเจนออกซิไดซ์อื่นๆ) ต่อจากนี้ไปทำปฏิกิริยา N (NNS) หายากในระบบนิเวศที่ไม่ถูกรบกวนเนื่องจากปัจจัยการผลิตในบรรยากาศต่ำ ต้นทุนพลังงานสูงของการดูดซึมธาตุ N เบื้องต้น2 ผ่านการตรึงทางชีวภาพและการสูญเสียไนโตรเจนไปสู่การชะล้างและการระเหยโดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากการรบกวน [1] ผลผลิตของพืชและสิ่งมีชีวิตในดินขึ้นอยู่กับไนโตรเจนอย่างมาก ทำให้เกิดข้อ จำกัด ด้านปริมาณสัมพันธ์ที่ระดับของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด ข้อเท็จจริงสองข้อนี้นำไปสู่การมีเพศสัมพันธ์อย่างแน่นหนาของวัฏจักรไนโตรเจนบนบกและวัฏจักรคาร์บอน ดังที่เห็นได้จากความยืดหยุ่นที่จำกัดของระบบนิเวศ C : N สารสัมพันธ์ [2] ความพร้อมใช้งาน N จึงมีบทบาทสำคัญในการควบคุมผลิตภาพ โครงสร้าง และพลวัตเชิงพื้นที่ของระบบนิเวศบนบก: การรบกวนในวัฏจักรไนโตรเจนจะส่งผลสะท้อนในวัฏจักรคาร์บอน และในทางกลับกัน
ในอดีต วัฏจักรชีวธรณีเคมีบนบกเคยถูกรบกวนโดยการกระทำของมนุษย์ที่เปลี่ยนแปลงการปกคลุมที่ดินและการใช้ประโยชน์ที่ดิน โดยการเพิ่มปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศ2และโดยการเพิ่มอินพุตของ N . เป็นสองเท่าNS ผ่านการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลและการสร้างปุ๋ยทางการเกษตรตั้งแต่ปี พ.ศ. 2403 [3,4] การเปลี่ยนแปลงทางมานุษยวิทยาเหล่านี้ต้องมีผลที่ตามมาสำหรับการจัดเก็บบนบกและการหมุนเวียนของไนโตรเจนและคาร์บอน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความไม่แน่นอนใน (i) การกระจายตัวทั่วโลกของความพร้อมใช้ไนโตรเจนและความต้องการในระบบนิเวศบนบก (ii) ความสามารถของชีวมณฑลบนบกในการกักเก็บไนโตรเจนที่เติมไว้ และ (iii) ความแน่นของการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างไนโตรเจนบนบกกับคาร์บอน รอบผลที่ตามมาเหล่านี้ไม่เป็นที่เข้าใจกันดี การกระจายตัวในระดับภูมิภาคของการก่อกวนของมนุษย์ก็มีความสำคัญเช่นกันที่ต้องคำนึงถึงเนื่องจากการปฏิสนธิโดย CO มานุษยวิทยา2แม้ว่าจะมีข้อจำกัดในระดับภูมิภาคโดยความพร้อมของไนโตรเจนก็ตาม—มีอยู่ทุกหนทุกแห่งในขณะที่ N ที่มนุษย์สร้างขึ้นในระดับสูงNS กระทบเพียงส่วนเล็กๆ ของพื้นผิวโลก และการเปลี่ยนแปลงการใช้ประโยชน์ที่ดินส่วนใหญ่ดำเนินการในท้องถิ่น
การหาปริมาณการเปลี่ยนแปลงในงบประมาณคาร์บอนและไนโตรเจนบนบกนั้นมีความเกี่ยวข้องไม่เพียง แต่จะเข้าใจชะตากรรมของ N มานุษยวิทยาNSและผลกระทบที่ลดหลั่นกันของไนโตรเจนนี้ แต่เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มีความสำคัญต่อระบบภูมิอากาศด้วย [4] ความพร้อมใช้งานของ N ตามธรรมชาติอย่างจำกัดจะลดศักยภาพในการจัดเก็บคาร์บอนของชีวมณฑลบนบก มานุษยวิทยา NNS การสะสมโดยทั่วไปจะเพิ่มการกักเก็บ C ภาคพื้นดิน และทำให้อัตรา CO . ของมนุษย์ลดลง2 สะสมในชั้นบรรยากาศ แต่ในขณะเดียวกัน ช่วยเพิ่มการสูญเสียไนโตรเจน เช่น ก๊าซเรือนกระจก N2O ซึ่งอาจชดเชยผลประโยชน์ด้านสภาพอากาศที่เกี่ยวข้องกับวงจร C [5,6] สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากอายุการใช้งานของบรรยากาศยาวนานของ N2O สามารถเปลี่ยนการเปลี่ยนแปลงที่ละเอียดอ่อนแต่ในระยะยาวของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกไปสู่สภาพภูมิอากาศที่สำคัญได้
วัตถุประสงค์ของบทความนี้คือเพื่อให้การประเมินปฏิกิริยาระหว่างวัฏจักรไนโตรเจนและคาร์บอนในปัจจุบันและอนาคต โดยเน้นที่บทบาทของวัฏจักรไนโตรเจนบนบกตามธรรมชาติและที่รบกวนจิตใจในการกำหนดสมดุลของคาร์บอนสุทธิบนบกและไนโตรเจนและการตอบกลับของคาร์บอนบนบก ชุดของแบบจำลองระบบนิเวศระดับโลกใหม่ที่รวมเอาความเข้าใจทางนิเวศวิทยาและชีวธรณีเคมีในปัจจุบันเข้ากับคำอธิบายตามกระบวนการของพลังงานภาคพื้นดินและความสมดุลของน้ำที่ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่ค่อนข้างสูง พร้อมใช้งานแล้วสำหรับงานดังกล่าว [7] อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการวิเคราะห์ที่เป็นระบบและครอบคลุมกับแบบจำลองต่างๆ ที่จะยอมให้มีการสังเคราะห์แบบจำลองอย่างเป็นระบบ ข้าพเจ้าจึงนำเสนองบประมาณไนโตรเจนและคาร์บอนทั้งในอดีต ปัจจุบัน และอนาคตโดยใช้แบบจำลองเดียวเท่านั้นคือแบบจำลอง O–CN [6,8] และอภิปรายความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับการประยุกต์ใช้แบบจำลองนี้ในแง่ของการศึกษาแบบจำลองอื่นๆ และการประมาณการโดยอิสระ .
