Intensifying phosphorus limitation accelerates the global decline of the CO₂ fertilization effect
本研究表明，磷限制的加剧而非水分胁迫，是全球二氧化碳施肥效应下降的主要驱动因素，这挑战了当前的地球系统模型，因为这些模型往往忽视了动态的磷循环，从而高估了未来的碳汇潜力。
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几十年来，地球的陆地一直扮演着抵御气候变化的巨大盾牌角色，吸收了人类向大气中释放的大约三分之一的二氧化碳。这种能力依赖于科学家称之为“二氧化碳施肥效应”的一种现象。可以将其想象为一种自然的助力：随着大气中二氧化碳含量的增加，植物通常会生长得更快、更大，因为它们拥有了构建叶片和木材所需的更多原材料。这种额外的生长帮助减缓了全球变暖的速度。然而，近期的观测表明，这种有益的助力正在消退。让研究人员彻夜难眠的问题在于，原因究竟是什么。多年来，领先的理论认为是植物缺水，或者是空气变得过于干燥导致它们无法茁壮成长。但一项新的研究表明，情况比这更为复杂，它指向了一个不同且经常被忽视的短缺问题，这一问题正悄悄地削弱着地球吸收碳的能力。
由中山大学的彭景领导的一个研究小组致力于调查这种消退的助力。他们结合了植物生长的长期卫星图像与复杂的计算机模拟技术，这些模拟技术可以追踪碳、氮和磷如何在土壤和植物之间移动。他们的目标是观察植物生长的下降是由干旱条件驱动的，还是由营养物质（特别是磷）的缺乏驱动的。磷是一种植物用来储存能量和构建 DNA 的重要矿物质，但与可以从空气中获取的氮不同，磷必须从土壤中的岩石中“开采”。研究人员发现，虽然水分压力确实发挥了作用，但这并不是故事的全貌。事实上，在世界许多地方，植物并非受困于降雨不足。相反，它们正撞上一堵墙，因为它们无法获得足够的磷来跟上利用额外碳元素的步伐。
该研究重点关注了 1982 年至 2015 年间，这一时期大气中的二氧化碳水平稳步上升。团队测量了每增加单位二氧化碳所带来的额外植物生长量，而这一速率在全球范围内正在下降。他们发现，这种下降在磷限制变得更加剧烈的特定区域发生得最快。这些区域包括热带部分地区和北高纬度地区，其二氧化碳施肥效应每增加 100 ppm（百万分之一），下降率约为 2.28%。这略快于全球平均水平，也明显快于其他地区。至关重要的是，研究人员检查了这些特定区域的气象数据，发现它们并未经历比世界其他地区更严重的干旱或高温。在某些情况下，气候实际上更加温和。这种不匹配意味着，植物生长的快速下降不能归咎于天气。
为了理解植物内部发生了什么，研究人员观察了其叶片的化学平衡。他们发现，在植物生长助力消退最快的地区，叶片中氮与磷的比率发生了变化，预示着严重的短缺。随着植物试图因额外的二氧化碳而生长得更快，它们对磷的需求也随之增加，但土壤无法供应得足够快。这造成了一个瓶颈。计算机模拟显示，这种营养短缺对植物生长的制约作用，已变得与空气干燥程度一样强大。在这些受磷限制的区域，营养缺乏有效地抵消了额外二氧化碳带来的益处。植物试图生长，但却耗尽了构建身体所需的必需成分。
这一发现的影响因森林类型而异。研究表明，混交林（常见于北高纬度地区）最为脆弱。在这些地区，植物利用额外二氧化碳进行生长的能力每增加 100 ppm 碳，就会下降近 5%。相比之下，已经适应了磷贫瘠土壤的热带常绿阔叶林表现出的下降幅度则小得多。这些热带树木已经开发出了高效回收磷的聪明策略，使它们能够更持久地保持生长优势。然而，北半球森林的快速衰退是一个重大担忧，因为这些生态系统目前是全球碳汇的主要驱动力。如果它们的吸收碳的能力下降速度超出预期，那么地球天然的防御机制将不如此前认为的那样稳固。
研究人员还追踪了整个生态系统的营养流动，从活树到枯叶，再到下方的土壤。他们发现，碳与磷的比率在所有这些库中都在增加，这意味着碳在系统中的积累速度远快于磷的补充速度。这种失衡暗示了一个自我强化的循环：随着植物生长，它们锁住了更多的碳，但维持这种生长所需的磷却依然稀缺。掉落到地面的枯叶含碳量更高，但含磷量更低，这减缓了分解过程，并进一步限制了营养物质返回土壤的过程。这创造了一个反馈回路：生长得越快，最终会导致对维持持续生长所需的营养物质的需求更加匮乏。
这项研究挑战了长期以来的假设，即水是限制陆地吸收碳量的主要因素。虽然干燥程度确实很重要，但研究表明，在许多地方，真正的瓶颈是磷的可获得性。作者指出，目前用于预测未来气候变化的计算机模型往往忽略了这种动态的营养循环。由于未能考虑到磷限制随时间加剧的过程，这些模型可能会高估未来几十年地球森林储存碳的能力。如果陆地无法像我们希望的那样吸收碳，大气中的二氧化碳浓度将会上升得更快，从而导致更迅速的变暖。这些发现提醒我们，地球系统是深度互联的，解决气候难题不仅需要关注空气和水，还需要关注我们脚下土壤中那些看不见的化学反应。
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