2. วัสดุและวิธีการ
(ก) แบบจำลอง O–CN
O–CN [6,8] เป็นแบบจำลองชีวมณฑลภาคพื้นดินซึ่งได้รับการพัฒนาจากแบบจำลองพื้นผิวดิน ORCHIDEE [9] และอธิบายฟลักซ์ของไนโตรเจนและคาร์บอนและสต็อกของพืชพรรณและอินทรียวัตถุในดินสำหรับ 10 ประเภทการทำงานของพืชตามธรรมชาติ เช่นเดียวกับพื้นที่เพาะปลูก C3 และ C4 ในช่วงเวลาครึ่งชั่วโมง ฟลักซ์ทางชีวธรณีเคมีนั้นเชื่อมโยงกันอย่างแนบแน่นกับการคำนวณพลังงานภาคพื้นดินและความสมดุลของน้ำ ความพร้อมใช้งานของไนโตรเจนจะควบคุมการสังเคราะห์แสงและการหายใจของพืชโดยตรงผ่านความเข้มข้นของไนโตรเจนในเนื้อเยื่อและผลกระทบต่อการจัดสรรพืช (เช่น อัตราส่วนของราก : ยอด) และส่งผลต่อพื้นที่ใบและการเจริญเติบโตของราก ความพร้อมใช้งานของไนโตรเจนยังส่งผลต่ออัตราที่ไวต่ออุณหภูมิของการสลายตัวของสารอินทรีย์และการทำให้เป็นแร่สุทธิของไนโตรเจน ปริมาณสัมพันธ์ของเนื้อเยื่อพืช ครอก และอินทรียวัตถุในดินจะแปรผันตามการพยากรณ์ภายในขอบเขตที่สังเกตได้ ขึ้นอยู่กับความพร้อมใช้งานสัมพัทธ์ของไนโตรเจนและคาร์บอน ระบบนิเวศแบบจำลองได้รับ NNS ปัจจัยการผลิตจากการตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพและบรรยากาศNNS การสะสมและจำลองการสูญเสียไนโตรเจนไปสู่การชะล้างและการระเหยโดยอาศัยการจำลองกระบวนการของไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชั่น ปุ๋ยถูกนำไปใช้กับเศษส่วนของ cropland ของแต่ละเซลล์กริดรุ่นในวันที่ที่แตกต่างกันในช่วงฤดูปลูก แต่การจัดการกับการจัดการ cropland และการกำจัดสารชีวมวลนั้นง่ายมาก และไม่คำนึงถึงระบบมูลสัตว์ O–CN ไม่ได้จำลองแหล่งอุตสาหกรรมและการขนส่งในชั้นบรรยากาศของ NNS. แบบจำลองนี้ได้รับการประเมินและนำไปใช้เพื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ของไนโตรเจนและการหมุนเวียนของคาร์บอนในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา และพบว่าจำลองฟลักซ์ของคาร์บอนและไนโตรเจนที่โดยทั่วไปจะเทียบเท่ากับความเข้าใจในปัจจุบัน [6,8,10,11]
(b) โปรโตคอลการสร้างแบบจำลอง
ใช้ O–CN ที่ความละเอียดเชิงพื้นที่ 3.75° × 2.5° โมเดลถูกนำเข้าสู่สภาวะคงที่สำหรับสภาวะปี 1860 จากนั้นจึงรันชั่วคราวในการออกแบบแฟคทอเรียลเพื่อระบุการมีส่วนร่วมของแรงขับเคลื่อนแต่ละอย่าง เพื่อแยกผลกระทบของไดนามิกของไนโตรเจน แบบจำลองได้ดำเนินการสองครั้ง โดยครั้งหนึ่งมีการระบุอย่างชัดเจนสำหรับไดนามิกของไนโตรเจน (เรียกว่า O–CN) และอีกครั้งหนึ่งโดยตั้งค่าความเข้มข้นของไนโตรเจนเป็นค่าเฉลี่ยทั่วโลกของค่าที่สังเกตได้ (เรียกว่า O–C ) ในลักษณะที่ว่าผลผลิตพืชและการสลายตัวของอินทรียวัตถุในดินสอดคล้องกับระบบนิเวศที่มีไนโตรเจนเพียงพอโดยเฉลี่ยโดยไม่คำนึงถึงรูปแบบเชิงพื้นที่และเวลาของการมีอยู่ของไนโตรเจน มีการจำลองสองชุด: การดำเนินการ 'ประวัติศาสตร์' ที่ขับเคลื่อนโดยการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตพบหรือสร้างขึ้นใหม่ในการใช้ประโยชน์ที่ดิน สภาพภูมิอากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ2การปฏิสนธิของ cropland และการสะสมของชั้นบรรยากาศ (1860–2010) และการวิ่ง 'อนาคต' (1860–2100) พร้อมชุดการบังคับที่ลดลง (ภูมิอากาศ CO ในบรรยากาศ2 และ นู๋NS ) สำหรับรายงานพิเศษของคณะกรรมการระหว่างรัฐบาลว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (IPCC) เกี่ยวกับสถานการณ์การปล่อยมลพิษ (SRES) A2
(c) ชุดข้อมูล
(i) การวิ่งประวัติศาสตร์
การบังคับสภาพภูมิอากาศ (1901–2010) นำมาจากชุดข้อมูล CRU-NCEP (ข้อ 4 [12]) ในรูปแบบที่เสื่อมโทรมเชิงพื้นที่ (ที่ความละเอียดเชิงพื้นที่ 3.75° × 2.5°) จัดทำโดย C. Huntingford (2012, การสื่อสารส่วนบุคคล) . อนุกรมเวลาแบบกริดของอัตราการปฏิสนธิของ cropland [6] และการเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดินประจำปี [13] ถูกใช้ในช่วงปี 1860–2005 และถือว่าค่าคงที่หลังจากนั้น การตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพในพืชพรรณธรรมชาติถูกกำหนดตามภูมิอากาศวิทยาที่พัฒนาขึ้นหลังจากคลีฟแลนด์ และคณะ [11,14]. เพื่อประเมินความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับการประมาณการการสะสมไนโตรเจน ได้ส่วนเวลาช่วงทศนิยมของแหล่งสะสมไนโตรเจนรายเดือนจากแบบจำลองการขนส่งเคมีในบรรยากาศ (CTMs) สองแบบ), TM5 [15] และ NCAR-CTM [16] และประมาณการเชิงเส้นที่จะมาถึง ค่ารายปี ไม่มีการประมาณการเกินกว่า 2000 สำหรับ TM5 สิ่งเหล่านี้สร้างขึ้นโดยการประมาณการ TM5 สำหรับปี 2000 ถึง 2001–2010 โดยใช้แนวโน้มรายเดือนที่ชาญฉลาดสำหรับเซลล์กริดของ NCAR-CTM
(ii) การวิ่งในอนาคต
Zaehle . คาดการณ์อนาคตไว้อย่างละเอียด และคณะ [10]. การจำลองถูกบังคับด้วยสภาพอากาศ SRES A2 และ CO . ในบรรยากาศ2 เปลี่ยนสถานการณ์จำลองของแบบจำลองสภาพอากาศ IPSL-CM4 [17] และสถานการณ์การสะสมไนโตรเจนซึ่งเพิ่มการสะสมบนบกจาก 10 Tg N yr -1 (1860) เป็น 51 Tg N yr -1 (1993) และ 106 Tg N yr -1 (2050) หลังจากนั้นจะถือว่าคงที่ [3] โดยคร่าว ๆ นี้เป็นไปตามขอบเขตด้านบนของเส้นทางความเข้มข้นตัวแทน (RCP) สถานการณ์การสะสมไนโตรเจน [18]
3. ผลลัพธ์
(a) งบประมาณไนโตรเจนและคาร์บอนบนบกทั่วโลกในปัจจุบัน
งบประมาณไนโตรเจนและคาร์บอนร่วมสมัยที่แสดงในรูปที่ 1 (ดูตารางที่ 1) สำหรับปี 2544-2553 อิงตามสถานะที่ 'ไม่ถูกรบกวน' ของวัฏจักร (1860) และการเปลี่ยนแปลงทางประวัติศาสตร์ของพื้นที่ปกคลุม สภาพภูมิอากาศ บรรยากาศ CO2 ความอุดมสมบูรณ์และมานุษยวิทยา NNS ปัจจัยการผลิตจากการสะสมในบรรยากาศและการใส่ปุ๋ยระหว่างปี พ.ศ. 2403 ถึง พ.ศ. 2553
ตารางที่ 1 งบประมาณคาร์บอนและไนโตรเจนทั่วโลกและระดับทวีปสำหรับปี 2544-2553 ได้มาจากการจำลอง O–CN ที่ขับเคลื่อนด้วยทุ่งสะสมไนโตรเจน NCAR (TM5)BNF, GPP การตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพ, การผลิตขั้นต้นขั้นต้น NBP, การผลิตไบโอมสุทธิ = การผลิตระบบนิเวศสุทธิ − การสูญเสีย C ที่เกิดจากมนุษย์
รูปที่ 1 วัฏจักรคาร์บอนและไนโตรเจนทั่วโลกในปี 2544-2553 ของระบบนิเวศบนบก ค่าในวงเล็บคือการเปลี่ยนแปลงจากสมดุลก่อนอุตสาหกรรม (1860) อันเนื่องมาจากการใช้ประโยชน์ที่ดิน สภาพภูมิอากาศ และบรรยากาศ CO2 การเปลี่ยนแปลง (สีน้ำเงิน) และการเติมไนโตรเจนของมนุษย์ (สีแดง) ฟลักซ์คาร์บอน: Pg C yr -1 ไนโตรเจนฟลักซ์: Tg N yr -1 . ไม่NS, NS2O และ N2 การปล่อยมลพิษมาจากดินเท่านั้น NSNS, NSNS และ NSชม คือ autotrophic, rhizosphere และ heterotrophic respiration ตามลำดับ BNF, GPP การตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพ, การผลิตขั้นต้นขั้นต้น
(i) งบประมาณไนโตรเจน
ในช่วงปี 2544-2553 ทางตรง (NNS การเพิ่มเติม) หรือทางอ้อม (การเปลี่ยนแปลงการใช้ประโยชน์ที่ดิน การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ และการเพิ่มขึ้นของCO .ในชั้นบรรยากาศ2) ปัจจัยด้านมานุษยวิทยามีส่วนรับผิดชอบต่อ 0.5 Pg N ของไนโตรเจนที่เก็บไว้ในพืชผัก (15% ของทั้งหมดทั่วโลก) และสำหรับ 1.6 Pg N (2%) ที่เก็บไว้ในดินและขยะ (ไม่รวมพื้นที่ชุ่มน้ำและดินที่เย็นยะเยือก รูปที่ 2) สาเหตุที่สำคัญที่สุดสำหรับการเปลี่ยนแปลงของพืช N ก่อนปี 1960 คือการกวาดล้างป่าซึ่งได้รับการชดเชยเพียงบางส่วนโดยการกักเก็บที่เพิ่มขึ้นเนื่องจาก CO2 การปฏิสนธิ มานุษยวิทยา NNS มีบทบาทเพิ่มขึ้นหลังจากปี 1960 แต่ยังคงเป็นเพียงสาเหตุเล็กน้อยของ N เพิ่มเติมที่เก็บไว้ในพืชพรรณเมื่อเทียบกับไดรเวอร์อื่นๆ ตรงกันข้าม มนุษย์ NNS เพิ่มสารอินทรีย์ในดินอย่างมาก N—ส่วนหนึ่งโดยการลดดิน C : N—ซึ่งเป็นส่วนที่ใหญ่ที่สุดของการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในดิน N ในขณะที่ผลกระทบของสภาพอากาศและบรรยากาศ CO2 และการเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดินในการจัดเก็บ N ของดินส่วนใหญ่จะยกเลิกไป 
รูปที่ 2 การพัฒนาโดยประมาณของที่เก็บไนโตรเจนบนบกใน (NS) พืชพรรณและ (NS) ขยะมูลฝอยและอินทรียวัตถุในดิน เส้นสีน้ำเงินแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงจากการเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดินเพียงอย่างเดียว พื้นที่แรเงาแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงอันเนื่องมาจากแรงขับเคลื่อนส่วนบุคคล และเส้นสีดำแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดของสระไนโตรเจนตามลำดับ
อัตราการกักเก็บไนโตรเจนบนพื้นดินโดยเฉลี่ยในปี 2544-2553 (27 Tg N ปี -1 รูปที่ 3) เป็นเศษส่วนเพียงเล็กน้อยของการหมุนเวียนไนโตรเจนบนบกทั่วโลกต่อปี (ประมาณ 800 Tg N ต่อปี -1 ) ค่าประมาณนี้ค่อนข้างเล็กกว่าค่าประมาณ 60 Tg N ปี -1 โดย Galloway และคณะ [3] สำหรับปี 1990 อย่างไรก็ตาม Galloway ไม่ได้แยกการกักเก็บจากการส่งออก N เนื่องจากการใช้ประโยชน์ที่ดินและการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่ปกคลุม (15 Tg N yr -1 ) ซึ่งเปรียบเทียบได้ดีกับหมายเลขการส่งออกที่จำลองโดยแบบจำลองชีวมณฑลภาคพื้นดิน ISAM-CN (15.6 Tg N yr −1 (19)) การมีส่วนร่วมของ N . ทั่วโลกNS การตกสะสมของการเก็บกักในปี 2544-2553 ยังไม่มีข้อความคือ 10 Tg N yr -1 (รูปที่ 3) ซึ่งใกล้เคียงกับค่าประมาณ 9 Tg N yr -1 โดย Schlesinger [20] โดยอิงตามสมมติฐานว่า 50% ของ ที่ฝาก N เหนือผืนป่าจะถูกยึด ใน O–CN มีการไล่ระดับเชิงพื้นที่ขนาดใหญ่ที่มีการกักเก็บเกือบ 100 เปอร์เซ็นต์ในระบบทางเหนือที่ขาดสารอาหารและแทบไม่มีการกักเก็บในระบบนิเวศเขตร้อนและเขตอบอุ่นที่มีไนโตรเจนอิ่มตัว การกักเก็บไนโตรเจนคาดว่าจะลดลงทั่วโลกจากประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ในปี 2403 เป็น 30 เปอร์เซ็นต์ในปัจจุบัน อัตราการเก็บรักษาโดยประมาณสูงสุดในช่วงทศวรรษ 1980 โดยอยู่ที่ประมาณ 16 Tg N yr -1 และยังคงอยู่ในระดับสูงจนถึงต้นทศวรรษ 1990 เมื่อการสะสม N เริ่มลดลงในระดับภูมิภาค (เช่น ในยุโรปกลาง) และระบบนิเวศที่มีมลพิษสูงก็ถึงระดับอิ่มตัว O–CN คาดการณ์ว่าจะค่อยๆ เพิ่มการสูญเสีย N บนบกตั้งแต่ทศวรรษ 1950 โดยหยุดนิ่งที่ระดับปี 2000 อันเป็นผลมาจากการประมาณการการสะสมไนโตรเจนทั่วโลกที่ลดลงในปี 2544-2553 ซึ่งจำลองโดย NCAR-CTM นี่เป็นข้อแตกต่างที่สำคัญสำหรับระบบนิเวศของ cropland ซึ่งแสดงอัตราการกักเก็บ N ที่พอประมาณและมีเสถียรภาพตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980 แต่เพิ่มการสูญเสียการชะชะและการระเหยเพิ่มขึ้นอย่างมากด้วยการใช้ปุ๋ยที่เพิ่มขึ้น 
รูปที่ 3 การพัฒนาโดยประมาณของความสมดุลของไนโตรเจนบนบกเนื่องจาก (NS) มานุษยวิทยา NNS การสะสมและ (NS) การใส่ปุ๋ย เส้นสีเทาแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของยอดดุลสุทธิที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของCO .ในบรรยากาศ2 ความอุดมสมบูรณ์และสภาพภูมิอากาศ
(ii) ข้อต่อไนโตรเจน–คาร์บอน
รูปแบบเชิงพื้นที่ของความพร้อมใช้งานของ N แสดงให้เห็นถึงการไล่ระดับละติจูดที่เข้มข้น ซึ่งถูกครอบงำในระดับภูมิภาคโดยลายเซ็นของ N ของมนุษย์NS การรบกวนจากการสะสมและการใส่ปุ๋ย รูปที่ 4 แสดงรูปแบบผลลัพธ์ของข้อจำกัด N ในปัจจุบันของการเจริญเติบโตของพืชและการจัดเก็บคาร์บอน ซึ่งเป็นไปตามรูปแบบของความพร้อมของ N อย่างใกล้ชิด: ข้อจำกัด N ที่สูงตามธรรมชาติในเขตเหนือและเขตอบอุ่นเนื่องจากการตรึง N ตามธรรมชาติต่ำนั้นถูกครอบงำในระดับภูมิภาคโดย N มานุษยวิทยาNS อินพุต รูปแบบภูมิภาคนี้สอดคล้องกับความเข้าใจในปัจจุบัน [2,11] แต่ยากที่จะประเมินในเชิงปริมาณเนื่องจากขาดการสังเกตที่เหมาะสม การตรวจจับระยะไกลแบบไฮเปอร์สเปกตรัมอาจเป็นหนทางหนึ่งไปข้างหน้า เนื่องจากมีการวัดคลอโรฟิลล์โดยตรง อย่างไรก็ตาม ปัจจัยที่ซับซ้อนหลายอย่างในการตีความข้อมูลเหล่านี้ขัดขวางการใช้งานในปัจจุบัน [21] 
รูปที่ 4 การประมาณการโดยเฉลี่ยและผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงของไนโตรเจนต่อ (a,b) ความเข้มข้นของไนโตรเจนทางใบ (ซีดี) การผลิตขั้นต้นสุทธิและ (อี,f) สิ่งมีชีวิตต่อหน่วยพื้นที่สำหรับปี 2544-2553 จำลองโดย O–CN ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลง N จะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ส่วนเบี่ยงเบนระหว่างการประมาณการแบบจำลอง O–CN และ O–C
การเพิ่มไนโตรเจนในชีวมณฑลบนบกได้เพิ่มผลผลิตทั่วโลกโดยประมาณ 2.6 Pg C yr -1 ซึ่งสอดคล้องกับร้อยละ 2 ของการผลิตทั้งหมดประจำปีทั่วโลกและร้อยละ 12 ของการเพิ่มขึ้นตั้งแต่สมัยก่อนอุตสาหกรรม (ตารางที่ 2) ประมาณ 0.2 Pg C ต่อปี -1 ของการผลิตที่เพิ่มขึ้นนี้ถูกกักไว้ในชีวมณฑลบนบก ซึ่งสอดคล้องกับ 10–20 เปอร์เซ็นต์ของการดูดซึมคาร์บอนสุทธิบนบกทั่วโลก (ตารางที่ 2) การศึกษาก่อนหน้านี้โดยใช้แบบจำลองทางชีวธรณีเคมีอย่างง่ายและการเพิ่มสเกลของการประมาณการการกักเก็บคาร์บอนตามภาคสนามได้ประมาณการการกักเก็บ C ตามการประมาณการการสะสม N ที่ 0.4–0.7 Pg C ต่อปี -1 ในปี 1990 [5,22] ค่าประมาณของแบบจำลอง O–CN แบบอิงกระบวนการที่ใช้ที่นี่ค่อนข้างต่ำกว่า แต่อยู่ในช่วงของการจำลองแบบจำลองด้วยแบบจำลองวัฏจักรคาร์บอน-ไนโตรเจนรุ่นปัจจุบัน (0.2–0.6 Tg N ปี −1 [7]) ในช่วงปี พ.ศ. 2403-2553 1.3 Pg N ของไนโตรเจนจากมนุษย์ที่เพิ่มเข้ามาทำให้สต็อก C ภาคพื้นดินเพิ่มขึ้น 11.3 Pg C (ตารางที่ 2) ปริมาณสัมพันธ์ที่แน่นหนาของวัสดุใหม่นี้เป็นผลมาจากการกักเก็บ N ในดินที่มีอัตราส่วน C : N ต่ำ รวมทั้งการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของ N ของเนื้อเยื่อและดิน มนุษย์ NNS การเติมจึงทำให้ชีวมณฑลมีไนโตรเจนเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับคาร์บอน นี่คือความแตกต่างที่โดดเด่นของผลที่ตามมา CO2 การปฏิสนธิซึ่งนำไปสู่การกักเก็บ 135 Pg C แต่เพียง 1.2 Pg N ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในพืชผัก
ตารางที่ 2 การแสดงที่มาของการเปลี่ยนแปลงในงบประมาณไนโตรเจนทั่วโลกตั้งแต่ปี พ.ศ. 2403 ถึง พ.ศ. 2553 เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่ครอบคลุมและการใช้ที่ดิน ('LUCC') คาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศที่เพิ่มขึ้น2 ความอุดมสมบูรณ์ ('CO2’), ความแปรปรวนและการเปลี่ยนแปลงของภูมิอากาศ ('ภูมิอากาศ'), การเติมไนโตรเจนปฏิกิริยาของมนุษย์ ('การสะสม') และการใช้ปุ๋ยทางอุตสาหกรรม ('ปุ๋ย') โปรดทราบว่าการวิเคราะห์นี้ไม่ได้คำนึงถึงการเพิ่มปุ๋ย การปล่อยมลพิษจากการใช้ที่ดินในปี 2543-2553 เป็นการประเมินที่ต่ำเกินไป เนื่องจากชุดข้อมูลสำหรับการเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดินจะหยุดในปี 2548 [13] ค่าถูกรายงานจากการจำลองที่ขับเคลื่อนด้วยฟิลด์การสะสมไนโตรเจน NCAR (TM5) GPP, การผลิตขั้นต้นขั้นต้น NBP, การผลิตไบโอมสุทธิ = การผลิตระบบนิเวศสุทธิ – การสูญเสีย C ของมนุษย์
การกักเก็บคาร์บอนเพิ่มเติมเนื่องจาก N . ของมนุษย์NS การเพิ่มเติมมีผลเย็นที่รับรู้ได้แต่เล็กน้อยสำหรับระบบสภาพอากาศ เนื่องจากช่วยลดอัตรา CO . ในชั้นบรรยากาศ2 สะสมจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ปฏิกิริยาระหว่างวัฏจักรไนโตรเจนกับคาร์บอนมีผลที่ตามมาเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับสภาพอากาศ เนื่องจากการดูดซึมธาตุพืชที่เพิ่มขึ้นเนื่องจาก CO2 การปฏิสนธิช่วยลดการสูญเสียไนโตรเจนทั่วโลก รวมทั้ง N . ภาคพื้นดิน2O การปล่อยมลพิษจากดิน (ตารางที่ 2) สิ่งนี้จะต่อต้านการเพิ่มขึ้นที่จำลองอย่างแข็งแกร่งของ N . ภาคพื้นดิน2การปล่อย O อันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเมื่อเร็วๆ นี้ (0.8 Tg N ปี -1 ซึ่งสอดคล้องกับการเพิ่มขึ้น 13% เมื่อเทียบกับสภาวะก่อนอุตสาหกรรม) อุณหภูมิที่อุ่นขึ้นจะช่วยเพิ่มการหมุนเวียนของไนโตรเจนและอาจรวมถึง N2O การผลิตโดยที่ N ไม่จำกัด [23] อย่างไรก็ตาม มีหลักฐานเชิงประจักษ์ผสมจากการทดลองภาวะโลกร้อนซึ่งแสดงการตอบสนองที่แตกต่างกันของดิน N2การปล่อย O ซึ่งเป็นผลมาจากผลกระทบที่เกิดขึ้นพร้อมกันของการเปลี่ยนแปลงในระบอบความชื้น ความต้องการ N ของพืชและจุลินทรีย์ และความหลากหลายทางชีวภาพ [24–27] ตามข้อตกลงกับการศึกษาก่อนหน้านี้ [5,6] สาเหตุหลักของการเพิ่มขึ้นของ N . ภาคพื้นดินโดยประมาณ2การปล่อย O เป็นมนุษย์ NNS ปัจจัยการผลิต (ตารางที่ 2) ซึ่งลดหรือชดเชยผลประโยชน์ทางภูมิอากาศจากการกักเก็บคาร์บอนมากเกินไปเพื่อตอบสนองต่อมนุษย์ NNS อินพุต นอกจากนี้ยังมีการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยในNONS การปล่อยมลพิษจากดินธรรมชาติและดินที่ปฏิสนธิ (ตารางที่ 2) โดยที่ยังไม่ทราบผลกระทบต่อระบบภูมิอากาศ อย่างไรก็ตาม ดินมนุษย์นี้NONS แหล่งที่มายังเล็กเมื่อเทียบกับ NO . ของมนุษย์NS จากแหล่งการเผาไหม้ซึ่งทั่วโลกมีผลกระทบเชิงลบอย่างมากต่อการบังคับสภาพภูมิอากาศ [28] แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ล้วนมีความสำคัญต่อระบบภูมิอากาศ แต่ผลกระทบสุทธิของ N . ของมนุษย์NS ในระบบภูมิอากาศยังไม่เป็นที่ทราบ [29]
(b) การคาดการณ์ในอนาคตของไดนามิกของวัฏจักรไนโตรเจนและคาร์บอนคู่
รูปที่ 5 แสดงการพัฒนาข้อจำกัดของไนโตรเจนในการผลิตพืชบนบกและการกักเก็บคาร์บอนระหว่างปี 1950 ถึง 2100 โดยอิงจากการคาดการณ์ด้วยสถานการณ์จำลอง SRES A″ CO . ในชั้นบรรยากาศที่เพิ่มขึ้น2 ช่วยเพิ่มผลผลิตพืชและด้วยเหตุนี้ N Demand ซึ่งเพิ่มการจำกัดไนโตรเจน เนื่องจากความต้องการที่สูงขึ้นไม่สามารถทำได้อย่างสมบูรณ์โดยการสูญเสียไนโตรเจนที่ลดลง การเพิ่มการสะสม N หรือการตรึง N ทางชีวภาพ ข้อ จำกัด เพิ่มเติมนี้เด่นชัดที่สุดในเขตเหนือโดยที่ข้อ จำกัด ของ N ลดทอนCO .โดยตรง2 ผลกระทบของการปฏิสนธิต่อการผลิตพืชมากกว่าร้อยละ 50 และต่อการกักเก็บคาร์บอนเกือบร้อยละ 80 (ในปี พ.ศ. 2100) เมื่อเทียบกับการคาดการณ์ที่ไม่สนใจข้อจำกัดของ N อย่างชัดเจน (รูปที่ 5อี,f). การคาดคะเนเหล่านี้มีความสอดคล้องในวงกว้างกับความสำคัญของข้อจำกัดไนโตรเจนในCO .ในอากาศอิสระ2 การทดลองเสริมสมรรถนะ [30,31] และการจำลองการกระจายทางภูมิศาสตร์ของข้อจำกัดไนโตรเจน (รูปที่ 4) 
รูปที่ 5. การลดลงโดยประมาณใน (a,c,e) การผลิตขั้นต้นสุทธิบนบกและ (b,d,f) การกักเก็บคาร์บอนบนบกเนื่องจากการบัญชีอย่างชัดเจนสำหรับการเปลี่ยนแปลงของ N ภายใต้สถานการณ์จำลอง SRES A2 ซึ่งแสดงเป็นความแตกต่างระหว่างการจำลอง O–CN และ O–C (a,b) ยอดรวมทั่วโลก (ซีดี) พอสมควรและ (อี,f) แถบละติจูดเหนือ เปอร์เซ็นต์ตัวเลขใน (b,d,f) อ้างถึงความแตกต่างสัมพัทธ์ระหว่างการจำลองแบบจำลองที่มีและไม่มีไดนามิก N เส้นสีน้ำเงิน CO2 เส้นสีแดง เส้นสีเหลืองภูมิอากาศ เส้นสีดำสะสม N ปัจจัยทั้งหมด
สอดคล้องกับหลักฐานเชิงสังเกตจากการศึกษาภาวะโลกร้อนของดินในป่าเขตอบอุ่น [32] ภาวะโลกร้อนเพิ่มการกักเก็บคาร์บอนเนื่องจากการเพิ่มแร่ธาตุของไนโตรเจนจากดิน ซึ่งทำให้ปุ๋ยแก่พืชพรรณและเพิ่มการสะสมของสิ่งมีชีวิตต่อหน่วยพื้นที่ ผลกระทบจากสภาพอากาศนี้จำลองขึ้นเพื่อเพิ่มผลผลิตในช่วงส่วนใหญ่ของศตวรรษที่ 21 ในเขตเหนือและเขตอบอุ่น แต่ผลกระทบทั่วโลกค่อนข้างน้อยเนื่องจากมีแนวโน้มตรงกันข้ามในเขตร้อนที่เกี่ยวข้องกับต้นทุนการหายใจที่เพิ่มขึ้น กระบวนการเดียวกันนี้ดำเนินการในการศึกษาแบบจำลองระดับโลกอีกสองการศึกษา [33,34] อย่างไรก็ตาม การศึกษาทั้งสองนี้ชี้ให้เห็นถึงผลกระทบเชิงบวกที่แข็งแกร่งขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ เช่น ในการศึกษาเหล่านี้ ความสมดุลของคาร์บอนทั้งหมดในปี 2100 มีการเปลี่ยนแปลงจากสมดุลของคาร์บอนเชิงลบเป็นสมดุลของคาร์บอนที่เป็นบวก เนื่องจากการพิจารณาปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัฏจักรไนโตรเจนและคาร์บอน
การสะสมไนโตรเจนในที่นี้คาดว่าจะมีบทบาทเพียงเล็กน้อยในการดูดซับคาร์บอนในอนาคต (รูปที่ 5) ตามที่รายงานโดยการจำลองด้วยแบบจำลองชีวมณฑลภาคพื้นดิน CLM4 [33] การกักเก็บ C ที่เกิดจากมนุษย์ NNS การสะสม (27 Pg C, sequestering 3.9 Pg N) น้อยกว่าการกักเก็บที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่เหนี่ยวนำให้เกิด remineralization ของดิน N และการเจริญเติบโตของพืชที่เพิ่มขึ้น (44 Pg C, recapturing 1.2 Pg N) การวิเคราะห์อย่างละเอียดเกี่ยวกับผลกระทบของ N . ในอนาคตNS ยังขาดการสะสม อย่างไรก็ตาม จากผลลัพธ์เหล่านี้ NNS การสะสมจะต้องเป็นส่วนหนึ่งของการคาดการณ์วัฏจักรคาร์บอนทั่วโลกในอนาคต
N ข้อจำกัดของCO2 การปฏิสนธิมีอิทธิพลเหนือแนวโน้มระยะยาวโดยประมาณของการกักเก็บคาร์บอนบนบกที่แถบละติจูดทั้งหมด (รูปที่ 5) ซึ่งสอดคล้องกับการศึกษาแบบจำลองอิสระอีกสองชิ้น [33,34] การครอบงำของ CO . ที่ลดลง2 การปฏิสนธิเนื่องจากข้อ จำกัด ของ N มีผลกระทบที่สำคัญสำหรับการคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในอนาคตด้วยการหมุนเวียนทางชีวธรณีเคมีเชิงโต้ตอบ: ละเลยการรักษาที่ชัดเจนของการเปลี่ยนแปลงของ N ในการศึกษาแบบจำลองสภาพภูมิอากาศด้วยวัฏจักรคาร์บอนคู่ เช่น โครงการเปรียบเทียบแบบจำลองสภาพภูมิอากาศแบบคู่ - คาร์บอน (C4MIP) [35] ] จะนำไปสู่การประเมินการสะสมของ CO . ฟอสซิลต่ำเกินไป2 ในบรรยากาศ [7]. สำหรับแบบจำลอง O–CN และสถานการณ์จำลอง SRES A2 การเปลี่ยนแปลงของไนโตรเจนจะลดการกักเก็บคาร์บอนทั่วโลกระหว่างปี 1860 ถึง 2100 ลง 164 Pg C (358 Pg C สำหรับ CO2 ผลการปฏิสนธิเท่านั้น) เนื่องจากขาดไนโตรเจนในระดับภูมิภาค 5.7 (12.0) Pg N ขึ้นอยู่กับว่ามีการบังคับการแผ่รังสีในแบบจำลองระบบโลก (บังคับแบบ RCP) หรือคำนวณจากก๊าซเรือนกระจกและภาระละอองของบรรยากาศ การละเลยปฏิกิริยาระหว่างวัฏจักรไนโตรเจนและคาร์บอนจะนำไปสู่การประเมินความจำเป็นในการลดการปล่อยมลพิษของความพยายามในการกักเก็บคาร์บอนต่ำเกินไปเพื่อให้เป็นไปตามเส้นทางบังคับการแผ่รังสีบางอย่าง หรืออัตราการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศตามลำดับ การเพิ่มแร่ธาตุของไนโตรเจนเนื่องจากการหมุนเวียนอินทรียวัตถุในดินที่เร่งขึ้น และการสะสมของการสะสมไนโตรเจนปฏิกิริยาไม่รุนแรงพอที่จะต่อต้านปรากฏการณ์นี้ แม้ว่าจะนำไปสู่การกักเก็บคาร์บอนที่เพิ่มขึ้น
การเปลี่ยนแปลงในอนาคตของไนโตรเจนบนบกและความสมดุลของคาร์บอนยังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใน NONS และ นู๋2O การปล่อยมลพิษจากดิน O–CN แนะนำการเปลี่ยนแปลงของ +3.1 (−0.8) Tg N yr -1 จากยุคก่อนอุตสาหกรรมเป็น 2100 ดิน N2O การปล่อยมลพิษเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (CO2 การปฏิสนธิ) โดยมีการเปลี่ยนแปลงที่คล้ายคลึงกันสำหรับดินบนบกNONS แหล่งที่มา. ผลลัพธ์นี้แสดงถึง N . ภาคพื้นดินที่เป็นบวก2การตอบสนองของ O-climate 0.54 Tg N yr -1 K -1 ซึ่งจะลดลงโดยความเข้มข้นของคาร์บอนเชิงลบที่เล็กกว่า–N2O ข้อเสนอแนะ อย่างไรก็ตาม ควรมีความมั่นใจอย่างจำกัดในการประมาณนี้จากแบบจำลองเดียวและหนึ่งสถานการณ์ ข้อเสนอแนะของขนาดนี้จะมีความสำคัญเพียงพอที่จะต้องพิจารณาเพิ่มเติมในแบบจำลองทางชีวเคมี - ภูมิอากาศแบบคู่แม้ว่าข้อเสนอแนะเกี่ยวกับชีวทรงกลมอาจเช่นเดียวกับ CO ของมนุษย์2มีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับการปล่อยก๊าซธรรมชาติในอนาคตของ N2O จากระบบนิเวศที่มีการจัดการ [36].
4. การอภิปราย
การศึกษานี้ให้ความก้าวหน้าเหนือการประเมินก่อนหน้า [3,20] เนื่องจากอาศัยแบบจำลองระบบนิเวศตามกระบวนการที่รวมปฏิสัมพันธ์ที่สำคัญของวัฏจักรคาร์บอน - ไนโตรเจนและการเชื่อมต่อกับกระบวนการทางธรณีฟิสิกส์ในขณะที่พิจารณาผลกระทบของบรรยากาศ (ภูมิอากาศ, CO2) และการเปลี่ยนแปลงที่ดิน ตารางที่ 1 และ 2 ให้การประเมินความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับการประมาณการในการสะสมไนโตรเจน และแสดงให้เห็นว่าแนวโน้มที่จำลองขึ้นและรูปแบบเชิงพื้นที่นั้นแข็งแกร่งพอสมควรเมื่อเทียบกับความไม่แน่นอนเหล่านี้ ประเภทระบบนิเวศที่มีความสำคัญระดับภูมิภาค (เช่น ระบบนิเวศพื้นที่ชุ่มน้ำและพื้นที่พรุ [37]) ลักษณะการจัดการที่ดิน (เช่น การทำการเกษตรอย่างมีประสิทธิภาพด้วยไนโตรเจน การเกษตรโดยใช้มูลสัตว์ [38]) และผลกระทบของไนโตรเจนออกไซด์NSมลภาวะทางอากาศที่เกี่ยวข้อง (เช่น tropospheric ozone [39]) ถูกละเลย เนื่องจากไม่สามารถจำลองโดย O-CN เวอร์ชันปัจจุบันได้ แต่อาจมีนัยสำคัญทั่วโลก
ความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของการวิเคราะห์ทำให้เกิดความไม่แน่นอนใหม่ๆ แม้ว่าแนวโน้มที่จำลองขึ้นจะถือว่าแข็งแกร่ง แต่แบบจำลองวัฏจักรคาร์บอน-ไนโตรเจนอื่นๆ อาจให้ค่าประมาณที่แตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด ความไม่แน่นอนที่สำคัญในแบบจำลองประกอบด้วย: (i) การตอบสนองของการสังเคราะห์แสงในระดับกระโจมต่อการเพิ่มไนโตรเจน (ii) การเปลี่ยนแปลงในรูปแบบการจัดสรร (ราก : อัตราส่วนยอด) (iii) การแข่งขันของพืชและจุลินทรีย์ในดินเพื่อเพิ่ม (หรือลดลง) ) ปริมาณไนโตรเจนและดังนั้นการเปลี่ยนแปลงชั่วขณะของชะตากรรมของ N ที่เพิ่มเข้ามา (iv) การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสัมพันธ์ของระบบนิเวศเมื่อเวลาผ่านไป (v) การตอบสนองและการควบคุมการตรึง N ทางชีวภาพ และ (iv) เศษส่วนของ N ที่ส่งออกจาก ระบบนิเวศ การประเมินกับการทดลองดัดแปลงระบบนิเวศ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการประเมินแบบจำลอง O–CN [8,10] ช่วยให้เข้าใจว่าแบบจำลองมีความอ่อนไหวต่อการก่อกวนเพียงพอหรือไม่ อย่างไรก็ตาม การตีความการทดลองเหล่านี้มีความซับซ้อน และการเป็นตัวแทนในระดับภูมิภาคไม่ชัดเจน เช่นนั้น ในขณะที่ความไวของ O–CN ดูเหมือนสมเหตุสมผล แต่ความไม่แน่นอนจำนวนมากยังคงอยู่ในการตอบสนองที่เป็นแบบจำลอง ซึ่งต้องมีการประเมินเพิ่มเติม
ปัจจัยอีกประการหนึ่งที่ละเว้นในการประเมินนี้คือข้อจำกัดร่วมของวัฏจักรไนโตรเจนบนบกและคาร์บอนโดยฟอสฟอรัส พืชได้พัฒนากลยุทธ์ในการเข้าถึงดิน P โดยใช้สารหลั่งฟอสฟาเตส ซึ่งข้อจำกัดของ P ส่วนใหญ่เกิดขึ้นบนดินเก่า ผุกร่อน และขาด P [40] ผลลัพธ์ที่นำเสนอนี้สอดคล้องกับสมมติฐาน [41,42] ที่ว่าระบบนิเวศในเขตอบอุ่นและทางเหนือถูกจำกัดโดย N ในขณะที่เขตร้อนชื้นไม่ได้จำกัด เนื่องจากว่าการก่อกวนโดยมนุษย์ส่วนใหญ่ของวัฏจักรไนโตรเจนจนถึงขณะนี้เกิดขึ้นในพื้นที่จำกัด N อย่างเด่น จึงไม่น่าเป็นไปได้ที่การวิเคราะห์ชะตากรรมของ N ของมนุษย์และผลที่ตามมาของวัฏจักรคาร์บอนจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากเมื่อพิจารณาถึงวัฏจักรฟอสฟอรัส . อย่างไรก็ตาม การคาดการณ์ในอนาคตของวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลกจะแตกต่างกันในภูมิภาคที่มีข้อจำกัด P
5. ข้อสังเกตสรุป
ค่าประมาณที่นำเสนอในการศึกษานี้เป็นผลจากแบบจำลองชีวมณฑลภาคพื้นดินที่ล้ำสมัยซึ่งผสมผสานความเข้าใจในกระบวนการทางชีวฟิสิกส์ ชีวเคมี และระบบนิเวศน์มีความไม่แน่นอนอย่างมากในแบบจำลองใดๆ และการประเมินอย่างเป็นระบบของปฏิกิริยาระหว่างวัฏจักรไนโตรเจนและคาร์บอนโดยกลุ่มของแบบจำลองดังกล่าว ดูเหมือนจะเป็นขั้นตอนต่อไปที่สมเหตุสมผล อย่างไรก็ตาม ข้อสรุปบางอย่างดูแข็งแกร่ง:
