HAL هو أرشيف مفتوح متعدد التخصصات لإيداع ونشر الوثائق البحثية العلمية، سواء كانت منشورة أم لا. قد تأتي الوثائق من مؤسسات التعليم والبحث في فرنسا أو في الخارج، أو من مراكز البحث العامة أو الخاصة.
الأرشيف المفتوح متعدد التخصصات HAL مخصص لإيداع وتوزيع الوثائق العلمية على مستوى البحث، سواء كانت منشورة أم لا، والتي تصدر عن مؤسسات التعليم والبحث الفرنسية أو الأجنبية، أو المختبرات العامة أو الخاصة.
التأثيرات المناخية العالمية الصافية للنيتروجين التفاعلي الناتج عن الأنشطة البشرية
لقد زادت الأنشطة البشرية بشكل كبير من تحميلات النيتروجين التفاعلي (Nr) في نظام الأرض منذ العصور ما قبل الصناعية.م contributing to widespread eutrophication and air pollutionيمكن أن يؤثر زيادة النيتروجين غير العضوي أيضًا على المناخ العالمي من خلال مجموعة متنوعة من التأثيرات على العمليات الجوية والأرضية، لكن التأثير الصافي التراكمي على المناخ لم يتم حله بعد. هنا نوضح أن النيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية يسبب تأثيرًا إشعاعيًا سلبيًا صافيًا مباشرًا لـفي عام 2019 مقارنةً بعام 1850. هذا التأثير التبريدي الصافي هو نتيجة لزيادة تحميل الهباء الجوي، وتقليل عمر الميثان، وزيادة احتجاز الكربون الأرضي المرتبط بزيادة النيتروجين البشري، والتي لا تعوضها آثار الاحترار الناتجة عن زيادة أكسيد النيتروز والأوزون في الغلاف الجوي. تظهر التنبؤات المستقبلية باستخدام ثلاثة سيناريوهات تمثيلية أن هذا التأثير التبريدي قد يضعف بشكل أساسي نتيجة لتقليل تحميل الهباء الجوي وزيادة عمر الميثان، بينما بشكل خاصمن المحتمل أن يستمر الاحترار الناتج عن الأنشطة البشرية في الزيادة تحت جميع السيناريوهات. تشير نتائجنا إلى أن التخفيضات المستقبلية في النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية لتحقيق أهداف حماية البيئة تحتاج إلى أن تترافق مع جهود معززة لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن الأنشطة البشرية لتحقيق التخفيف من تغير المناخ بما يتماشى مع اتفاق باريس.
النيتروجين التفاعلي (Nr) في نظام الأرض، يُعرف بأنه الأشكال العضوية وغير العضوية من مركبات النيتروجين (N)، باستثناء غاز ثنائي النيتروجين. )، قد زاد بسرعة منذ الثورة الصناعية يمكن أن يُعزى هذا الارتفاع بشكل رئيسي إلى الانبعاثات المرتبطة باحتراق الوقود الأحفوري الناتج عن الأنشطة البشرية وتطبيق الأسمدة.تركيزات مرتفعة من Nr تسبب آثار بيئية ضارةبما في ذلك تلوث الهواءالتغذية الزائدة للمياه السطحية والمياه القريبة من الساحلوفقدان التنوع البيولوجيولكن يمكن أن تؤثر أيضًا بشكل كبير على المناخ. على وجه التحديد، غاز الدفيئة طويل الأمد أكسيد النيتروز (يساهم في احترار الغلاف الجويبينما الأمونيوم قصير العمر) ونيترات ( الهباء الجوي الناتج عن الأمونيا ) وأكسيد النيتروجين ( يمكن أن تشتت الغازات الإشعاع الشمسي وبالتالي تبريد الغلاف الجوي. علاوة على ذلك، تلعب دورًا محوريًا في تفاعلات كيميائية جوية متنوعة، حيث تنظم أعمار الغازات وبالتالي النسب المولية لغازات أخرى، مثل غازات الدفيئة الميثان.وأوزون. علاوة على ذلك، يمكن أن يخفف تطبيق الأسمدة وترسيب النيتروجين الجوي على اليابسة والمحيطات من نقص النيتروجين في النظم البيئية الأرضية أو البحرية و تسهيل احتجاز الكربون، مما يقلل من الغلاف الجويتركيزاتوتمارس تأثيرًا تبريديًا على الغلاف الجوي (الشكل 1).
حتى الآن، لا يزال تأثير النيتروجين الصافي على المناخ العالمي غير واضح بسبب التباين الكبير في العمليات المرتبطة بالنيتروجين عبر المناطق الجغرافية.واعتماد استجابة المناخ على المقياس الزمني للنيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية (المرجع 17). وقد قدرت دراسة سابقة التأثير الإشعاعي الصافي العالمي للنيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية بـاستنادًا فقط إلى مراجعة الأدبيات. بعض الدراسات، التي تركز على النقاط الساخنة للنيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية، مثل الولايات المتحدةأوروبا والصين لقد قاموا أيضًا بتقييم مكونات تأثيرات المناخ الإقليمي الناتجة عن النيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية استنادًا إلى مراجعة أدبية لحساسيات العمليات الفردية تجاه مدخلات النيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية. ومع ذلك، كانت هذه التقييمات مقيدة بتركيزها على مستويات النيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية في الوقت الحاضر، مما أهمل التأثيرات التراكمية للغازات الدفيئة طويلة الأمد منذ العصر الصناعي السابق. كما كانت محدودة بمدى اعتبارها التباين المكاني واللاخطية بين الدورات البيوجيوكيميائية المرتبطة والعمر الجوي لمختلف
الشكل 1|مسارات تأثيرات النيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية على المناخ العالمي. تمثل الخطوط والأسهم الصلبة العمليات المشمولة في هذه الدراسة باستخدام مزيج من نمذجة الغلاف الحيوي الأرضي وكيمياء الغلاف الجوي. تمثل تقديرات القوة الإشعاعية المباشرة التأثيرات المناخية للنيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية. يتم تقدير نطاق عدم اليقين لكل مسار بناءً على
العوامل، مما يؤدي إلى عدم اليقين الكبير الذي يعيق محاولات استقراء التقديرات الإقليمية إلى نطاق عالمي. يتطلب سد هذه الفجوات المعرفية دمج الكيمياء الحيوية الأرضية وكيمياء الغلاف الجوي لأخذ التحولات المعقدة لمركبات النيتروجين (Nr) في الاعتبار والتجارة الناتجة عن تأثيرات المناخ.أظهرت الدراسات السابقة فعالية كل من نماذج الغلاف الحيوي الأرضي المعتمدة على العمليات ونماذج النقل الكيميائي العالمية بشكل منفصل في تقييم آثار المناخ لمركبات أو عمليات Nr البشرية المحددة.. ومع ذلك، فإن معظم الدراسات المرتبطة بتدفقات النيتروجين الأرضية اعتمدت فقط على نموذج واحد، في حين أن دمج عدم اليقين في النماذج أمر ضروري لتقييم قوي.. هنا نقدم إطار نموذج شامل لتقدير القوة الإشعاعية الصافية العالمية المباشرة للنيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية، بالإضافة إلى التغيرات المحتملة في القوى الإشعاعية استجابةً للتغيرات المستقبلية في مدخلات النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية. أولاً، قمنا بدمج سجلات انبعاثات الأنشطة البشرية من نظام بيانات انبعاثات المجتمع (CEDS) وثمانية مخرجات لنماذج الغلاف الحيوي الأرضي من النيتروجين العالمي.مشروع المقارنة بين النماذج المرحلة 2 (NMIP2)لتحديد آثار النيتروجين الناتجة عن الأنشطة البشرية على احتجاز الكربون في اليابسة والتربةالتبخر والتربة و الانبعاثات. ثانياً، قمنا بإجراء سلسلة من التجارب النموذجية باستخدام نماذج صندوقية للغازات الدفيئة ونموذج النقل الكيميائي العالمي (GEOS-Chem) المرتبط بوحدة نقل الإشعاع (RRTMG) لتقدير القوة الإشعاعية الصافية المباشرة العالمية للنيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية المرتبطة بكل من هذه مصادر الانبعاثات. أخيراً، قدرنا كيف يمكن أن تستجيب القوة الإشعاعية الصافية المباشرة لسيناريوهات مستقبلية من مدخلات النيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية.
آثار النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية على الانبعاثات
قمنا بدمج نتائج مجموعة NMIP2 مع مخزون CEDS (الطرق) لتمثيل تأثيرات النيتروجين البشري على تدفقات الكربون الأرضية بشكل شامل. و الانبعاثات (الشكل 2). هنا،
1 انحراف معياري عبر أعضاء مجموعة NMIP2 بالإضافة إلى عدم اليقين في الكيمياء الجوية (قسم المعلومات التكميلية 1.2). تشير الأسهم الصلبة البرتقالية والداكنة الزرقاء في الأعلى إلى تأثيرات الاحترار أو التبريد، على التوالي. تم إنشاء صورة الشجرة باستخدامبايو ريندر.كوم. تم تعريف مصادر النيتروجين البشرية على أنها مجموعة من الأنشطة البشرية التي تضيف مباشرة النيتروجين إلى النظم البيئية الأرضية أو الغلاف الجوي، بما في ذلك تطبيق السماد والأسمدة، وترسيب النيتروجين، وحرق الوقود الأحفوري، وتربية الماشية. الانبعاثات. عوامل بشرية أخرى في تكوين NMIP2، على سبيل المثال، الري، تغيير استخدام الأراضي (LUC)، المرتفعة وتؤثر التغيرات المناخية أيضًا على دورة النيتروجين العالمية بشكل غير مباشر، وبالتالي تعدل استجابة الغلاف الحيوي الأرضي لإضافات النيتروجين. ومع ذلك، فإن تحديد المساهمات البشرية من هذه العوامل غير المباشرة ليس ممكنًا، وبالتالي لم تُنسب تأثيرات هذه العوامل غير المباشرة إلى تأثيرات النيتروجين البشرية في هذه الدراسة.
أظهر الإنتاجية البيئية الصافية (NBP) لمجموعة NMIP2، التي تتعلق بالتوازن الكربوني الأرضي، أحجامًا واتجاهات مشابهة بالنسبة لمشروع الكربون العالمي.مع معامل الارتباط 0.94 (0.98) وانحياز متوسط ( ) عند استبعاد (بما في ذلك) آثار تغيير استخدام الأراضي، على التوالي (الشكل البياني الموسع 1). زادت النيتروجين البشري المنشأ، بما في ذلك تطبيقات الأسمدة والسماد العضوي وترسيب النيتروجين، من خزانات الكربون الأرضية بـخلال الفترة من 2016 إلى 2020 (الشكل 2أ).انبعاثات من كل من التربة واحتراق الوقود الأحفوري خلال الفترة من 2016 إلى 2020 كانتالذي ساهم فيه النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية بنحوتقديرات مجموعة NMIP2 للتربة العالميةالانبعاثات الناتجة عن تطبيق السماد العضوي والأسمدة، وترسيب النيتروجين ومن التربة الطبيعية خلال الفترة من 2016 إلى 2020 كانت، و ، على التوالي (الشكل 2ب). تقع هذه التقديرات ضمن نطاقات عدم اليقين بشكل جيد و على مدار 2007-2016 وفقًا لأحدثتقديرات الميزانية.
أنثروبوجينيانبعاثات خلال الفترة من 2016 إلى 2020 وصلت إلى، معظمها كان نتيجة احتراق الوقود الأحفوري، كما تم استنتاجه من CEDS. وقد قدرت مجموعة NMIP2 أن الأنشطة البشرية ساهمت بحواليمنالتربة العالمية الانبعاثات خلال الفترة من 2016 إلى 2020 (الشكل 2c)، وكان آخرها أعلى قليلاً من التقديرات الأخيرة التي تبلغ حوالي
الشكل 2 | انبعاثات النيتروجين التاريخية وتدفقات الكربون الأرضية استنادًا إلى جرد CEDS ومتوسط مجموعة NMIP2. أ-د، صافي تدفق الكربون الأرضي (أ)، و الانبعاثات، على التوالي. جميع مصادر الوقود الأحفوري في CEDS موضحة بواسطة الأعمدة الأرجوانية الفاتحة، بينما تشير الألوان الأخرى إلى مساهمات العوامل بناءً على متوسط مجموعة NMIP2. تم تعديل انبعاثات NH3 من التربة بناءً على انبعاثات الزراعة في CEDS (الطرق). الحريق
انبعاث كل مكون غير مدرج في تكوين NMIP2 الحالي. تم حساب متوسط مساهمات كل عامل على مدى فترات 1880s و1910s و1940s و1970s و2000s و2020s مع نافذة زمنية مدتها 5 سنوات، حيث تظهر التأثيرات البشرية المباشرة على النيتروجين (Nr) مع خط أسود. تشير الخطوط السوداء إلى متوسط التدفق السنوي لكل مركب، وتشير أشرطة الخطأ إلى انحراف معياري واحد بين أعضاء NMIP2 المختلفين. FF، الوقود الأحفوري. للفترة من 1980 إلى 2017تقديرات مستقلة للواقع العالمي اليوم الانبعاثات غير مؤكدة بشكل كبير مع نطاق من (المراجع 32-34). تعكس هذه الحالة من عدم اليقين أيضًا انتشار مجموعة NMIP2 (الشكل 2d والشكل التوضيحي 1)، والتي أظهرت، مع ذلك، بصمة نسبية متسقة لتطبيقات الأسمدة الزراعية وروث الحيوانات على اتجاه المستوى العالمي.الانبعاثات من 1850 إلى 2019. لاستنتاج تطور زمني متسق عالميًا لتأثير النيتروجين البشري علىانبعاثات تقييمنا المناخي، اعتمدنا تقديرًا محافظًا للإجماليانبعاثاتفي عام 2019 استنادًا إلى جرد CEDS وتطبيق المساهمة النسبية للنيتروجين البشري المنشأ إلىالانبعاثات التي تم محاكاتها بواسطة مجموعة NMIP2 (الطرق).
الضغط الإشعاعي الناتج عن النيتروجين البشري المنشأ
بعد ذلك، قمنا بدراسة التأثيرات المناخية الصافية للنيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية من خلال دمج نمذجة الصندوق لمحاكاة الغلاف الجوي و تركيزات وانبعاثات و ، في نموذج GEOS-Chem-RRTMG مع وبدون الأخذ في الاعتبار تأثير النيتروجين البشري (الطرق). التغيرات في عمر الحياة بسبب تأثير تغير الغلاف الجويعبء على الجذور الحرة الهيدروكسيليةتم حسابها أيضًا بشكل غير متصل باستخدام نموذج الصندوق (الطرق). ثم تم حساب القوة الإشعاعية المباشرة للنيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية لكل مركب كفرق في القوة الإشعاعية في جميع الأجواء عند قمة الغلاف الجوي بين الوقت الحالي (المحدد هنا بعام 2019) والأوقات ما قبل الصناعية (المحدد هنا بعام 1850). تم تقدير عدم اليقين على أساس منتشرة عبر أعضاء مجموعة NMIP2 وكذلك في الكيمياء الجوية (قسم المعلومات التكميلية 1.2).
تم تقدير صافي التأثير الإشعاعي المباشر العالمي المرتبط بتأثير الانبعاثات التاريخية التراكمية في عام 2019 على أنه (الشكل 3)، التي تؤثر فيها الأنشطة البشرية على الهباء الجوي (بما في ذلك الأمونيوم، النترات والكبريتات؛ الطرق) والتروبوسفيرساهمت -0.12 [-0.07، -0.17]، و “، على التوالي. كل مكون يقع عمومًا ضمن نطاقات عدم اليقين المتوقعة بالنسبة للدراسات السابقة التي تركزت على مكونات أو عمليات Nr الفردية (قسم المعلومات التكميلية 3 والجدول التكميلية 3). إن “Nr الناتج عن الأنشطة البشريةكان الاحترار قليلاً يفوق تأثيرات التبريد الناتجة عن الزيادات الناتجة عن النيتروجين في احتجاز الكربون الأرضي، بما يتماشى مع دراسة سابقة استخدمت نموذجاً واحداً للغلاف الحيوي الأرضي.المعززأدت الانبعاثات إلى تأثير تبريد كبير من خلال تقليلالعمر الافتراضي وزيادة أحمال الهباء الجوي، في حين أن التأثير الإشعاعي المباشر السلبي للهباء الجوي كان موزعًا بشكل غير متساوٍ وسائدًا في المناطق الملوثة بالهواء مثل أمريكا الشمالية، وأوروبا الغربية، وآسيا الشرقية والجنوبية. استجابةً لـالزيادات منذ العصور ما قبل الصناعية، الغلاف الجوي الحاليتم العثور على أنه قد تم تعزيزه عبر الشبكة العالمية المحاكية بأكملها، مما أدى إلى زيادات كبيرة في الغلاف الجوي العالمي. العبء من 280.1 إلى 325.0 Tg (الشكل البياني الإضافي 2). هذا التحسين يعوض جزئيًا آثار المناخ البارد الناتجة عن الانخفاضعمر الحياة وزيادة عبء الهباء الجوي مع الأخذ في الاعتبار تأثير غازات الدفيئة.
الشكل 3 | التأثير الإشعاعي المباشر العالمي في عام 2019 الناتج عن النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية. مساهماتالهباء الجوي (د)،وكان التأثير الصافي (f) (أي، مجموع a-e) مستمدًا في نموذج GEOS-Chem-RRTMG من خلال حساب الفروقات في الإشعاع الإجباري في أعلى الغلاف الجوي بين تجارب CTRL_2019 و No_allNr. إن الإشعاع الإجباري للجسيمات هو مجموع الإشعاع الإجباري المباشر الذي تسهم به جسيمات الأمونيوم والنيترات والكبريتات. الأرقام بين قوسين تمثل الوزن النسبي العالمي.
تقسيم المصادر الزراعية وغيرها
لفهم تأثير النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية على المناخ بشكل أفضل، قمنا بعزل تأثيرات الأنشطة الزراعية وغير الزراعية (الطرق). هنا، تم اعتبار انبعاثات التربة المنسوبة إلى تطبيق الأسمدة والسماد كمصادر زراعية، بينما تم اعتبار احتراق الوقود الأحفوري وانبعاثات التربة المنسوبة إلى التغيرات في ترسيب النيتروجين كمصادر غير زراعية. إن اعتبار جميع ترسيبات النيتروجين كمصادر غير زراعية يتجاهل تأثير ترسيب النيتروجين على التدفقات الزراعية. المتوسطات، بينما الأرقام في الأقواس تشير إلى نطاقات عدم اليقين استنادًا إلى تجارب الحساسية مع GEOS-Chem-RRTMG باستخدامالانحراف المعياري بين مجموعات NMIP2 بالإضافة إلىعدم اليقين في OH و التركيزات (قسم المعلومات التكميلية 1.2). لاحظ تأثيرات Nr على المستوى العالمي و يُفترض أن تكون موزعة بالتساوي، بحيث تتحدد أنماط هذه الغازات الثلاثة المسببة للاحتباس الحراري بشكل أساسي بواسطة عوامل تأثير أخرى، بما في ذلك توزيع السحب. لكن هذا التأثير سيكون صغيرًا نسبيًا نظرًا لمعدلات ترسيب النيتروجين المنخفضة جدًا مقارنة بتطبيق الأسمدة الزراعية (الشكل 2).
أظهرت الشكل 4أ أن التأثيرات المناخية الصافية المستمدة من المصادر الزراعية وغير الزراعية كانت قابلة للمقارنة (-0.19 [-0.03، و ، على التوالي). بالنسبة للمصادر الزراعية، كان تأثير التبريد الصافي مهيمنًا من قبل تأثير الهباء الجوي المباشر، والذي يمكن أن يُعزى إلى الزراعة الانبعاثات، في حين أن تأثيرات Nr من امتصاصانبعاثات الإشعاع الحراري العالمي تعوضت عن بعضها البعض، بما يتماشى مع
الشكل 4 | التأثير الإشعاعي المباشر العالمي المرتبط بالنيتروجين غير العضوي الناتج عن الأنشطة البشرية من المصادر الزراعية وغير الزراعية. أ، تعتمد قيم التأثير الإشعاعي المباشر على الفروقات بين تجارب الحساسية بين CTRL_2019 و No_agriNr أو No_nonagriNr، على التوالي. التأثير الإشعاعي للجسيمات هو مجموع التأثير الإشعاعي المباشر الذي تسهم به جسيمات الأمونيوم والنيترات والكبريتات. تم اشتقاق أشرطة عدم اليقين من GEOS-Chem. تشغيلات مجبرة مع المتوسط الجماعيالانحراف المعياري في مجموعة NMIP2 والحساسيات المرتبطة بالقوة الإشعاعية لتغيرات Nr (قسم المعلومات التكميلية 1.3). ب، التباين المكاني لتأثير القوة المباشرة، المقدّر كواحد من الانحراف المعياري للقوة الإشعاعية المباشرة عبر الشبكة العالمية المحاكية. الدراسات السابقة. على العكس، الانبعاثات الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري هيمنت على التأثيرات الصافية للتبريد من المصادر غير الزراعية. ارتفاع الغلاف الجويلم يقتصر العبء على زيادة عبء الهباء الجوي من النترات فحسب، بل قلل أيضًا بشكل كبير من الكسر الجزيئي في الغلاف الجوي لـمن خلال زيادة OH في الغلاف الجوي. تأثير الاحترار الناتج عن الأنشطة غير الزراعيةتم تضخيمه من خلال الانخفاض المتزامن في الغلاف الجويبسبب تفاعلاتهم في نقل الإشعاع. لقد قمنا بت quantifying هذا التأثير المكشوف على الضغط الإشعاعي عن طريق التقليلباستخدام تجربة حساسية مع GEOS-Chem-RRTMG (الجدول التمديدي 1) كخفض في القطاع غير الزراعيالضغط الإشعاعي من +0.11 إلى +. نظرًا للاختلاف الكبير في أعمار الغازات الدفيئة طويلة الأمد (مثل و ) والغازات التفاعلية قصيرة العمر (مثل و تعتبر الفروقات الإقليمية في الانبعاثات أكثر أهمية بالنسبة للغازات قصيرة العمر. ونتيجة لذلك، تظهر قوة تأثيرات المناخ الناتجة عن النيتروجين البشري الإقليمي تباينات كبيرة في الفضاء (الأشكال 3 و4ب). على وجه الخصوص، تميل تأثيرات الهباء الجوي إلى أن تكون قوية في المناطق ذات مستويات تلوث الهواء العالية، مثل الهند وشرق الصين، لكنها تظهر تأثيرًا إشعاعيًا ضئيلًا على المحيط المفتوح بسبب عمرها القصير ونقلها الجوي المحدود.
يجب ملاحظة أن القوى الإشعاعية المنسوبة إلى النيتروجين غير العضوي الزراعي وغير الزراعي تتأثر بعدم الخطية في كيمياء تكوين الهباء الجوي، مما يؤدي إلى تأثير تبريد صافي أقوى قليلاً من مجموع التأثيرات الفردية. ) مقارنة بالتقدير المدمج ( في الشكل 3f). إن التأثير الإشعاعي المباشر لرذاذ النترات لا يضعف فقط بشكل كبيرالانخفاضات في تجربة no_nonagriNr ولكن أيضًا انخفضت بسبب تراجع الهباء الجوي لنترات الأمونيوم المرتبط بـخفض الانبعاثات في تجربة no_agriNr (الطرق؛ الشكل 3 من البيانات الموسعة والجدول التكميلي 5). التقليل يؤثر بشكل أكبر على تركيزات المؤكسدات الجوية مثلو OH ويقلل من تكوين الهباء الجوي الكبريتي في تجربة no_nonagriNr (الجدول التكميلي 5؛ الطرق). ومع ذلك، فإن هذه اللاخطية في كيمياء الهباء الجوي لا تؤثر على ترتيب أو الحجم الكلي للعوامل التي تؤثر بها Nr على القوة الإشعاعية.
سيناريوهات تأثيرات المناخ المستقبلية
لتوضيح العواقب المحتملة للتغيرات المستقبلية المحتملة في النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية، نستخدم بعد ذلك الفهم المكتسب في القسم السابق في تحليل مبسط باستخدام ثلاثة سيناريوهات تمثيلية من المسارات الاجتماعية والاقتصادية المشتركة (SSPs؛ الطرق). يفترض سيناريو SSP 1-2.6 سيناريو ‘أنظف نيتروجين’ مع تقليل قوي في الاعتماد على الوقود الأحفوري.انبعاثات ولكن مع كميات غير متغيرة نسبيًا من تطبيق الأسمدة والسماد لتلبية الطلبات العالمية على الغذاء (الشكل 4 من البيانات الموسعة). تؤدي هذه التغيرات المتعلقة بالنيتروجين إلى تأثير تدفئة صافيبحلول خمسينيات القرن الحادي والعشرين مقارنةً بعام 2019، التي تهيمن عليها الزيادةعمر أطول وتأثير مباشر مخفض للهباء الجوي (الشكل 5أ). في سيناريو SSP 3-7.0، تظل المصادر العالمية الإجمالية للوقود الأحفوري من Nr قريبة من مستوى عام 2019، مما يؤدي إلى حجم مشابه من تأثير الهباء الجوي العالمي ولكن قد تكون هناك اتجاهات مختلفة بين المناطق المختلفة. تزيد تطبيقات الأسمدة والسماد الحيواني المعززة الانبعاثات وتؤدي إلى قوة أكبر أثر الاحترارفي خمسينيات القرن الحادي والعشرين مقارنةً بعام 2019، والتي تعوضها آثار التبريد الناتجة عن زيادة تحميل الجسيمات الهوائيةتحسين في خمسينيات القرن الحادي والعشرين مقارنة بعام 2019) وزيادة في احتجاز الكربون على اليابسة (تحسين في الخمسينيات من القرن 2050 مقارنة بعام 2019). ومع ذلك، فإن الافتراضات المحددة حول حجم تشبع النيتروجين (قسم المعلومات التكميلية 2.1 والشكل التكميلية 4) تشير إلى أن تأثير احتجاز الكربون قد يكون مبالغًا فيه بحواليأخيرًا، يتوقع سيناريو SSP 5-8.5 مستوى ثابتًا عمومًا من النيتروجين البشري مقارنةً بعام 2019، مما يعوض التغيرات في قوى المناخ. تشير هذه النتائج إلى أن هناك حاجة إلى تخفيضات أقوى في انبعاثات غازات الدفيئة مصحوبة بسيناريو ‘النيتروجين النظيف’ لتحقيق كل من الفوائد البيئية والتخفيف من تغير المناخ.
تتعلق شدة القوة الإشعاعية المقدرة بالشكوك في كل مركب أو عملية فردية (قسم المعلومات التكميلية 2) ولكن أيضًا بالغموض الذي لا مفر منه في تحديد نطاق التأثيرات البشرية. هنا قمنا بتكييف تعريف بسيط ولكنه محافظ مع إدخال مباشر فقط لمركبات النيتروجين الناتجة عن الأنشطة البشرية. ومع ذلك، هناك عوامل أخرى ناتجة عن الإنسان، مثل الارتفاع فيو LUC، بالإضافة إلى تغير المناخ والآثار المرتبطة به (لـ
الشكل 5 | التأثيرات الإشعاعية المباشرة العالمية الناتجة عن سيناريوهات مستقبلية من النيتروجين البشري. أ-ج، التأثير الإشعاعي المباشر العالمي بالنسبة لتركيزات ما قبل الصناعة (1850) استجابةً للتغيرات في مدخلات النيتروجين البشري وفقًا لسيناريوهات SSP 1-2.6 (أ)، SSP 3-7.0 (ب) و SSP 5-8.5 (ج). التغيرات الصافية يتم عرض التأثير الإشعاعي كخطوط برتقالية صلبة. تشير الخطوط الأرجوانية المتقطعة إلى عدم وجود تغيير مباشر في التأثير الإشعاعي مقارنةً بفترة ما قبل الصناعة. تم حساب أشرطة الخطأ من النسب المئوية في التأثير الإشعاعي المباشر المستمد من التقديرات التاريخية (قسم المعلومات التكميلية 1.3). على سبيل المثال، يمكن أن تؤثر حرائق الغابات بشكل كبير على الدورة البيوجيوكيميائية، بما في ذلكماءودورات النيتروجين، مما يجعل من الصعب تحديد المساهمات من النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية بشكل غير ملتبس. على الرغم من أن هذه التأثيرات غير المباشرة قد تعزز التأثيرات المناخية العامة للنيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية، إلا أن محاكاة مجموعة NMIP2 تشير إلى أن هذه التأثيرات على دورة الكربون أو دورة النيتروجين ليست بنفس أهمية التأثير المباشر العام للنيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية.
في هذه الدراسة، تم تناول عدة عمليات، بما في ذلك تأثيرات الهباء الجوي أوعلى تدفقات الكربون الأرضية، تفاعلات الهباء الجوي مع السحب، تأثيرات إضافة النيتروجين على التربةلم يتم تضمين امتصاصات وتسميد النيتروجين في البحار في الكيمياء الحيوية البحرية بسبب التأثير المحتمل الصغير على المناخ أو عدم اليقين في قياس التأثير العالمي (قسم المعلومات التكميلية 2.5). بالنسبة للتأثيرات التي درسناها في هذه الدراسة، من ناحية، المستقبلالتبريد بسببقد يكون تقدير امتصاص الأرض في دراستنا مبالغًا فيه لأننا نتجاهل مساهمة الوقود الأحفوري.انبعاثات إنتاج الأسمدة النيتروجينية بواسطة طريقة هابر-بوش، والأهم من ذلك، قد تصبح النظم البيئية الأرضية المعرضة لإضافات نيتروجين مزمنة عالية مشبعة بالنيتروجين خلال العقود القليلة القادمة وتساهم بشكل أقل في تخزين الكربون الأرضي (معلومات إضافية القسم 2.1). كما لا تزال هناك عدم يقين في تقدير كمية التربة و الانبعاثات (أقسام المعلومات التكميلية 2.2 إلى 2.4). من ناحية أخرى، قد يتم تقدير القوة الإشعاعية السلبية لرذاذ النترات بشكل مبالغ فيه، حيث يميل نموذج GEOS-Chem إلى المبالغة في تقدير تركيزات رذاذ النترات.. علاوة على ذلك، التغييرات في يمكن أن تؤثر بشكل أكبر على تشكيل الهباء العضوي من خلال تغيير القدرة على الأكسدة في الغلاف الجوي وعوائد الهباء.والتي لم يتم فحصها في هذه الدراسة نظرًا للاختلاف الكبير في محاكاة العمليات الكيميائية المقابلة. لتقليل الشكوك والحصول على فهم أكثر شمولاً للتغذيات المحتملة، سيكون من الضروري تطوير نماذج نظام الأرض الأكثر تكاملاً، بما في ذلك التفاعلات الرئيسية بين عمليات الكيمياء الحيوية الأرضية والبحرية، وكيمياء الغلاف الجوي، وديناميات المناخ، والعمليات الإشعاعية.
لقد كان تقييم الآثار المناخية العالمية للنيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية تحديًا لعقود نظرًا للتعقيد في العمليات الفيزيائية والكيميائية في الغلاف الجوي بالإضافة إلى الدورات البيوجيوكيميائية الأرضية. من خلال دمج نمذجة كيمياء الغلاف الجوي والبيوسفير، تساهم نتائجنا في تقديم صورة أوضح تفيد بأن الآثار المجمعة من العوامل المناخية المتعلقة بالنيتروجين القصير الأمد والطويل الأمد هي تبريد عالمي صافي مع تباينات إقليمية قوية. تتيح لنا التناسق المعزز تقدير القوة الإشعاعية الصافية للنيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية عند، مما يحسن المتانة بالنسبة إلى التقدير الوحيد الآخر المتاح بناءً على مراجعة الأدبيات فقط ( ) (مرجع 18). من المحتمل أن تؤدي التخفيضات المستقبلية في النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية إلى إضعاف هذا التأثير التبريدي الصافي بشكل رئيسي من خلال تقليل عبء الهباء الجوي في الغلاف الجوي وزيادة العمر الافتراضي، في حين أن التأثير المستقبلي للاحتباس الحراري الناتج عن الأسمدةستظل الانبعاثات أو حتى تزيد. وبالتالي، تشير نتائجنا إلى أنه لتخفيف الآثار البيئية السلبية للنيتروجين غير العضوي دون زيادة كبيرة في معدلات تغير المناخ، يجب تحقيق تخفيضات أكبر في انبعاثات الغازات الدفيئة. و يجب أن يتم تنفيذها بالتزامن مع تقليل Nr.
المحتوى عبر الإنترنت
أي طرق، مراجع إضافية، ملخصات تقارير Nature Portfolio، بيانات المصدر، بيانات موسعة، معلومات إضافية، شكر وتقدير، معلومات مراجعة الأقران؛ تفاصيل مساهمات المؤلفين والمصالح المتنافسة؛ وبيانات توفر البيانات والرموز متاحة علىhttps://doi.org/10.1038/s41586-024-07714-4.
فاولر، د. وآخرون. دورة النيتروجين العالمية في القرن الحادي والعشرين. فيل. ترانس. ر. سوس. ب 368، 20130164 (2013).
غروبر، ن. وجالواي، ج. ن. منظور نظام الأرض لدورة النيتروجين العالمية. ناتشر 451، 293-296 (2008).
جالووي، ج. ن. وآخرون. تحول دورة النيتروجين: الاتجاهات الحديثة، الأسئلة والحلول المحتملة. ساينس 320، 889-892 (2008).
بوديرسكي، ب. ل. وآخرون. متطلبات النيتروجين التفاعلي لتغذية العالم في عام 2050 وإمكانية التخفيف من تلوث النيتروجين. نات. كوميونيك. 5، 3858 (2014).
ليو، م. وآخرون. السيطرة على انبعاث الأمونيا في الصين ستخفف من تلوث الضباب وترسيب النيتروجين، لكنها ستزيد من الأمطار الحمضية. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية 116، 7760-7765 (2019).
دودز، و. ك. وسميث، ف. هـ. النيتروجين، الفوسفور والتغذية الزائدة في المجاري المائية. المياه الداخلية 6، 155-164 (2016).
هامبرت، ج. ي.، دواير، ج. م.، أندري، أ. وآرليتاز، ر. تأثيرات إضافة النيتروجين على تنوع النباتات في المراعي الجبلية تعتمد على الجرعة، مدة التطبيق والمناخ: مراجعة منهجية. التغير العالمي في البيولوجيا 22، 110-120 (2016).
ستوكير، ب. د. وآخرون. ردود فعل متعددة لغازات الدفيئة من الغلاف الحيوي الأرضي تحت سيناريوهات تغير المناخ المستقبلية. نات. مناخ. تغيير 3، 666-672 (2013).
زايله، س.، سياس، ب.، صديق، أ. د. و بريور، ف. فوائد الكربون من النيتروجين التفاعلي الناتج عن الأنشطة البشرية تعوضها انبعاثات أكسيد النيتروز. نات. جيوسي. 4، 601-605 (2011).
هاوغلوستين، د. أ.، بالكانسكي، ي. و شولتز، م. محاكاة نموذج عالمي للنيترات الهوائية الحالية والمستقبلية وتأثيرها الإشعاعي المباشر على المناخ. أتموس. كيم. فيز. 14، 11031-11063 (2014).
ثورنهيل، ج. د. وآخرون. التأثير الإشعاعي الفعال الناتج عن انبعاثات الغازات التفاعلية والهباء الجوي – مقارنة متعددة النماذج. الكيمياء الجوية والفيزياء 21، 853-874 (2021).
بينغ، س. وآخرون. تغييرات انبعاثات الأراضي الرطبة وامتصاص الغلاف الجوي تفسر نمو الميثان في عام 2020. الطبيعة 612، 477-482 (2022).
لو، إكس. وآخرون. الدور غير المقدر لانبعاثات أكسيد النيتروجين من التربة الزراعية في تنظيم تلوث الأوزون في شمال الصين. نات. كوميونيك. 12، 5021 (2021).
فلايشر، ك. وآخرون. مساهمة ترسيب النيتروجين في القدرة التمثيلية الضوئية للغابات. الدورات البيوجيوكيميائية العالمية 27، 187-199 (2013).
ديروينت، ر. ج. وآخرون. التأثير الإشعاعي من السطحالانبعاثات: التغيرات المكانية والموسمية. تغير المناخ 88، 385-401 (2008).
ألين، م. ر. وآخرون. استخدام جديد لإمكانات الاحترار العالمي لمقارنة الملوثات المناخية التراكمية وقصيرة العمر. نات. مناخ. تغيير 6، 773-776 (2016).
إريس مان، ج. و.، جالواي، ج.، سيتزينجر، س.، بليكر، أ. وبتر باخ-باهل، ك. النيتروجين التفاعلي في البيئة وتأثيره على تغير المناخ. الرأي الحالي في الاستدامة البيئية 3، 281-290 (2011).
بيندر، ر. و. وآخرون. تأثيرات تغير المناخ على النيتروجين التفاعلي في الولايات المتحدة. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية 109، 7671-7675 (2012).
باتر باخ-باهل، ك. وآخرون في تقييم النيتروجين الأوروبي: المصادر، التأثيرات ووجهات النظر السياسية (تحرير بليكر، أ. وآخرون) 434-462 (مطبعة جامعة كامبريدج، 2011).
شي، ي.، كوي، س.، جو، إكس.، كاي، ز. وزو، ي. تأثيرات النيتروجين التفاعلي على تغير المناخ في الصين. تقارير العلوم 5، 8118 (2015).
غونغ، س.، كو-غيبرخت، س. وزيلي، س. الاضطرابات الناتجة عن الأنشطة البشرية على دورات النيتروجين والتفاعلات مع تغيرات المناخ. الرأي الحالي في الكيمياء الخضراء المستدامة 46، 100897 (2024).
مارتن، س. ت. وآخرون. تأثير الحالة الفيزيائية لجزيئات الأمونيوم-كبريتات-نترات في الطبقة التروبوسفيرية على التأثير الإشعاعي المباشر للأيروسولات العالمية. أتموس. كيم. فيز. 4، 183-214 (2004).
ما، ر. وآخرون. تقديرات مستندة إلى البيانات لتأثيرات الأسمدة على التربة و انبعاثات من الأراضي الزراعية في الصين وتأثيراتها على تغير المناخ. التغير العالمي في علم الأحياء 28، 1008-1022 (2022).
لي، ج. وآخرون. التغير المكاني والزماني لتأثيرات الحرائق على الكربون والنيتروجين في التربة: تحليل ميتا عالمي. بيولوجيا تغير المناخ العالمية 27، 4196-4206 (2021).
أرنث، أ. وآخرون. ردود الفعل البيوجيوكيميائية الأرضية في نظام المناخ. نات. جيوسي. 3، 525-532 (2010).
مايرهولت، ج.، سيكل، ك. وزيلي، س. توضح إسقاطات المجموعة آثار عدم اليقين في تحديد النيتروجين الأرضي على امتصاص الكربون في المستقبل. بيولوجيا التغير العالمي 26، 3978-3996 (2020).
تيان، هـ. وآخرون. الميزانية العالمية لأكسيد النيتروز 1980-2020. مناقشات بيانات علوم الأرض. 2023، 1-98 (2023).
فرايدلينغستين، ب. وآخرون. الميزانية العالمية للكربون 2021. بيانات علوم الأرض 14، 1917-2005 (2022).
تيان، هـ. وآخرون. تقييم شامل لمصادر ومصارف أكسيد النيتروز العالمي. ناتشر 586، 248-256 (2020).
وينغ، هـ. وآخرون. الانبعاثات العالمية عالية الدقة للتربةأيروسولات ملح البحر والمركبات العضوية المتطايرة البيولوجية. بيانات العلوم 7، 148 (2020).
مكدوفي، إي. إي. وآخرون. جرد عالمي للانبعاثات البشرية من الملوثات الجوية من مصادر محددة حسب القطاع والوقود (1970-2017): تطبيق نظام بيانات انبعاثات المجتمع (CEDS). بيانات علوم الأرض 12، 3413-3442 (2020).
إيفانجيليو، ن. وآخرون. تدفقات الأمونيا المقيدة بالأقمار الصناعية على مدى 10 سنوات تحسن أداء نماذج نقل الكيمياء. أتموس. كيم. فيز. 21، 4431-4451 (2021).
لو، ز. وآخرون. تقدير الأمونيا العالمية (انبعاثات بناءً على ملاحظات IASI من 2008 إلى 2018. الكيمياء والفيزياء الجوية 22، 10375-10388 (2022).
ليو، ل. وآخرون. استكشاف التغيرات العالمية في انبعاثات الأمونيا الزراعية ومساهمتها في ترسيب النيتروجين منذ عام 1980. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية 119، e2121998119 (2022).
إتمينان، م.، ميره، ج.، هايوود، إ. ج. وشاين، ك. ب. التأثير الإشعاعي لثاني أكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتروز: مراجعة هامة للتأثير الإشعاعي للميثان. رسائل أبحاث الجيوفيزياء 43، 12614-12623 (2016).
لي، ف. وآخرون. تشبع كفاءة استخدام المياه العالمية بسبب زيادة عجز ضغط البخار. العلوم 381، 672-677 (2023).
Zhang، ل. وآخرون. ترسيب النيتروجين في الولايات المتحدة: التوزيع، المصادر والعمليات. الكيمياء الجوية والفيزياء 12، 4539-4554 (2012).
ترافيس، ك. ر. وآخرون. لماذا تفرط النماذج في تقدير الأوزون السطحي في جنوب شرق الولايات المتحدة؟ الكيمياء والفيزياء الجوية 16، 13561-13577 (2016).
دوتا، إ. و هيلد، س. ل. استكشاف ملاحظات الترسيب للكبريت المؤكسد والنيتروجين كقيد على الانبعاثات في الولايات المتحدة. مجلة أبحاث الجيوفيزياء. الغلاف الجوي 128، e2023JD039610 (2023).
كرول، ج. هـ.، نج، ن. ل.، مورفي، س. م.، فلاجان، ر. س. & سينفيلد، ج. هـ. تشكيل الهباء العضوي الثانوي من أكسدة الإيزوبرين الضوئية. علوم البيئة والتكنولوجيا 40، 1869-1877 (2006).
نج، ن. ل. وآخرون. تأثيرمستوى تكوين الهباء العضوي الثانوي (SOA) من التأكسد الضوئي للتربين. الكيمياء الجوية والفيزياء 7، 5159-5174 (2007).
نج، ن. ل. وآخرون. تشكيل الهباء العضوي الثانوي من الم-xylene، التولوين والبنزين. أتموس. كيم. فيز. 7، 3909-3922 (2007).
ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينغر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح إذا ما تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فسيتعين عليك الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارةhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. (ج) المؤلف(ون) 2024
طرق
ملخص للبيانات والأساليب في هذه الدراسة مُقدم في الشكل 6 من البيانات الموسعة. هنا نقدم كل جزء بالتفصيل.
مجموعة بيانات NMIP2 متعددة النماذج
تضمن فريق NMIP2 ثمانية نماذج للغلاف الحيوي الأرضي مع أوصاف شاملة لدورات الكربون والنيتروجين الأرضية، مدفوعة بمناخ موحد، واستخدام الأراضي، ومحركات دورة النيتروجين. قدم كل عضو في NMIP2 بيانات بدقة مكانية منمن 11 محاكاة عابرة وعاملية (البيانات الموسعة الجدول 2) لفك تشابك مساهمات استخدام الأسمدة النيتروجينية، وتطبيق السماد، وترسيب النيتروجين، والري،تغيرات الارتفاع والمناخ من العصور ما قبل الصناعية (1850) إلى الوقت الحاضر (2020). تم توليد بيانات المناخ من CRU-JRA55 6-h forcingتاريخيتم اشتقاق التركيزات من نواة الجليدالبيانات والملاحظات السنوية من NOAA. تم إنتاج ترسيب النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية من خلال العمليات الكيميائية الجوية العالمية / الطبقية ودورها في مبادرة نمذجة الكيمياء المناخية.https://www.sparc-climate. org/activities/ccm-initiative/). تم توليد بيانات تطبيق الأسمدة النيتروجينية والسماد العضوي خصيصًا لمبادرة NMIP2 استنادًا إلى بيانات موحدة عالية الدقة (5 دقائق قوسية) حول تاريخ المدخلات النيتروجينية الناتجة عن الأنشطة البشرية.تم توليد تغييرات استخدام الأراضي من مشروع توحيد استخدام الأراضي 2، استطلاعات من الجمعية الدولية لصناعة الأسمدة ومنظمة الأغذية والزراعة ونظام رسم خرائط تأثير الثروة الحيوانية العالمية. لمزيد من التفاصيل حول تكوين NMIP2 وبيانات الإدخال، يرجى الرجوع إلى المراجع 28، 48. لحساب المتوسط الجماعي، استخدمنا مخرجات من ثمانية نماذج لـ NBP ولكن لم يكن بإمكانه الاعتماد إلا على ستة نماذج للتربةوثلاثة للتربةالانبعاثات، على التوالي (الجدول البياني الممتد 3).
جرد CEDS
تم إنشاء جرد CEDS من خلال دمج الجرد العالمي والإقليمي والدولي الموجود مع منهجية متسقة وقابلة للتكرار، تمثل انبعاثات الغازات الكيميائية التفاعلية الناتجة عن الأنشطة البشرية على مستوى الشبكة الشهرية (على سبيل المثال، أول أكسيد الكربون (CO)،ثاني أكسيد الكبريت والمركبات العضوية المتطايرة غير الميثانية)، الهباء الجوي الكربوني (الكربون الأسود والكربون العضوي) وغازات الدفيئة ( و من 1750 إلى يومنا هذا (تحديث إلى أحدث سنة). لكل غاز أو رذاذ، تم تقسيم الانبعاثات الناتجة عن الأنشطة البشرية إلى ثمانية قطاعات، بما في ذلك الزراعة غير الاحتراق، وتحويل الطاقة واستخراجها، والاحتراق الصناعي، والسكنية، والشحن الدولي، والمذيبات، والنقل، والتخلص من النفايات. هنا قمنا بالوصول إلى بيانات CEDS من نسخة معالجة لاحقًا من قبل فريق دعم GEOS-Chem، الذي أجرى عدة تعديلات لتناسب تكوينات GEOS-Chem.http://wiki.seas.harvard.edu/geos-chem/index.php/CEDS_الانبعاثات البشرية المنشأ).
دمج بيانات انبعاثات النيتروجين
أثر التسميد البشري، تطبيق السماد العضوي، ترسيب النيتروجين، الري،تأثير الارتفاع وتغيرات المناخ على محاكاة NBP، و تم تحديد الاختلافات في مجموعة NMIP2 على أساس الفروق بين سلسلة من تجارب الحساسية (البيانات الموسعة الجدول 2). يتم تحديد مساهمة LUC من خلال الفرق بين تجربة SH12 وتجربة SH11 (بدلاً من الفروق بين SH1 وSH6) لتجنب التأثيرات المربكة الناتجة عن التغيرات في تطبيق الأسمدة والسماد.وتكون تدفقات NBP متاحة لجميع أعضاء NMIP2 الثمانية، في حين أنالتدفق متاح فقط مع CLASSIC و OCN و ORCHIDEE (البيانات التكميلية الجدول 3).
التقدير الانبعاثات منمن قبل مجموعة NMIP2، التي تأخذ في الاعتبار الزراعةانبعاثات التربة ولكن ليس تلك الناتجة عن روث الماشية، قريبة من الزراعة في CEDSانبعاثات ( ) لعام 2019. ومع ذلك، فإن الكبير تجعل التباين بين النماذج (الشكل التكميلي 1d) الاستخدام المباشر لهذه المحاكاة لت quantifying التأثير البشري عرضة للتحيزات في النماذج الفردية. لذلك، احتفظنا بنموذج CEDS الزراعي الأصلي الانبعاث في هذه الدراسة ونسبة التربة تغيرات الانبعاثات من خلال تطبيق نسبة ثابتة أولاً (على إجمالي الزراعةانبعاثات عام 2019، بينما يقود الباقي (52%) الثروة الحيوانية وفقًا للمصدر 35 ثم توسيع تأثير النيتروجين البشري على التربةالانبعاثات وفقًا للتطور الزمني للتربةالانبعاثات في مجموعة NMIP2.
أخيرًا، قمنا بدمج بيانات جرد الانبعاثات البشرية من CEDS وبيانات NMIP2 متعددة النماذج لتمثيل انبعاثات Nr البشرية. تم اعتبار الانبعاثات البشرية الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري كمجموع لجميع القطاعات في جرد CEDS، باستثناء انبعاثات الزراعة. بالإضافة إلى احتراق الوقود الأحفوري وانبعاثات Nr من التربة، قمنا بفحص انبعاثات Nr الناتجة عن حرق الكتلة الحيوية استنادًا إلى المرجع 49. تم استخدام هذه المجموعة من البيانات لتوفير انبعاثات حرق الكتلة الحيوية التاريخية في CMIP6 من 1850 إلى 2015 وأظهرت حجمًا وتغيرات مشابهة لجرد GFED4.1 في العقود الماضية. كانت انبعاثات حرق الكتلة الحيوية السنوية التاريخيةتم استخدام الانبعاثات لتحديدنموذج الصندوق (انظر أدناه). ومع ذلك، بسبب انبعاثات حرق الكتلة الحيوية من و أظهرت اختلافات قليلة بين الوقت الحاضر وفترة ما قبل الصناعة، هنا تجاهلنا مثل هذه الاختلافات واستخدمنا نفس انبعاثات حرق الكتلة الحيوية الحالية في جميع تجارب GEOS-Chem.
و نماذج الصناديق
لتقدير آثار النيتروجين البشري المنشأ على الغلاف الجوي التركيزات، استخدمنا نماذج صندوقية جوية استنادًا إلى إطار المرجع 9. التغيرات في الغلاف الجوي تم تمثيل التركيزات الناتجة عن تأثيرات النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية على تدفقات الكربون الأرضية بواسطة:
أينتشير إلى التغيرات في الغلاف الجويتركيزات (ppmv) من 1850 إلى 2019 بسبب النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية. تم حساب ناتج الكتلة الصافية المتراكمة الناتجة عن تطبيقات الأسمدة والسماد العضوي وترسيب النيتروجين خلال الفترة من 1850 إلى 2019 من متوسط مجموعة NMIP2 (البيانات الموسعة الجدول 2).كان الثابت التقسيمي محاسبة الجزء المنقول عبر المحيط من الغلاف الجويتم تحديد الزيادة لتكون 0.61 بناءً على الزيادات التاريخية (1850-2019) في الغلاف الجوي (235 PgC) والمحيط (150 PgC) المقدر من الميزانية العالمية للكربون..
الكان نموذج الصندوق أيضًا مستندًا إلى المرجع 9:
حيثكان معدل الزيادة السنوي في الغلاف الجويتركيزات في السنة.تم تلخيص مصادر احتراق الوقود الأحفوري (FF) والتربة، وحرق الكتلة الحيوية (BB)، والانبعاثات البشرية من الأنهار، والمصبات، والمناطق الساحلية (AREC)، والكيمياء الجوية، والانبعاثات الطبيعية من الأنهار، والمصبات، والمناطق الساحلية (NREC) بالإضافة إلى المحيط المفتوح في الجدول 4 من البيانات الموسعة (المراجع 9، 49، 51، 52). تم تعيينه كـ وفقًا للمرجع 9. الـ [ ] أشار إلى السطح الجويتركيزات في السنةكان عمر الاضطراب في الغلاف الجوي، تم اعتباره 116 عامًا (مرجع 52). السطح العالمي المحاكىتم عرض التركيزات في الشكل 5a من البيانات الموسعة.
استخدمنانموذج الصندوق الموصوف في المرجع 53 لدراسة تأثيرات التغيرات فيانبعاثات علىتركيزات بسبب تغير تركيزات OH في الغلاف الجوي:
أينأشار إلى المتوسط العالميتركيزات في السنة.كان الإجمالي الانبعاثات في السنة، والتي تم حسابها عن طريق جمع انبعاثات الأنشطة البشرية استنادًا إلى جرد CEDS، وانبعاثات حرق الكتلة الحيوية استنادًا إلى المرجع 49 والمصادر الطبيعية مع تقدير لـ. الـتم تعيينه كـ (مرجع 54). الـعمرتم تقديره بواسطة:
أين و تم تعيينها كأرقام ثابتة تبلغ 120 و150 و200 سنة، على التوالي، لتمثيلعمر الحياة الذي تقوده الخسارة الستراتوسفيرية، وامتصاص التربة، وتفاعلات الكلور في التروبوسفير. المعاملكانعمرها الافتراضي بسبب أكسدة OH، والتي تم حسابها بواسطة:
أين و كانت المراجع لـالعمر والتركيزات. هنا اخترنا عام 2005 كسنة مرجعية معمن 11.17 سنة ومنعامل الحساسيةكان -0.31 بعد المرجع. و تم تعيينها كـ 0.0042 و ، على التوالي، وفقًا للجدول 4.11 من المرجع 56. تتغير الانبعاثات فيوالمواد العضوية المتطايرة، التي شملت تغييرات في الانبعاثات البشرية من CEDS وانبعاثات حرق الكتلة الحيوية من المرجع 49، تم حسابها من خلال الفروق بين سنة السنة وسنة المرجع (2005)، على التوالي. كانت تأثيرات درجة الحرارة على الغلاف الجوي تم التعبير عن معدلات الخسارة بواسطة عامل الضربمن (المرجع 56) والتغيرات في متوسط درجة حرارة السطح العالميةبالنسبة لسنة المرجع (2005). متوسط السطح العالمي المحاكىتم عرض التركيزات في الشكل 5b من البيانات الموسعة.
نموذج GEOS-Chem-RRTMG وتجارب الحساسية
استخدمنا نموذج النقل الكيميائي ثلاثي الأبعاد العالمي المتطور GEOS-Chem (الإصدار 12.0.0) مع ارتباط كاملآلية كيمياء الهيدروكربونات والهباء الجويلتمثيل و تركيز وأحمال الهباء الجوي المرتبطةبدقة أفقية قدرهاخط العرضخط الطول ودقة عمودية تتكون من 47 طبقة من السطح إلى مستوى 0.1 هكتوباسكال. تم حساب معدلات التحلل الضوئي بواسطة نظام Fast-JX.تم حساب تركيزات الهباء الجوي عبر الإنترنت بواسطة حزمة ISORROPIA IIتم استخدام النسخة الثانية من تحليل الاسترجاع لعصر الحداثة للبحث والتطبيق (MERRA2) لدمج البيانات الجوية لتشغيل نموذج GEOS-Chem. تم قياس تركيزات الغازات الدفيئة طويلة الأمد في الغلاف الجوي.، و تم اشتقاقها من نماذج صندوقية جوية بسيطة (انظر أعلاه). استنادًا إلى التركيزات المحاكاة للمتتبعات، قمنا بتشخيص التأثير الإشعاعي المباشر لمركبات Nr – المتعلقة باستخدام RRTMG غير المتصل في GEOS-Chem.تم تقدير القوة الإشعاعية المباشرة المتوسطة السنوية في عام 2019 من خلال محاكاة استمرت لمدة عام بعد فترة تحضير لمدة 6 أشهر. على وجه الخصوص، تأخذ GEOS-Chem في الاعتبار تمامًا عدم خطية كيمياء الهباء الجوي غير العضوي، حيث يكون للهباء الجوي الكبريتي أولوية أعلى من الهباء الجوي النيتري في تكوين الهباء الجوي عندما يكون غاز الأمونيا محدودًا في الغلاف الجوي. التغيرات في الغلاف الجوييمكن أن يؤثر التحميل أيضًا على أكسدة ثاني أكسيد الكبريت من خلال التأثير على المؤكسدات الجوية، مثل و OH. نتيجة لذلك، قد تتأثر تحميلات الهباء الجوي الكبريتي أيضًا بالتغيرات في الانبعاثات، على الرغم من أن انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت متطابقة في جميع تجاربنا. وبالتالي نستخدم مجموع التأثير الإشعاعي المباشر لـ أمونيا) نترات ( ) وكبريتات ( ) الهباء الجوي لتمثيل تأثيرات المناخ الناتجة عن الهباء الجوي الناجم عن الأنشطة البشرية.
قمنا بتصميم أربع تجارب حساسية لعزل تأثيرات النيتروجين الناتجة عن الأنشطة البشرية على المناخ، حيث كانت كل تجربة مدفوعة بنفس القوة الجوية ولكن مع اختلافات في و الانبعاثات بالإضافة إلى و التركيزات. الـ و الانبعاثات في كل تجربة موضحة في الشكل 3 من البيانات الموسعة، بينما و تم تلخيص التركيزات في الجدول الإضافي 1. تجربة حساسية إضافية، التي تلت تشغيل No_nonagriNr ولكن افترضتتركيزات كما في تشغيل CTRL، تم تصميمها لقياس تأثير التغيرات فيتركيزات على القوة الإشعاعية لـبسبب التغيرات في الانبعاثات غير الزراعية. قمنا بتقدير عدم اليقين في تقديرات القوة الإشعاعية من خلال نقل التباين عبر توقعات مجموعة NMIP2 إلى التركيزات الجوية وبالتالي القوة الإشعاعية. التحليل الكامل لعدم اليقين ومناقشات عدم اليقين مفصلة في المعلومات التكميلية وتعتمد على المراجع 9-11، 18، 28، 32-35، 52، 62-95.
التقدير الخطي لتأثيرات المناخ تحت سيناريوهات SSP
قمنا باستقراء آثار المناخ المستقبلية نتيجة التغيرات في النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية تحت ثلاثة سيناريوهات تمثيلية (SSP 1-2.6، 3-7.0 و5-8.5). انبعاثات الوقود الأحفوري المستقبلية والودائع كانت من مجموعة بيانات input4MIPs (https://esgf-data.dkrz.de/projects/input ). كانت تطبيقات الأسمدة والسماد المستقبلية مستندة إلى توقعات IMAGE حتى للحفاظ على التناسق في هذه الدراسة، تم تعديل مصادر Nr المستقبلية لتتناسب مع مستويات عام 2019 لكل مجموعة بيانات (الشكل 4 في البيانات الموسعة). نظرًا لأن انبعاثات الوقود الأحفوري المستقبلية لـغير مدرج في input4MIPs، التطوير المستقبلي لهذا المصدر منتمت مواءمته مع التطور المستقبلي القائم على الوقود الأحفوري.
لتقدير حجم تأثيرات المناخ الناتجة عن النيتروجين البشري تحت سيناريوهات SSP، قمنا ببناء إطار خطي بسيط استنادًا إلى الافتراضات التالية. (1) كان التغير في الإشعاع الإجباري لغازات الدفيئة في الغلاف الجوي الناتج عن التغيرات المتعلقة بالنيتروجين مرتبطًا خطيًا بتغير تركيزاتها في الغلاف الجوي، في حين كان الإشعاع الإجباري المباشر للغازات قصيرة العمر أو الهباء الجوي مرتبطًا خطيًا بإجمالي انبعاثات المواد المسبقة.في السنة المقابلة. (2) تم تحديد تأثيرات النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية على تدفقات غاز التربة بشكل خطي من خلال إضافة النيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية، بما في ذلك تطبيق الأسمدة/السماد العضوي وترسيب النيتروجين. ثم تم إنشاء نموذج بسيط استنادًا إلى القوة الإشعاعية المباشرة التي تم تشخيصها بواسطة GEOS-Chem لكل مركب لحساب القوة الإشعاعية بالنسبة لعام 1850:
حيث RF_Nr_CO، رذاذ و RF_Nr_ تمثل القوة الإشعاعية المباشرة المرتبطة بالنيتروجين الناتج عن الأنشطة البشرية لكل غاز في السنة المعنية بالنسبة لعام 1850. تم اشتقاق القيم في عام 2019 من الفروق بين CTRL_2019 و No_allNr. تجارب ( و ، على التوالي؛ الشكل 3). الحساسيات ( و تم اشتقاق تأثير الإشعاع على تركيزات غازات الدفيئة من التجارب الثمانية الأخرى لحساسية GEOS-Chem (قسم المعلومات التكميلية 1.3 والجدول التكميلية 2). على وجه الخصوص، قمنا بحساب تأثير التخفيض على النحو التالي:
NBPNBP و NBP مثلت NBP المساهمة من الأسمدة والسماد العضوي والترسيب في السنة، والذي يتم حسابه عن طريق ضرب متوسط مجموعة NMIP2 الحالي (متوسط 2015-2019) والمساهمات المقابلة لعوامل التعديل في الشكل 4 من البيانات الموسعة.
ال و تركيزات في السنة ( و ) تم اشتقاقها بواسطة البسيط و نماذج الصناديق (المعادلة (2) والمعادلات (3)-(5) بدءًا من [تركيزات في تجارب CTRL_2019) التركيزات في تجارب CTRL_2019)، على التوالي. (في نموذج الصندوق) (في تم تقليل انبعاثات نموذج الصندوق من كل من احتراق الوقود الأحفوري والانبعاثات الناتجة عن النيتروجين البشري من التربة مقارنةً بالانبعاثات في عام 2019 مع عوامل القياس المناسبة (الشكل البياني الإضافي 4)، بينما تم الإبقاء على المصادر الأخرى كما كانت في عام 2019.
للمركبات قصيرة العمر (الهباء الجوي و ) ، أو أشار إلى (أو انبعاثات من كل من الوقود الأحفوري والتربة من خلال تطبيق عوامل القياس على كل قطاع (الشكل البياني الإضافي 4) في السنة.
يمكن الوصول إلى أكواد مصدر GEOS-Chem-RRTMG على https:// جيثب.كوم/جيوسكم/جيوس-كيميتم إجراء تحليل البيانات والتصور بواسطة NCL. السكربتات متاحة على زينودو.https://doi. org/10.5281/zenodo.11179126) . 44. هاريس، I.، أوزبورن، T. J.، جونز، P. و ليستر، D. النسخة 4 من مجموعة بيانات المناخ المتعددة المتغيرات عالية الدقة الشهرية CRU TS. بيانات علمية 7، 109 (2020). 45. تيان، هـ. وآخرون. تاريخ المدخلات النيتروجينية البشرية (HaNi) إلى الغلاف الحيوي الأرضي: مجموعة بيانات سنوية بدقة 5 دقائق قوسية من 1860 إلى 2019. بيانات علوم نظام الأرض 14، 4551-4568 (2022). 46. لو، سي. وتيان، إتش. استخدام الأسمدة النيتروجينية والفوسفورية العالمية للإنتاج الزراعي في النصف القرن الماضي: النقاط الساخنة المتغيرة وعدم توازن المغذيات. بيانات علوم الأرض 9، 181-192 (2017). 47. هيرت، ج. س. وآخرون. توحيد تغيير استخدام الأراضي العالمي وإدارتها للفترة من 850 إلى 2100 (LUH2) لـ CMIP6. تطوير نماذج علوم الأرض 13، 5425-5464 (2020). 48. تيان، هـ. وآخرون. انبعاثات أكسيد النيتروز من التربة العالمية منذ العصر ما قبل الصناعي المقدرة بواسطة مجموعة من نماذج الغلاف الحيوي الأرضي: الحجم، النسبة والشك. تغير المناخ العالمي 25، 640-659 (2019). 49. فان مارل، م. ج. إ. وآخرون. انبعاثات حرق الكتلة الحيوية العالمية التاريخية لـ CMIP6 (BB4CMIP) استنادًا إلى دمج الملاحظات الساتلية مع المؤشرات ونماذج الحرائق (1750-2015). تطوير نماذج علوم الأرض 10، 3329-3357 (2017). 50. بالانتين، أ. ب.، ألدن، ج. ب.، ميلر، ج. ب.، تانز، ب. ب. ووايت، ج. و. س. زيادة في صافي امتصاص ثاني أكسيد الكربون الملحوظ من قبل اليابسة والمحيطات خلال الخمسين عامًا الماضية. ناتشر 488، 70-72 (2012). 51. ياو، ي. وآخرون. زيادة انبعاثات أكسيد النيتروز العالمية من الجداول والأنهار في الأنثروبوسين. نات. مناخ. تغيير 10، 138-142 (2020). 52. كانادل، ج. ج. وآخرون في تغير المناخ 2021: الأساس العلمي الفيزيائي (تحرير ماسون ديلموت، ف. وآخرون) 673-816 (مطبعة جامعة كامبريدج، 2021). 53. أوليفييه، د.، هوغلوند-إيساكسون، ل.، كليمنت، ز. وفون سالزن، ك. نموذج صندوقي لحساب تركيز الميثان في الغلاف الجوي العالمي. زينودوhttps://doi.org/10.5281/zenodo. 5293940 (2021). 54. الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ. تقرير التقييم الرابع لتغير المناخ 2007: الأساس العلمي الفيزيائي (تحرير سولومون، س. وآخرون) (مطبعة جامعة كامبريدج، 2007). 55. الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ. تغير المناخ 2013: الأساس العلمي الفيزيائي (تحرير ستوكير، ت. ف. وآخرون) (مطبعة جامعة كامبريدج، 2013). 56. الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ. تغير المناخ 2001: الأساس العلمي (تحرير هوتون، ج. ت. وآخرون) (مطبعة جامعة كامبريدج 2001). 57. بي، I. وآخرون. النمذجة العالمية لكيمياء التروبوسفير مع الأرصاد الجوية المدمجة: وصف النموذج والتقييم. مجلة أبحاث الجيوفيزياء. الغلاف الجوي. 106، 23073-23095 (2001). 58. بارك، ر. ج.، جاكوب، د. ج.، فيلد، ب. د.، يانتوسكا، ر. م. وتشين، م. تأثيرات التلوث الطبيعي وعبر الحدود على الهباء الجوي من الكبريتات والنيترات والأمونيا في الولايات المتحدة: تداعيات على السياسة. مجلة أبحاث الجيوفيزياء: الغلاف الجوي.https://doi.org/10.1029/2003jd004473 (2004). 59. فان دونكلار، أ. وآخرون. تقديرات عالمية لتركيزات الجسيمات الدقيقة المحمولة في الهواء من عمق الضباب الهوائي المستند إلى الأقمار الصناعية: التطوير والتطبيق. وجهات نظر الصحة البيئية 118، 847-855 (2010). 60. لي، ك. وآخرون. المحركات البشرية لاتجاهات الأوزون السطحي في الصيف من 2013 إلى 2017 في الصين. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية 116، 422-427 (2019). 61. فاونتوكيس، ك. ونينيس، أ. ISORROPIA II: نموذج توازن حراري حسابي فعالالهباء. الكيمياء الفيزيائية للغلاف الجوي. 7، 4639-4659 (2007). 62. هيلد، سي. إل. وآخرون. مقارنة التأثير الإشعاعي المباشر والضغط الإشعاعي المباشر للجسيمات. الكيمياء الجوية والفيزياء 14، 5513-5527 (2014). 63. جينا، سي. وآخرون. مقارنة بين مختلفجرد الانبعاثات والتغير المرتبط في أوزون السطح المحاكى في المنطقة الهندية. أجواء. بيئة 117، 61-73 (2015). 64. دينغ، ج. وآخرون. مقارنة بينجرد الانبعاثات في شرق آسيا. الكيمياء الجوية والفيزياء. 17، 10125-10141 (2017). 65. موري، ل. ت.، فيوري، أ. م.، شيندل، د. ت.، نايك، ف. و هورويتز، ل. و. عدم اليقين الكبير في توقعات الهيدروكسيل العالمية المرتبطة بمصير النيتروجين التفاعلي والكربون. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية 118، e2115204118 (2021). 66. Szopa, S. V. وآخرون في تغير المناخ 2021: الأساس العلمي الفيزيائي (تحرير ماسون ديلموت، ف. وآخرون) 817-922 (مطبعة جامعة كامبريدج، 2021). 67. ليو، ل. و غريفر، ت. ل. مراجعة لتأثيرات إثراء النيتروجين على ثلاثة غازات دفيئة بيولوجية المنشأ: قد يتم تعويض الانخفاض إلى حد كبير بواسطة التحفيز و انبعاث. رسائل البيئة. 12، 1103-1117 (2009). 68. زانغ، إكس. وآخرون. قد يتم التقليل بشكل كبير من انبعاثات الأمونيا في الصين. علوم البيئة والتكنولوجيا 51، 12089-12096 (2017). 69. ليسمان، م.، روس، ج. هـ.، يونغ، م. د. ودي فريز، و. التباين العالمي في إمكانيات احتجاز الكربون في التربة من خلال تحسين إدارة الأراضي الزراعية. تغير المناخ العالمي 28، 1162-1177 (2022). 70. رين، ج.، قوه، ف. ف. & شيا، س. د. تشخيص الأوزون-الحساسية وكشف أسباب زيادة الأوزون في الصين استنادًا إلى استرجاعات الأقمار الصناعية من 2013 إلى 2021. الكيمياء والفيزياء الجوية 22، 15035-15047 (2022). 71. ستودلر، ب. أ.، بودن، ر. د.، ميليلو، ج. م. وأبر، ج. د. تأثير التسميد بالنيتروجين على امتصاص الميثان في تربة الغابات المعتدلة. ناتشر 341، 314-316 (1989). 72. سيتش، س.، كوكس، ب. م.، كولينز، و. ج. وهنتنجفورد، س. التأثير غير المباشر للإشعاع على تغير المناخ من خلال تأثيرات الأوزون على مصارف الكربون الأرضية. ناتشر 448، 791-794 (2007). 73. ميركادو، ل. م. وآخرون. تأثير التغيرات في الإشعاع المنتشر على مصب الكربون العالمي في اليابسة. ناتشر 458، 1014-1087 (2009). 74. لومباردوزي، د.، ليفيس، س.، بونان، ج. وسباركس، ج. ب. توقع استجابات التمثيل الضوئي والتبخر إلى الأوزون: فصل التمثيل الضوئي النموذجي عن الموصلية الثغرية. علوم الأحياء الجيولوجية 9، 3113-3130 (2012). 75. سايمون، إتش، ريف، أ، ويلز، ب، شينغ، ج. وفرانك، ن. اتجاهات الأوزون عبر الولايات المتحدة على مدى فترة من الانخفاضوانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة. علوم البيئة والتكنولوجيا 49، 186-195 (2015). 76. يوي، إكس. وأونجر، ن. نموذج ييل التفاعلي للغلاف الحيوي الأرضي الإصدار 1.0: الوصف، التقييم والتنفيذ في نموذج NASA GISS ModelE2. تطوير نماذج علوم الأرض 8، 2399-2417 (2015). 77. هوانغ، إكس. وآخرون. تقليل تعويض التلوث الثانوي المحسن من الانبعاثات الأولية خلال إغلاق COVID-19 في الصين. مراجعة العلوم الوطنية 8، nwaa137 (2021). 78. وو، م. وآخرون. تطوير وتقييم E3SM-MOSAIC: التوزيعات المكانية وتأثيرات الإشعاع لرذاذ النترات. مجلة النمذجة المتقدمة في نظم الأرض 14، e2022MS003157 (2022). 79. زانغ، ك. وآخرون. رؤى حول الزيادة الكبيرة في الأوزون خلال COVID-19 في مدينة حضرية نموذجية في الصين. أتموس. كيم. فيز. 22، 4853-4866 (2022). 80. دوك، ر. أ. وآخرون. تأثيرات النيتروجين البشري في الغلاف الجوي على المحيط المفتوح. ساينس 320، 893-897 (2008). 81. بولوت، ف. وآخرون. الانبعاثات العالمية للأمونيا من المحيطات: قيود من ملاحظات مياه البحر والغلاف الجوي. دوريات البيوجيوكيمياء العالمية 29، 1165-1178 (2015). 82. ساونويس، م. وآخرون. الميزانية العالمية للميثان 2000-2017. بيانات علوم الأرض 12، 1561-1623 (2020). 83. شيا، ن. وآخرون. تأثيرات إضافة النيتروجين على امتصاص الميثان في التربة في النظم البيئية الغابية العالمية. تلوث البيئة 264، 114751 (2020). 84. لي، ق.، بينغ، ج.، تشانغ، ج.، لي، ي. وسونغ، إكس. إضافة النيتروجين تقلل من امتصاص الميثان الناتج عن عدم التوازن بين الميثانوتروف والميثانوجين في غابة الخيزران موسو. تقارير العلوم 11، 5578 (2021). 85. سونغ، و.، ليو، إكس.، هولتون، ب. ز. وليو، سي. القيود النظيرية تؤكد الدور الهام لانبعاثات أكاسيد النيتروجين الميكروبية من البيئة البرية والمحيطية. مراجعة العلوم الوطنية 9، nwac106 (2022). 86. بيان، هـ. وآخرون. تحقيق في النترات الجزيئية العالمية من تجربة أيرو كوم المرحلة الثالثة. الكيمياء الجوية والفيزياء 17، 12911-12940 (2017). 87. أن، ق. وآخرون. تطوير نموذج للغلاف الجوي للهباء الجوي/كيمياء المناخ، BCC_AGCM_CUACE2.0 ومحاكاة التأثير الإشعاعي الفعال للهباء الجوي النيتري. مجلة النمذجة المتقدمة في أنظمة الأرض 11، 3816-3835 (2019). 88. فورستر، ب. وآخرون في تغير المناخ 2021: الأساس العلمي الفيزيائي (تحرير ماسون-دلموت، ف. وآخرون) 923-1054 (مطبعة جامعة كامبريدج، 2021). 89. زافيري، ر. أ. وآخرون. تطوير وتقييم نموذج الكيمياء-الهباء الجوي-المناخ CAM5-Chem-MAM7-MOSAIC: التوزيع الجوي العالمي وتأثيرات الإشعاع للهباء الجوي النيتري. مجلة النمذجة المتقدمة في أنظمة الأرض 13، e2020MSOO2346 (2021). 90. شولت-أويبنج، ل. ف.، روس، ج. هـ. ودي فريس، و. تظهر الأدلة التجريبية مساهمة ضئيلة لإيداع النيتروجين في احتجاز الكربون العالمي في الغابات. تغير المناخ العالمي 28، 899-917 (2022). 91. كوو-جيزبريشت، س. وآخرون. تقييم دورة النيتروجين في نماذج الغلاف الحيوي الأرضي: انفصال بين دورتي الكربون والنيتروجين. ديناميات نظام الأرض 14، 767-795 (2023). 92. وانغ، ي. & ماير، ت. ج. طريق نحو الطاقة المتجددة التي أثارها عملية هابر-بوش. كيم 5، 496-497 (2019). 93. بينغ، ي.، تشين، هـ. ي. هـ. ويانغ، ي. نمط عالمي ومحركات عتبة تشبع النيتروجين لإنتاجية المراعي. إيكولوجيا وظيفية 34، 1979-1990 (2020). 94. هو، ن. وآخرون. الأنماط العالمية لتشبع النيتروجين في الغابات. مسودة مسبقة فيhttps://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3559857/v1 (2023). 95. شولت-أويبنج، ل. ف.، بيوسن، أ. هـ. و.، بومان، أ. ف. ودي فريز، و. من الحدود الكوكبية إلى الحدود الإقليمية لتلوث النيتروجين الزراعي. ناتشر 610، 507-512 (2022). 96. موغولون، ج. م. وآخرون. تقييم المدخلات المستقبلية من النيتروجين التفاعلي في الأراضي الزراعية العالمية بناءً على المسارات الاجتماعية والاقتصادية المشتركة. رسائل البحث البيئي 13، 044008 (2018). 97. أونجر، ن.، شيندل، د. ت.، كوتش، د. م. و ستريتس، د. ج. التأثير الإشعاعي لتلوث الهواء من قطاعات انبعاثات محددة في عام 2030. مجلة أبحاث الغلاف الجوي.https://doi.org/10.1029/2007jd008683 (2008). 98. تشين، ي. ج. وآخرون. التحقيق في الاعتماد الخطي للتأثير الإشعاعي المباشر وغير المباشر على انبعاث الهباء الجوي الكربوني في نموذج مناخ عالمي. مجلة أبحاث الجيوفيزياء: الغلاف الجوي 123، 1657-1672 (2018). 99. غونغ، سي. بيانات لـ ‘التأثيرات المناخية العالمية الصافية للنيتروجين التفاعلي الناتج عن الأنشطة البشرية’. زينودو 10.5281/zenodo. 10032973 (2024). 100. غونغ، سي. نصوص لـ ‘التأثيرات المناخية العالمية للشبكة الناتجة عن النيتروجين التفاعلي الناتج عن الأنشطة البشرية’. زينودوhttps://doi.org/10.5281/zenodo. 11179127 (2024). 101. مينهاوزن، م. وآخرون. تركيزات غازات الدفيئة التاريخية لنمذجة المناخ (CMIP6). تطوير نماذج علوم الأرض 10، 2057-2116 (2017).
الشكر والتقدير C.G. و S.Z. يعترفان بالدعم من برنامج المفوضية الأوروبية H2O2O (رقم المنحة 101003536؛ ESM2O25). H.T. و N.P. يعترفان بدعم التمويل من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (رقم المنحة 1903722) ومشروع USDA CBG لا. TENX12899. يقر S.P. بدعم التمويل من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (رقم المنحة 1922687) ووزارة الخزانة الأمريكية (رقم المنحة DISL-MESC-ALCOE-06). يقر A.I. بالدعم من JSPS KAKENHI (رقم المنحة 21HO5318). يتم دعم Q.Z. من خلال تقليل عدم اليقين في التفاعلات البيوجيوكيميائية من خلال التركيب والحساب (RUBISCO) منطقة التركيز العلمي، مكتب الأبحاث البيولوجية والبيئية في مكتب العلوم بوزارة الطاقة الأمريكية. يشكر C.G. و S.Z. D. Olivié وزملاءه على المساعدة في البناءنموذج الصندوقhttps://zenodo.org/records/5293940) .
مساهمات المؤلفين: صمم C.G. و S.Z. الدراسة. قام C.G. بإجراء محاكاة GEOS-Chem وتحليل البيانات. ساعد H.L. في محاكاة GEOS-Chem. قاد H.T. و N.P. و S.P. مشاريع NMIP2. ساهم H.T. و N.P. و S.P. و A.I. و A.K.J. و S.K.-G. و F.J. و Q.S. و H.S. و N.V. و Q.Z. و C.P. و F.M. و F.H.M.T. و S.Z. معًا في محاكاة نماذج الغلاف الحيوي الأرضي في NMIP2. كتب C.G. و S.Z. المخطوطة. ساهم جميع المؤلفين في مراجعة أو تحرير المخطوطة.
تمويل الوصول المفتوح المقدم من قبل جمعية ماكس بلانك.
المصالح المتنافسة يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.
معلومات إضافية
معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على مواد إضافية متاحة فيhttps://doi.org/10.1038/s41586-024-07714-4. يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى تشينغ غونغ. تُعرب مجلة Nature عن شكرها لكلاوس باتر باخ-باهل، وديفيد بيلستر، والمراجعين الآخرين المجهولين، على مساهمتهم في مراجعة هذا العمل. تقارير مراجعي الأقران متاحة. معلومات إعادة الطباعة والتصاريح متاحة علىhttp://www.nature.com/reprints.
دون تأثير تغيير استخدام الأراضي (LUC)، على التوالي. كما تم تقديم معامل الارتباط (R) والانحياز المتوسط (MB) للنتيجة السنوية للنيتروجين الصافي بين مجموعة NMIP2 وGCP2021.
الشكل 1 من البيانات الموسعة | مقارنة تقديرات الإنتاجية البيئية الصافية (NBP) من مجموعة NMIP2 ومشروع الكربون العالمي (GCP2021). تمثل الخطوط الصفراء والرمادية NBP لمجموعة NMIP2 و GCP2021تقدير، على التوالي. و عرض السلاسل الزمنية مع و
الشكل البياني الموسع 2 | العبء العالمي المحاكى للمركبات الجوية قصيرة العمر. عبء العمود لـرذاذ الأمونيومرذاذ النترات و e-fفي تجارب CTRL_2019 و No_allNr تم إعطاؤها، على التوالي. الـ
تم تجميع عبء العمود لكل مركب على طول العمود الجوي بالكامل في GEOS-Chem استنادًا إلى التركيزات السنوية المتوسطة.
الشكل البياني الموسعأنماط عالمية من الأنشطة البشرية و الانبعاثات. أ-د الانبعاثات و الانبعاثات في تجارب الحساسية CTRL_2019 و No_allNr و No_agriNr و No_nonagriNr، على التوالي،
يتم عرضها. العنوان الفرعي لكل لوحة يعطي إجمالي الانبعاثات العالمية في عام 2019.
الشكل 4 من البيانات الموسعة | تطور المدخلات البشرية العالمية من النيتروجين في سيناريوهات SSP المستقبلية. تشير الحروف a-e إلى التغيرات في المدخلات البشرية من النيتروجين الناتجة عن ترسيب النيتروجين، والوقود الأحفوري.الوقود الأحفوري، تطبيقات السماد والمواد الغذائية، على التوالي. بالنسبة لكل سيناريو SSP، كانت عوامل النطاق السنوية محسوبة بواسطة نسب النيتروجين البشري المستقبلي إلى مستويات عام 2019، كما هو موضح بواسطة الخطوط الأرجوانية المتقطعة. بيانات ترسيب النيتروجين والوقود الأحفوري مأخوذة من input4MIPs.https://esgf-data.dkrz.de/projects/input4mips-dkrz/). يتم الحصول على توقعات السماد والأسمدة من موغولون وآخرون. .
مقالة
الشكل البياني الموسععالمي و تركيزات خلال 1850-2019 استنادًا إلى نماذج الصناديق.تركيز؛ و التركيز. تشير النقاط السوداء إلى السنوي التاريخي و تركيزات، كما لوحظ من نوى الجليد، والثلج المتراكم، والقياسات الجوية. خطوط مع تمثل الألوان المختلفة السيناريوهات المختلفة لـ SSP. تشير قيم التركيز إلى التركيز العالمي المتوسط في عام 2019 المستمد من نماذج الصندوق.
الشكل التوضيحي 6 | ملخص سير العمل لهذه الدراسة. صلب تشير الأسهم السوداء إلى الطرق الرئيسية أو البيانات، كما هو موضح في الطرق. تشير الأسهم الحمراء المتقطعة إلى تحليل عدم اليقين والحساسيات المرتبطة بـ الضغط الإشعاعي (انظر النص SI S1). الأشكال الرئيسية في هذه الدراسة مميزة وفقًا لمؤشرات الأشكال. تم إنشاء هذا الشكل باستخدامبايو ريندر.كوم.
العالمي و يتم اشتقاق الانبعاثات من خلال دمج مجموعات CEDS و NMIP2. تركيزات الغلاف الجوي من و يتم استرجاعها بواسطة نماذج الصندوق. CTRL_2019 يُنسب الانبعاث إلى المصادر الزراعية.
الجدول البياني الموسع 2 | تكوينات التجارب في NMIP2
اسم التجربة
سماد
سماد
ترسيب النيتروجين
الري
تغيرات استخدام الأراضي
المناخ
SH0
1850
1850
1850
1850
1850
1850
1901-1920
SH1
ت
ت
ت
ت
ت
ت
ت
SH2
1850
ت
ت
ت
ت
ت
ت
SH3
ت
1850
ت
ت
ت
ت
ت
SH4
ت
ت
1850
ت
ت
ت
ت
SH5
ت
ت
ت
1850
ت
ت
ت
SH6
ت
ت
ت
ت
1850
ت
ت
SH7
ت
ت
ت
ت
ت
1850
ت
SH8
ت
ت
ت
ت
ت
ت
1901-1920
SH11
1850
1850
ت
1850
1850
ت
ت
SH12
1850
1850
ت
1850
ت
ت
ت
نسبة العوامل في هذه الدراسة
SH1-SH2
SH1-SH3
SH1-SH4
SH1-SH5
SH12-SH11
SH1-SH7
SH1-SH8
تشير الحرف “T” إلى تغيير عابر كما هو موضح في بيانات القوة من 1850 إلى 2020. تشير 1850 أو 1901-1920 إلى أن القوة المقابلة كانت ثابتة في هذا العام أو الفترات الزمنية. تم تكرار المناخ بين 1850-1900 بواسطة 1901-1920 لجميع التجارب بسبب نقص البيانات. تشير الصف الأخير من الجدول إلى كيفية حساب المساهمة العاملية لكل عامل في هذه الدراسة من الفروق بين التجارب المقابلة.
البيانات الموسعة الجدول 3 | ملخص لنماذج الغلاف الحيوي الأرضي الثمانية في NMIP2 المستخدمة في هذه الدراسة
(3)
(6)
(8)
NBP (8)
التجارب المفقودة
كلاسيكي
لا SH2,4,5
دلم
إلم
لا SH2
إسلام
(مستبعد)
لا SH5
LPX-برن
(مستبعد)
لا SH2,5,12
OCN
لا SH5,11,12
أوركيد
لا SH5
زيارة
فشلت بعض النماذج في إنهاء جميع التجارب، كما هو موضح في العمود الأخير. تم استبعاد تطاير الأمونيا من التربة لنموذج LPX-Bern من دمج NMIP2 و CEDS لأنه فشل في إظهار مساهمات العوامل. التربةتم استبعاد الانبعاثات التي تم محاكاتها بواسطة ISAM أيضًا بسبب الحجم المرتفع بشكل غير معقول. تم الإشارة إلى عدد النماذج التي استخدمناها أخيرًا لتشغيل نموذج GEOS-Chem للمتغير المقابل في الصف العلوي.
اسم المصادر
وصف
انبعاثات من احتراق الوقود الأحفوري. مجموع جميع القطاعاتالانبعاثات في CEDS ولكن باستثناء الزراعة
التربةالانبعاثات المستمدة من متوسط مجموعة NMIP2 SH1
انبعاثات من حرق الكتلة الحيوية استنادًا إلى فان مارل وآخرون.
بشريالانبعاثات من الأنهار، والمصبات، والمناطق الساحلية. تم افتراض زيادة خطية منإلىاستنادًا إلى ياو وآخرونوكان كاناديل.ج.ج، وآخرون.
تم إنشاؤه بواسطة الكيمياء الجوية. تم تعيينه كقيمة ثابتةوفقًا لزايل وآخرون
طبيعيانبعاثات من الأنهار، والمصبات، والمناطق الساحلية. تم تعيينها كقيمة ثابتةوفقًا لـ Canadell.J.G، وآخرون
الانبعاثات من المحيط المفتوح الطبيعي، والتي تم حسابها من خلال الفروق بين الإجماليالمصادر المطلوبة للوصول إلى التوازن عند 273.2 ppbv في نموذج الصندوق (المعادلة 2) ومجموع المصادر الأخرى في عام 1850. تم تعيينها كـفي هذه الدراسة
معهد ماكس بلانك لعلوم الكيمياء الحيوية، يينا، ألمانيا.مركز علوم نظام الأرض والاستدامة العالمية، معهد شيلر للعلوم المتكاملة والمجتمع، كلية بوسطن، تشيستنت هيل، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية.قسم علوم الأرض والبيئة، كلية بوسطن، تشستنت هيل، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية.كلية علوم البيئة والهندسة، جامعة نانجينغ لعلوم المعلومات والتكنولوجيا، نانجينغ، الصين.المركز الدولي لأبحاث المناخ والتغير العالمي، كلية الغابات والحياة البرية والبيئة، جامعة أوبورن، أوبورن، ألاباما، الولايات المتحدة الأمريكية.قسم الهندسة ودراسات البيئة، كلية بوسطن، تشستنت هيل، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية.كلية الدراسات العليا للعلوم الزراعية والحياتية، جامعة طوكيو، طوكيو، اليابان.قسم نظام الأرض، المعهد الوطني للدراسات البيئية، تسوكوبا، اليابان.قسم علوم الغلاف الجوي، جامعة إلينوي، أوربانا-شامبين، أوربانا، إلينوي، الولايات المتحدة الأمريكية.قسم علوم الأرض والبيئة، جامعة دالهوزي، هاليفاكس، نوفا سكوشا، كندا.فيزياء المناخ والبيئة، معهد الفيزياء، جامعة برن، برن، سويسرا.مركز أوشجر لبحوث تغير المناخ، جامعة برن، برن، سويسرا.المختبر الوطني الرئيسي لعلم البيئة الحضرية والإقليمية، مركز أبحاث العلوم البيئية الإيكولوجية، الأكاديمية الصينية للعلوم، بكين، الصين.مختبر علوم المناخ والبيئة، LSCE-IPSL (CEA-CNRS-UVSQ)، جامعة باريس-ساكلاي، غيف-sur-Yفيت، فرنسا.قسم علوم المناخ والنظم البيئية، مختبر لورانس بيركلي الوطني، بيركلي، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية.قسم علوم الأحياء، معهد علوم البيئة، جامعة كيبيك في مونتريال، مونتريال، كيبيك، كندا.كلية العلوم الجغرافية، جامعة هونان العادية، تشانغشا، الصين.الهندسة البيئية، كلية الهندسة المدنية
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Global net climate effects of anthropogenic reactive nitrogen
Cheng Gong , Hanqin Tian , Hong Liao , Naiqing Pan , Shufen Pan , Akihiko Ito , Atul K. Jain , Sian Kou-Giesbrecht , Fortunat Joos , Qing Sun , Hao Shi , Nicolas Vuichard , Qing Zhu , Changhui Peng , Federico Maggi , Fiona H. M. Tang & Sönke Zaehle¹
Abstract
Anthropogenic activities have substantially enhanced the loadings of reactive nitrogen ( Nr ) in the Earth system since pre-industrial times , contributing to widespread eutrophication and air pollution . Increased Nr can also influence global climate through a variety of effects on atmospheric and land processes but the cumulative net climate effect is yet to be unravelled. Here we show that anthropogenic Nr causes a net negative direct radiative forcing of in the year 2019 relative to the year 1850 . This net cooling effect is the result of increased aerosol loading, reduced methane lifetime and increased terrestrial carbon sequestration associated with increases in anthropogenic Nr, which are not offset by the warming effects of enhanced atmospheric nitrous oxide and ozone. Future predictions using three representative scenarios show that this cooling effect may be weakened primarily as a result of reduced aerosol loading and increased lifetime of methane, whereas in particular -induced warming will probably continue to increase under all scenarios. Our results indicate that future reductions in anthropogenic Nr to achieve environmental protection goals need to be accompanied by enhanced efforts to reduce anthropogenic greenhouse gas emissions to achieve climate change mitigation in line with the Paris Agreement.
Reactive nitrogen ( Nr ) in the Earth system, defined as organic and inorganic forms of nitrogen ( N ) compounds, except the dinitrogen gas ( ), has increased rapidly since the industrial revolution . This increase can be mainly attributed to emissions associated with anthropogenic fossil fuel combustion and fertilizer application . Elevated concentrations of Nr induce detrimental environmental effects , including air pollution , eutrophication of surface and near-coast water and biodiversity loss , but can also substantially influence climate. Specifically, the long-lived greenhouse gas nitrous oxide ( ) contributes to warming of the atmosphere , whereas short-lived ammonium ( ) and nitrate ( ) aerosols generated from ammonia ( ) and nitrogen oxide ( ) gases can scatter solar radiation and thereby cool the atmosphere . furthermore plays a pivotal role in various atmospheric chemical reactions, regulating the lifetimes and thus mole fractions of other gases, such as the greenhouse gases methane and ozone . Furthermore, fertilizer application and deposition of atmospheric Nr on land and ocean can alleviate N limitation in terrestrial or marine ecosystems and
facilitate carbon sequestration, thereby reducing atmospheric concentrations and exerting a cooling effect on the atmosphere (Fig.1).
So far, the net global Nr climate effect remains unclear because of the substantial variation of individual Nr -related processes across geographic regions and the timescale dependence of the climate responses to anthropogenic Nr (ref. 17). An earlier study estimated a global net radiative forcing of anthropogenic Nr of based only on literature review . Some studies, focusing on hotspots of anthropogenic Nr, such as the United States , Europe and China , have also assessed the components of the regional climate effects of anthropogenic Nr based on a literature review of the sensitivities of individual processes to anthropogenic Nr inputs. However, these assessments were constrained by their focus on present-day anthropogenic Nr levels, thus neglecting the cumulative effects of long-lived greenhouse gases since the pre-industrial era. They were also limited by the extent to which they consider spatial heterogeneity and nonlinearities between the coupled biogeochemical cycles and atmospheric lifetime of the different
Fig. 1|Pathways of anthropogenic Nr effects on global climate. Solid lines and arrows represent processes included in this study using a combination of terrestrial biosphere and atmospheric chemistry modelling. The direct radiative forcing estimates represent the climatic effects of anthropogenic Nr. The uncertainty range of each pathway is estimated on the basis of the
forcers, resulting in significant uncertainties that impede attempts to extrapolate regional estimates to globe scale.
Filling these knowledge gaps requires the integration of terrestrial biogeochemistry and atmospheric chemistry to account for the intricate transformations of Nr compounds and the resulting trade-offs in the climate impacts . Previous studies have demonstrated the effectiveness of both process-based terrestrial biosphere models and global chemical transport models separately in assessing the climate effects of specific anthropogenic Nr compounds or processes . However, most of the studies associated with terrestrial Nr fluxes only relied on a single model, whereas incorporating model uncertainty is essential for a robust assessment .
Here we present a comprehensive model framework to estimate the global net direct radiative forcing of anthropogenic Nr as well as the likely changes in radiative forcings in response to future changes of anthropogenic Nr inputs. First, we integrated anthropogenic emission inventories from the community emissions data system (CEDS) and eight terrestrial biosphere model outputs from the global nitrogen/ model inter-comparison project phase 2 (NMIP2) to quantify the historical anthropogenic Nr effects on terrestrial carbon sequestration, soil volatilization and soil and emissions. Second, we performed a series of model experiments using box models of greenhouse gases and a global chemical transport model (GEOS-Chem) coupled to a radiative transfer module (RRTMG) to estimate the global net direct radiative forcing of anthropogenic Nr associated with each of these emission sources. Finally, we estimated how the net direct radiative forcing may respond to future scenarios of anthropogenic Nr inputs.
Effects of anthropogenic Nr on emissions
We integrated results from the NMIP2 ensemble with the CEDS inventory (Methods) to comprehensively represent anthropogenic Nr effects on terrestrial carbon fluxes, and emissions (Fig. 2). Here,
1 standard deviation across the NMIP2 ensemble members as well as the uncertainties in atmospheric chemistry (Supplementary Information Section 1.2). Orange and dark blue solid arrows on the top indicate the warming or cooling effects, respectively. The image of the tree was created using BioRender.com.
anthropogenic Nr sources were defined as the set of anthropogenic activities that directly add Nr into terrestrial ecosystems or the atmosphere, including manure and fertilizer application, N deposition, fossil fuel combustion and livestock emissions. Other anthropogenic factors in the configuration of NMIP2, for example, irrigation, land-use change (LUC), elevated and changing climate, also affect the global N cycle indirectly and thereby modify the response of the terrestrial biosphere to Nr additions. However, a robust identification of anthropogenic contributions from these indirect factors is not possible and therefore the influences of these indirect factors were not attributed to anthropogenic Nr effects in this study.
The net biome productivity (NBP) of the NMIP2 ensemble, which corresponds the terrestrial carbon balance, showed similar magnitudes and trends relative to Global Carbon Project , with the correlation coefficient of 0.94 ( 0.98 ) and mean bias of ( ) when excluding (including) the effects of LUC, respectively (Extended Data Fig. 1). Anthropogenic Nr, including fertilizer and manure applications and N deposition, increased terrestrial carbon sinks by over 2016-2020 (Fig. 2a). The emissions from both soils and fossil fuel combustion over 2016-2020 were , for which anthropogenic Nr contributed about . The NMIP2 ensemble estimates of global soil emissions induced by manure and fertilizer application, N deposition and from natural soil during 2016-2020 were , and , respectively (Fig. 2b). These estimates fall well within the uncertainty ranges of and over 2007-2016 according to the latest budget estimates .
Anthropogenic emissions during 2016-2020 reached , most of which were due to fossil fuel combustion, as derived from CEDS. The NMIP2 ensemble estimated that anthropogenic activities contributed about of the global soil emissions over 2016-2020 (Fig. 2c), the last of which was slightly higher than the recent estimates of about
Fig. 2 | Historical Nr emissions and terrestrial carbon fluxes based on CEDS inventory and NMIP2 ensemble mean. a-d, The terrestrial NBP (a), and emissions, respectively. All of the fossil fuel sources in CEDS are indicated by the pale violet bars, where as other colours indicate factor contributions based on the NMIP2 ensemble mean. The soil NH3 emissions have been scaled by the CEDS agricultural emissions (Methods). The fire
emission of each component is not included in the current NMIP2 configuration. The contributions of each factor were averaged over 1880s, 1910s, 1940s, 1970s, 2000s and 2020s with a 5-year time window, in which the direct anthropogenic Nr effects are shown with a black outline. Black lines indicate the ensemble mean annual flux of each compound and the error bars indicate 1 standard deviation among different NMIP2 members. FF, fossil fuel.
for 1980-2017 . Independent estimates of the present-day global emissions are highly uncertain with a range of (refs. 32-34). This uncertainty is also reflected in the spread of the NMIP2 ensemble (Fig. 2d and Supplementary Fig. 1), which, however, showed a consistent relative imprint of agricultural fertilizer and manure applications on the trend of global emissions from 1850 to 2019. To derive a globally consistent time evolution of the anthropogenic Nr effect on emissions for our climate assessment, we adopted a conservative estimate of total emissions of in 2019 based on CEDS inventory and applied relative contribution of anthropogenic Nr to emissions simulated by the NMIP2 ensemble (Methods).
Radiative forcing from anthropogenic Nr
We next examined the net climate effects of anthropogenic Nr by combining the box-model simulated atmospheric and concentrations and the emissions of and , in the GEOS-Chem-RRTMG model with and without accounting for the anthropogenic Nr effect (Methods). Changes in the lifetime due to the effect of changing atmospheric burden on hydroxyl radical were also calculated offline using a box model (Methods). The direct radiative forcing of anthropogenic Nr for each compound was then calculated as the difference in all-sky radiative forcing at the top of the atmosphere between present-day (here defined as 2019) and pre-industrial (here defined as 1850) times. The uncertainties were estimated on the basis of the
spread across the NMIP2 ensemble members as well as in atmospheric chemistry (Supplementary Information Section 1.2).
The net global direct radiative forcing associated with the cumulative effect of historical emissions in 2019 was estimated as (Fig. 3), for which anthropogenic Nr effects on , aerosols (including ammonium, nitrate and sulfate; Methods) and tropospheric contributed -0.12 [-0.07, -0.17 ], and , respectively. Each component generally falls within the expected uncertainty ranges relative to previous studies focusing on individual Nr components or processes (Supplementary Information Section 3 and Supplementary Table 3). The anthropogenic Nr -induced warming slightly outweighed the cooling effects by N -induced increases in terrestrial carbon sequestration, consistent with a previous study using one terrestrial biosphere model . The enhanced emissions led to a significant cooling effect through decreasing lifetime and increasing aerosol burdens, whereas the negative direct radiative forcing of aerosols was unevenly distributed and prevalent in air-polluted regions such as Northern America, Western Europe and Eastern and Southern Asia. In response to the substantial increases since pre-industrial times, present-day tropospheric was found to be enhanced across the entire simulated global grid, resulting in significant increases in global tropospheric burden from 280.1 to 325.0 Tg (Extended Data Fig. 2). This enhancement partly offsets the cooling climate effects from reduced lifetime and increased aerosol burden considering the greenhouse gas effect of .
Fig. 3 | Global direct radiative forcing in 2019 induced by anthropogenic Nr.
a-f, The contributions of , aerosols (d), and the net effect (f) (that is, sum of a-e) were derived in the GEOS-Chem-RRTMG model by calculating differences in all-sky top-of-atmosphere radiative forcing between CTRL_2019 and No_allNr experiments. The radiative forcing of aerosols is the sum of the direct radiative forcing contributed by ammonium, nitrate and sulfate aerosols. Numbers in parentheses represent the global area-weighted
Splitting agricultural and other sources
To better understand the anthropogenic Nr climate effect, we further isolated the effects of agricultural and non-agricultural activities (Methods). Here, the soil emissions attributed to fertilizer and manure application were considered as agricultural sources whereas fossil fuel combustion and soil emissions attributed to changes in N deposition were regarded as non-agricultural sources. Attributing all the N deposition as non-agricultural sources omits the effect of N deposition on agricultural fluxes
averages, whereas numbers in the brackets indicate the uncert ainty ranges based on sensitivity experiments with GEOS-Chem-RRTMG using standard deviation among NMIP2 ensembles as well as uncertainty in OH and concentrations (Supplementary Information Section 1.2). Note the Nr effects onglobal and are assumed to be evenly distributed, so that the patterns of these three greenhouse gases are mostly determined by other forcing agents, including the distribution of clouds.
but this effect will be comparatively small given the much lower N deposition rates compared to agricultural fertilizer application (Fig. 2).
Figure 4a showed that the net climate effects derived from agricultural and non-agricultural sources were comparable (-0.19 [-0.03, and , respectively). For the agricultural sources, the net cooling effect was dominated by the direct aerosol effect, which could be attributed to the agricultural emissions, whereas the Nr effects of uptake and emissions on the global radiative forcing compensated each other, in agreement with
Fig. 4 | Global direct radiative forcing associated with anthropogenic Nr from agricultural and non-agricultural sources. a, The direct radiative forcing values are based on differences of sensitivity experiments between CTRL_2019 and No_agriNr or No_nonagriNr, respectively. The radiative forcing of aerosols is the sum of the direct radiative forcing contributed by ammonium, nitrate and sulfate aerosols. Uncertainty bars were derived from GEOS-Chem
runs forced with ensemble mean standard deviation in the NMIP2 ensemble and the associated sensitivities of radiative forcing to Nr changes (Supplementary Information Section 1.3). b, Spatial variation of the direct forcing effect, estimated as 1 standard deviation of direct radiative forcing across the global simulated grid.
previous studies . Conversely, emissions emitted from fossil fuel combustion dominated the net cooling effects of non-agricultural sources. Higher atmospheric burden not only induced a higher nitrate aerosol burden but also significantly decreased the atmospheric mole fraction of through increasing atmospheric OH . The warming effect of non-agricultural was amplified by the synchronous decline in atmospheric because of their interactions in the radiative transfer . We quantified this unmasking effect on the radiative forcing by decreasing using a sensitivity experiment with GEOS-Chem-RRTMG (Extended Data Table 1) as a decrease in the non-agricultural radiative forcing from +0.11 to + .
Because of the large difference in lifetimes between long-lived greenhouse gases (such as and ) and short-lived reactive gases (such as and ), regional differences in the emissions matter more for the short-lived gases. As a result, the strength of the regional anthropogenic Nr climate effects shows large spatial variations (Figs. 3 and 4b). In particular, the aerosol effects tend to be strong in regions with high levels of air pollution, such as India and eastern China but show negligible radiative forcing on open ocean because of their short lifetime and limited atmospheric transport.
It should be noted that the radiative forcings attributed to agricultural and non-agricultural Nr are affected by the nonlinearity in the chemistry of aerosol formation, which results in a somewhat stronger net cooling effect from the sum of the individual effects ( ) compared to the combined estimate ( in Fig. 3f). The direct radiative forcing of nitrate aerosol is not only weakened with substantial reductions in the no_nonagriNr experiment but also reduced by the decline in the ammonium nitrate aerosol associated with significant emission reduction in the no_agriNr experiment (Methods; Extended Data Fig. 3 and Supplementary Table 5). The reduction further affects the concentrations of atmospheric oxidants such as and OH and reduces the formation of sulfate aerosol in no_nonagriNr experiment (Supplementary Table 5; Methods). Nevertheless, this nonlinearity in aerosol chemistry does not influence the ranking or overall magnitude of the factors by which Nr influences radiative forcing.
Scenarios of future Nr climate effects
To illustrate the likely consequences of potential future changes in anthropogenic Nr , we next use the understanding gained in the previous section in a simplified analysis using three representative scenarios from the shared socioeconomic pathways (SSPs; Methods). The SSP 1-2.6 assumes an ‘Nr cleaner’ scenario with strong reduction in fossil-fuel-based emission but relatively unchanged magnitudes of fertilizer and manure application to meet global food demands (Extended Data Fig. 4). These Nr-related emissions changes lead to a net warming effect of by the 2050s relative to 2019 dominated by the increased lifetime and a decreased direct aerosol effect (Fig. 5a). In the SSP 3-7.0 scenario, the future global total fossil fuel sources of Nr remain close to the 2019 level, resulting in similar magnitude of global aerosol forcing but potentially various trends among different regions. Enhanced fertilizer and manure applications increase emissions and lead to a stronger warming effect of in the 2050s relative to 2019, which is compensated by the cooling effects of increased aerosol loadings ( enhancement in 2050s relative to 2019) and enhanced terrestrial carbon sequestration ( enhancement in the 2050 s relative to 2019 ). However, bounding assumptions on the magnitude of N saturation (Supplementary Information Section 2.1 and Supplementary Fig. 4) suggest that carbon sequestration effect might be overestimated by about . Finally, the SSP 5-8.5 scenario predicts a generally unchanged level of anthropogenic Nr compared to 2019, thus compensating changes in climate forcing. These results imply that stronger reductions in greenhouse gases emissions are required accompanied by the ‘clean-Nr’ scenario to achieve both environmental benefits and climate change mitigation.
The magnitude of the estimated radiative forcing is associated with uncertainties in each individual compound or process (Supplementary Information Section 2) but also the unavoidable ambiguity in defining the scope of anthropogenic impacts. Here we adapted a straightforward but conservative definition with only direct Nr inputs by anthropogenic activities. However, other human-induced factors, such as elevated and LUC, as well as the climate change and associated impacts (for
Fig. 5 | Global direct radiative forcings induced by future scenarios of anthropogenic Nr.a-c, Global direct radiative forcing relative to pre-industrial concentrations (1850) in response to changes in anthropogenic Nr inputs following SSP 1-2.6(a), SSP 3-7.0(b) and SSP 5-8.5(c) scenarios. The net changes
in radiative forcing are shown as solid orange lines. The dashed purple lines indicate no direct radiative forcing change relative to pre-industrial times. The error bars were calculated by the percentage ranges in direct radiative forcing derived from the historical estimates (Supplementary Information Section 1.3).
example, wildfire) can have substantial impacts on biogeochemical cycling, including , water and N cycles, thus making it challenging to unambiguously identify the contributions from anthropogenic Nr. Although these indirect effects might amplify the overall climate effects of anthropogenic Nr, the NMIP2-ensemble simulations suggest that these effects on the C or N cycle are not as significant as the overall direct anthropogenic Nr effect.
In this study, several processes, including the influences of aerosols or on terrestrial carbon fluxes, aerosol-cloud interactions, N addition effects on soil uptakes and N fertilization on marine biogeochemistry were not included because of the likely small effect on climate or uncertainty to quantify the global effect (Supplementary Information Section 2.5). For the effects we examined in this study, on the one hand, the future cooling due to uptake on land may be overestimated in our study because we omit the contribution of fossil-fuel-based emissions from N fertilizer production by the Haber-Bosch method and, more importantly, terrestrial ecosystems exposed to high chronic N additions may become N saturated within the next few decades and contribute less to terrestrial C storage (Supplementary Information Section 2.1). Uncertainties also remain in quantifying soil and emissions (Supplementary Information Sections 2.2 to 2.4). On the other hand, the negative radiative forcing of nitrate aerosol may be overestimated, as the GEOS-Chem model tends to overestimate nitrate aerosol concentrations . Furthermore, changes in can further influence the formation of organic aerosols by altering atmospheric oxidation capacity and aerosol yields , which are not examined in this study given the large uncertainty in simulating corresponding chemical processes. To reduce uncertainties and gain a more comprehensive understanding of potential feedbacks, the development of more integrative Earth system models including key interactions among processes of terrestrial and marine biogeochemistry, atmospheric chemistry, climate dynamics and radiative processes would be required.
Comprehensively assessing the global climate effects of anthropogenic Nr has been challenging for decades considering the complexity in atmospheric physical and chemical processes as well as the terrestrial biogeochemical cycles. Bringing together biosphere and atmospheric chemistry modelling, our results contribute to a clearer picture that at present the combined effects from short-lived and long-term Nr-related climate forcers is a global net cooling with strong regional variations. The enhanced consistency allows us to estimate the net radiative forcing of anthropogenic Nr at , which improves the robustness relative
to the only other available estimate based on literature review alone ( ) (ref.18). Future reductions in anthropogenic Nr will likely weaken this net cooling effect mainly through a reducing atmospheric aerosol burden and an increased lifetime, whereas the future effect of warming from fertilizer-induced emissions will remain or even increase. Our findings thus imply that to alleviate the negative environmental effects of Nr without larger rates of climate change, stronger reductions in the emission of greenhouse gases and need to be implemented concurrently with Nr reductions.
Online content
Any methods, additional references, Nature Portfolio reporting summaries, source data, extended data, supplementary information, acknowledgements, peer review information; details of author contributions and competing interests; and statements of data and code availability are available at https://doi.org/10.1038/s41586-024-07714-4.
Fowler, D. et al. The global nitrogen cycle in the twenty-first century. Phil. Trans. R. Soc. B 368, 20130164 (2013).
Gruber, N. & Galloway, J. N. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle. Nature 451, 293-296 (2008).
Galloway, J. N. et al. Transformation of the nitrogen cycle: recent trends, questions and potential solutions. Science 320, 889-892 (2008).
Bodirsky, B. L. et al. Reactive nitrogen requirements to feed the world in 2050 and potential to mitigate nitrogen pollution. Nat. Commun. 5, 3858 (2014).
Liu, M. et al. Ammonia emission control in China would mitigate haze pollution and nitrogen deposition, but worsen acid rain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116, 7760-7765 (2019).
Dodds, W. K. & Smith, V. H. Nitrogen, phosphorus and eutrophication in streams. Inland Waters 6, 155-164 (2016).
Humbert, J. Y., Dwyer, J. M., Andrey, A. & Arlettaz, R. Impacts of nitrogen addition on plant biodiversity in mountain grasslands depend on dose, application duration and climate: a systematic review. Glob. Change Biol. 22, 110-120 (2016).
Stocker, B. D. et al. Multiple greenhouse-gas feedbacks from the land biosphere under future climate change scenarios. Nat. Clim. Change 3, 666-672 (2013).
Zaehle, S., Ciais, P., Friend, A. D. & Prieur, V. Carbon benefits of anthropogenic reactive nitrogen offset by nitrous oxide emissions. Nat. Geosci. 4, 601-605 (2011).
Hauglustaine, D. A., Balkanski, Y. & Schulz, M. A global model simulation of present and future nitrate aerosols and their direct radiative forcing of climate. Atmos. Chem. Phys. 14, 11031-11063 (2014).
Thornhill, G. D. et al. Effective radiative forcing from emissions of reactive gases and aerosols-a multi-model comparison. Atmos. Chem. Phys. 21, 853-874 (2021).
Peng, S. et al. Wetland emission and atmospheric sink changes explain methane growth in 2020. Nature 612, 477-482 (2022).
Lu, X. et al. The underappreciated role of agricultural soil nitrogen oxide emissions in ozone pollution regulation in North China. Nat. Commun. 12, 5021 (2021).
Reay, D. S., Dentener, F., Smith, P., Grace, J. & Feely, R. A. Global nitrogen deposition and carbon sinks. Nat. Geosci. 1, 430-437 (2008).
Fleischer, K. et al. The contribution of nitrogen deposition to the photosynthetic capacity of forests. Glob. Biogeochem. Cycles 27, 187-199 (2013).
Derwent, R. G. et al. Radiative forcing from surface emissions: spatial and seasonal variations. Clim. Change 88, 385-401 (2008).
Allen, M. R. et al. New use of global warming potentials to compare cumulative and short-lived climate pollutants. Nat. Clim. Change 6, 773-776 (2016).
Erisman, J. W., Galloway, J., Seitzinger, S., Bleeker, A. & Butterbach-Bahl, K. Reactive nitrogen in the environment and its effect on climate change. Curr. Opin. Environ. Sustain. 3, 281-290 (2011).
Pinder, R. W. et al. Climate change impacts of US reactive nitrogen. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 7671-7675 (2012).
Butterbach-Bahl, K. et al. in The European Nitrogen Assessment: Sources, Effects and Policy Perspectives (eds Bleeker, A. et al.) 434-462 (Cambridge Univ. Press, 2011).
Shi, Y., Cui, S., Ju, X., Cai, Z. & Zhu, Y. Impacts of reactive nitrogen on climate change in China. Sci. Rep. 5, 8118 (2015).
Gong, C., Kou-Giesbrecht, S. & Zaehle, S. Anthropogenic-driven perturbations on nitrogen cycles and interactions with climate changes. Curr. Opin. Green Sustain. Chem. 46, 100897 (2024).
Martin, S. T. et al. Effects of the physical state of tropospheric ammonium-sulfatenitrate particles on global aerosol direct radiative forcing. Atmos. Chem. Phys. 4, 183-214 (2004).
Ma, R. et al. Data-driven estimates of fertilizer-induced soil and emissions from croplands in China and their climate change impacts. Glob. Change Biol. 28, 1008-1022 (2022).
Li, J. et al. Spatiotemporal variability of fire effects on soil carbon and nitrogen: a global meta-analysis. Glob. Change Biol. 27, 4196-4206 (2021).
Arneth, A. et al. Terrestrial biogeochemical feedbacks in the climate system. Nat. Geosci. 3, 525-532 (2010).
Meyerholt, J., Sickel, K. & Zaehle, S. Ensemble projections elucidate effects of uncertainty in terrestrial nitrogen limitation on future carbon uptake. Glob. Change Biol. 26, 3978-3996 (2020).
Tian, H. et al. Global nitrous oxide budget 1980-2020. Earth Syst. Sci. Data Discuss. 2023, 1-98 (2023).
Friedlingstein, P. et al. Global carbon budget 2021. Earth Syst. Sci. Data 14, 1917-2005 (2022).
Tian, H. et al. A comprehensive quantification of global nitrous oxide sources and sinks. Nature 586, 248-256 (2020).
Weng, H. et al. Global high-resolution emission of soil , sea salt aerosols and biogenic volatile organic compounds. Sci. Data 7, 148 (2020).
McDuffie, E. E. et al. A global anthropogenic emission inventory of atmospheric pollutants from sector- and fuel-specific sources (1970-2017): an application of the Community Emissions Data System (CEDS). Earth Syst. Sci. Data 12, 3413-3442 (2020).
Evangeliou, N. et al. 10-year satellite-constrained fluxes of ammonia improve performance of chemistry transport models. Atmos. Chem. Phys. 21, 4431-4451 (2021).
Luo, Z. et al. Estimating global ammonia ( ) emissions based on IASI observations from 2008 to 2018. Atmos. Chem. Phys. 22, 10375-10388 (2022).
Liu, L. et al. Exploring global changes in agricultural ammonia emissions and their contribution to nitrogen deposition since 1980. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 119, e2121998119 (2022).
Etminan, M., Myhre, G., Highwood, E. J. & Shine, K. P. Radiative forcing of carbon dioxide, methane and nitrous oxide: a significant revision of the methane radiative forcing. Geophys. Res. Lett. 43, 12614-12623 (2016).
Li, F. et al. Global water use efficiency saturation due to increased vapor pressure deficit. Science 381, 672-677 (2023).
Zhang, L. et al. Nitrogen deposition to the United States: distribution, sources and processes. Atmos. Chem. Phys. 12, 4539-4554 (2012).
Travis, K. R. et al. Why do models overestimate surface ozone in the Southeast United States? Atmos. Chem. Phys. 16, 13561-13577 (2016).
Dutta, I. & Heald, C. L. Exploring deposition observations of oxidized sulfur and nitrogen as a constraint on emissions in the United States. J. Geophys. Res. Atmos. 128, e2023JD039610 (2023).
Kroll, J. H., Ng, N. L., Murphy, S. M., Flagan, R. C. & Seinfeld, J. H. Secondary organic aerosol formation from isoprene photooxidation. Environ. Sci. Technol. 40, 1869-1877 (2006).
Ng, N. L. et al. Effect of level on secondary organic aerosol (SOA) formation from the photooxidation of terpenes. Atmos. Chem. Phys. 7, 5159-5174 (2007).
Ng, N. L. et al. Secondary organic aerosol formation from m -xylene, toluene and benzene. Atmos. Chem. Phys. 7, 3909-3922 (2007).
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
(c) The Author(s) 2024
Methods
A summary for the data and methods in this study is given in Extended Data Fig. 6. Here we introduce each part in detail.
NMIP2 multimodel dataset
The NMIP2 ensemble included eight terrestrial biosphere models with comprehensive descriptions of terrestrial carbon and nitrogen cycles, driven by harmonized climate, land use and nitrogen cycle drivers. Each NMIP2 member provided data at a spatial resolution of from 11 transient, factorial simulations (Extended Data Table 2) to disentangle the contributions of N fertilizer use, manure application, N deposition, irrigation, elevation and climate changes from pre-industrial times (1850) to present day (2020). Climate data were generated from CRU-JRA55 6-h forcing ; historical concentrations were derived from ice core data and NOAA annual observations. Anthropogenic Nr deposition was generated by international global atmospheric chemistry/stratospheric processes and their role in climate chemistry-climate model initiative (https://www.sparc-climate. org/activities/ccm-initiative/). Nitrogen fertilizer and manure application data were specially generated for NMIP2 based on high-resolution ( 5 arcmin ) harmonized data on the history of anthropogenic nitrogen inputs . Land use changes were generated from land-use harmonization 2 project , surveys by the International Fertilizer Industry Association and the Food and Agricultural Organization and the Global Livestock Impact Mapping System. For more details on NMIP2 configuration and input data, refer to refs. 28,48. To calculate the ensemble mean, we used output from eight models for NBP and but could only rely on six models for soil and three for soil emissions, respectively (Extended Data Table 3).
CEDS inventory
The CEDS inventory was generated by integrating existing global, regional and country-specific inventories with a consistent and reproducible methodology, representing monthly grid-level anthropogenic emissions of chemically reactive gases (for example, carbon monoxide ( CO ), , sulfur dioxide and non-methane volatile organic compounds), carbonaceous aerosols (black carbon and organic carbon) and greenhouse gases ( and ) from 1750 to present day (updating to the latest year) . For each gas or aerosol, the anthropogenic emissions were divided into eight sectors, including non-combustion agricultural, energy transformation and extraction, industrial combustion, residential, international shipping, solvents, transportation and waste disposal. Here we accessed the CEDS data from a postprocessed version by GEOS-Chem support team, which made several modifications to fit the GEOS-Chem configurations (http://wiki.seas.harvard.edu/geos-chem/index.php/CEDS_ anthropogenic_emissions).
Integration of Nr emission data
The effect of anthropogenic fertilization, manure application, N deposition, irrigation, elevation and climate changes on simulations of NBP, and in the NMIP2 ensemble are quantified on the basis of the differences among a series of sensitivity experiments (Extended Data Table 2). The contribution of LUC is quantified by the difference between the SH12 and SH11 experiment (rather than differences between SH1 and SH6) to avoid the confounding effects from changes in fertilizer and manure application. and NBP fluxes are accessible for all of the eight NMIP2 members, whereas the flux is only available with CLASSIC, OCN and ORCHIDEE (Extended Data Table 3).
The emission estimate of by the NMIP2 ensemble, which accounts for agricultural soil emissions but not those emissions from livestock manure, is close to the CEDS agricultural emissions ( ) for the year 2019. However, the large
intermodel variability (Supplementary Fig. 1d) makes the direct use of these simulations to quantify the anthropogenic effect susceptible to biases in individual models. Therefore, we retained the original CEDS agricultural emission in this study and attribute soil emission changes by first applying a fixed ratio ( ) on the total agricultural emissions in 2019, whereas the rest (52%) is led by livestock according to ref. 35 and then scaling the anthropogenic Nr influence on soil emissions according to the temporal evolution of soil emissions in the NMIP2 ensemble.
Finally, we integrated the CEDS anthropogenic inventory and NMIP2 multimodel data to represent the anthropogenic Nr emissions. Anthropogenic emissions from fossil fuel combustion were taken as the sum of all sectors in CEDS inventory, except for the agricultural emissions. Besides fossil fuel combustion and soil Nr emissions, we examined the biomass burning emissions of Nr based on ref. 49. This dataset was used to provide the historical biomass burning emissions in CMIP6 from 1850 to 2015 and showed similar magnitude and variabilities as GFED4.1 inventory in the past decades. The historical annual biomass burning emissions were used to establish box model (see below). However, because the biomass burning emissions of and showed little differences between the present day and pre-industrial period, here we neglected such differences and used the same present-day biomass burning emissions in all the GEOS-Chem experiments.
and box models
To estimate the effects of anthropogenic Nr on atmospheric concentrations, we used atmospheric box models based on the framework of ref. 9. The changes in atmospheric concentrations induced by anthropogenic Nr effects on terrestrial carbon fluxes were represented by:
where indicates changes in atmospheric concentrations (ppmv) from 1850 to 2019 because of anthropogenic Nr. The accumulated NBP induced by fertilizer and manure applications and N deposition during 1850-2019 was calculated from NMIP2 ensemble mean (Extended Data Table 2). The was following ref. 50. The partitioning constant accounting for the ocean-borne fraction of atmospheric increase was determined to be 0.61 given the historical (1850-2019) increases in the atmosphere ( 235 PgC ) and ocean ( 150 PgC ) carbon estimated from the global carbon budget .
The box model was also based on ref. 9:
where the was the annual increasing rate of atmospheric concentrations at the yr year. sources from fossil fuel (FF) combustion, soil, biomass burning (BB), anthropogenic emissions from river, estuaries and coastal zones (AREC), atmospheric chemistry, natural emissions from river, estuaries and coastal zones (NREC) as well as open ocean were summarized in Extended Data Table 4 (refs. 9,49,51,52). The was set as following ref. 9. The [ ] indicated the surface atmospheric concentrations at the yr year and was the perturbation lifetime of atmospheric , taken as 116 years (ref.52). The simulated global surface concentrations were shown in Extended Data Fig. 5a.
We used a box model described by ref. 53 to examine the effects of changes in emissions on concentrations due to changed atmospheric OH concentrations:
where [ indicated the global mean concentrations at the yr year. was the total emissions at the yr year, which was calculated by summing emissions by anthropogenic activities based on CEDS inventory, biomass burning emissions based on ref. 49 and natural sources with an estimate of . The was set as (ref. 54). The lifetime was estimated by:
where and were set as constant numbers of 120,150 and 200 years, respectively, to represent lifetime led by stratospheric loss, soil uptake and tropospheric chlorine reactions. Parameter was the lifetime due to the OH oxidation, which was calculated by:
where and were the references of lifetime and concentrations. Here we selected the year of 2005 as the reference year with of 11.17 years and of . The sensitivity factor was -0.31 following ref. and were set as 0.0042 and , respectively, following Table 4.11 of ref. 56. The emission changes in and volatile organic compounds , which included changes in anthropogenic emissions from CEDS and biomass burning emissions from ref. 49, were calculated by the differences between the yr year and the reference year (2005), respectively. The temperature effects on atmospheric loss rates were expressed by multiplying factor of (ref. 56) and changes in global surface mean temperature relative to the reference year (2005). The simulated global mean surface concentrations were shown in Extended Data Fig. 5b.
The GEOS-Chem-RRTMG model and sensitivity experiments
We used the state-of-art global three-dimensional chemical transport model GEOS-Chem (v.12.0.0) with a fully coupled hydrocarbon-aerosol chemistry mechanism to simulate and concentration and associated aerosol loadings and at a horizontal resolution of latitude longitude and a vertical resolution of 47 layers from surface to 0.1 hPa level. The photolysis rates were computed by Fast-JX scheme . Aerosol concentrations were calculated online by the ISORROPIA II package . Version two of modern era retrospective-analysis for research and application (MERRA2) assimilated meteorological data was used to drive the GEOS-Chem model. Atmospheric concentrations of the long-lived greenhouse gases , and were derived from simple atmospheric box models (see above). On the basis of the simulated concentrations of tracers, we diagnosed direct radiative forcing of Nr -related compounds using the offline RRTMG in GEOS-Chem . The annual-mean direct radiative forcing in the year 2019 was estimated from a year-long simulation after a 6 month spin-up period. In particular, GEOS-Chem fully considers the nonlinearity of inorganic aerosol chemistry, in which sulfate aerosol has higher priority than nitrate aerosol in aerosol formation when ammonia gas is limited in the atmosphere. Changes in the atmospheric loading can also affect oxidation of sulfur dioxide by perturbating atmospheric oxidants, such as and OH . As a result, the sulfate aerosol loadings could also be perturbed by changes in emissions, despite the fact that the sulfur dioxide emissions are identical in all our experiments. We thus use the sum of direct radiative forcing of
ammonium ( ), nitrate ( ) and sulfate ( ) aerosols to represent the aerosol climate effects induced by anthropogenic Nr.
We designed four sensitivity experiments to isolate the anthropogenic Nr effects on climate, in which each experiment was driven by the same meteorological forcing but with different and emissions as well as and concentrations. The and emissions in each experiment are given in Extended Data Fig. 3, whereas and concentrations were summarized in Extended Data Table 1. An extra sensitivity experiment, which followed No_nonagriNr run but assumed concentrations as in the CTRL run, was designed to quantify the effect of changes in concentrations on the radiative forcing of due to non-agricultural emission changes. We estimated the uncertainty in the radiative forcing estimates by propagating the variation across NMIP2 ensemble projections into atmospheric concentrations and thus radiative forcing. The full uncertainty analysis and uncertainty discussions are detailed in the Supplementary Information and rely on refs. 9-11,18,28,32-35,52,62-95.
Linear extrapolation of climate effects under the SSP scenarios
We extrapolated the future climate effects due to changes in anthropogenic Nr under three representative SSP scenarios (SSP 1-2.6, 3-7.0 and 5-8.5). The future fossil fuel emissions and deposition were from the input4MIPs dataset (https://esgf-data.dkrz.de/projects/input ). Future fertilizer and manure applications were based on the IMAGE predictions until . To maintain consistency in this study, the future Nr-related sources were scaled to 2019 levels for each dataset (Extended Data Fig. 4). Because the future fossil-fuel-based emission of is not included in input4MIPs, the future development of this source of was scaled to the future development of fossil-fuel-based .
To estimate the magnitude of climate effects of anthropogenic Nr under the SSP scenarios, we built a simple linear framework based on the following assumptions. (1) The change in radiative forcing of atmospheric greenhouse gas attributable to Nr -related changes was linearly related to their change in atmospheric concentrations, whereas the direct radiative forcing of short-lived gases or aerosols was linearly related to the total emissions of precursors at the corresponding year. (2) The effects of anthropogenic Nr on soil-gas fluxes were linearly determined by anthropogenic Nr addition, including both fertilizer/ manure application and N deposition. Then a simple model was established based on the GEOS-Chem diagnosed direct radiative forcing of individual compound to calculate the radiative forcing relative to 1850 :
Wherethe RF_Nr_CO , aerosol and RF_Nr_ represent the direct radiative forcing associated with anthropogenic Nr of each gas at the yr year relative to 1850. The values in 2019 were derived from the differences between CTRL_2019 and No_allNr
experiments ( and , respectively; Fig. 3). The sensitivities ( and ) of radiative forcing to greenhouse gas concentrations were derived from the other eight GEOS-Chem sensitivity experiments (Supplementary Information Section 1.3 and Supplementary Table 2).
In particular, we calculated the reduction effect as follows:
NBP , NBP and NBP represented the NBP contributed by fertilizer, manure and deposition in the yr year, which is calculated by multiplying the NMIP2 ensemble mean present-day (average of 2015-2019) contributions and the corresponding scaling factors in Extended Data Fig. 4.
The and concentrations in the yr year ( and ) were derived by the simple and box models (equation (2) and equations (3)-(5) starting from [ concentrations in CTRL_2019 experiments) and concentrations in CTRL_2019 experiments), respectively. (in box model) and (in box model) emissions from both fossil fuel combustion and anthropogenic Nr -induced soil emissions were reduced relative to emissions in 2019 with the scaling factors accordingly (Extended Data Fig. 4), whereas the other sources were kept the same as 2019.
For short-lived compounds (aerosols and ), or indicated the (or ) emissions from both fossil fuel and soil by applying the scaling factors on each sector (Extended Data Fig. 4) in the yr year.
The GEOS-Chem-RRTMG source codes can be accessed at https:// github.com/geoschem/geos-chem. Data analysis and visualization are conducted by NCL. Scripts are available at Zenodo (https://doi. org/10.5281/zenodo.11179126) .
44. Harris, I., Osborn, T. J., Jones, P. & Lister, D. Version 4 of the CRU TS monthly highresolution gridded multivariate climate dataset. Sci. Data 7, 109 (2020).
45. Tian, H. et al. History of anthropogenic nitrogen inputs (HaNi) to the terrestrial biosphere: a 5 arcmin resolution annual dataset from 1860 to 2019. Earth Syst. Sci. Data 14, 4551-4568 (2022).
46. Lu, C. & Tian, H. Global nitrogen and phosphorus fertilizer use for agriculture production in the past half century: shifted hot spots and nutrient imbalance. Earth Syst. Sci. Data 9, 181-192 (2017).
47. Hurtt, G. C. et al. Harmonization of global land use change and management for the period 850-2100 (LUH2) for CMIP6. Geosci. Model Dev. 13, 5425-5464 (2020).
48. Tian, H. et al. Global soil nitrous oxide emissions since the preindustrial era estimated by an ensemble of terrestrial biosphere models: magnitude, attribution and uncertainty. Glob. Change Biol. 25, 640-659 (2019).
49. van Marle, M. J. E. et al. Historic global biomass burning emissions for CMIP6 (BB4CMIP) based on merging satellite observations with proxies and fire models (1750-2015). Geosci. Model Dev. 10, 3329-3357 (2017).
50. Ballantyne, A. P., Alden, C. B., Miller, J. B., Tans, P. P. & White, J. W. C. Increase in observed net carbon dioxide uptake by land and oceans during the past 50 years. Nature 488, 70-72 (2012).
51. Yao, Y. et al. Increased global nitrous oxide emissions from streams and rivers in the Anthropocene. Nat. Clim. Change 10, 138-142 (2020).
52. Canadell, J. G. et al. in Climate Change 2021: The Physical Science Basis (eds MassonDelmotte, V. et al.) 673-816 (Cambridge Univ. Press, 2021).
53. Olivié, D., Höglund-Isaksson, L., Klimont, Z. & von Salzen, K. Box model for calculation of global atmospheric methane concentration. Zenodo https://doi.org/10.5281/zenodo. 5293940 (2021).
54. IPCC. AR4 Climate Change 2007: The Physical Science Basis (eds Solomon, S. et al.) (Cambridge Univ. Press, 2007).
55. IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis (eds Stocker, T. F. et al.) (Cambridge Univ. Press, 2013).
56. IPCC. Climate Change 2001: The Scientific Basis (eds Houghton, J. T. et al.) (Cambridge Univ. Press 2001).
57. Bey, I. et al. Global modeling of tropospheric chemistry with assimilated meteorology: model description and evaluation. J. Geophys. Res. Atmos. 106, 23073-23095 (2001).
58. Park, R. J., Jacob, D. J., Field, B. D., Yantosca, R. M. & Chin, M. Natural and transboundary pollution influences on sulfate-nitrate-ammonium aerosols in the United States: implications for policy. J. Geophys. Res. Atmos. https://doi.org/10.1029/2003jd004473 (2004).
59. van Donkelaar, A. et al. Global estimates of ambient fine particulate matter concentrations from satellite-based aerosol optical depth: development and application. Environ. Health Perspect. 118, 847-855 (2010).
60. Li, K. et al. Anthropogenic drivers of 2013-2017 trends in summer surface ozone in China. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116, 422-427 (2019).
61. Fountoukis, C. & Nenes, A. ISORROPIA II: a computationally efficient thermodynamic equilibrium model for aerosols. Atmos. Chem. Phys. 7, 4639-4659 (2007).
62. Heald, C. L. et al. Contrasting the direct radiative effect and direct radiative forcing of aerosols. Atmos. Chem. Phys. 14, 5513-5527 (2014).
63. Jena, C. et al. Inter-comparison of different emission inventories and associated variation in simulated surface ozone in Indian region. Atmos. Environ. 117, 61-73 (2015).
64. Ding, J. et al. Intercomparison of emission inventories over East Asia. Atmos. Chem. Phys. 17, 10125-10141 (2017).
65. Murray, L. T., Fiore, A. M., Shindell, D. T., Naik, V. & Horowitz, L. W. Large uncertainties in global hydroxyl projections tied to fate of reactive nitrogen and carbon. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 118, e2115204118 (2021).
66. Szopa, S. V. et al. in Climate Change 2021: The Physical Science Basis (eds MassonDelmotte, V. et al.) 817-922 (Cambridge Univ. Press, 2021).
67. Liu, L. & Greaver, T. L. A review of nitrogen enrichment effects on three biogenic GHGs: the sink may be largely offset by stimulated and emission. Ecol. Lett. 12, 1103-1117 (2009).
68. Zhang, X. et al. Ammonia emissions may be substantially underestimated in China. Environ. Sci. Technol. 51, 12089-12096 (2017).
69. Lessmann, M., Ros, G. H., Young, M. D. & de Vries, W. Global variation in soil carbon sequestration potential through improved cropland management. Glob. Change Biol. 28, 1162-1177 (2022).
70. Ren, J., Guo, F. F. & Xie, S. D. Diagnosing ozone- sensitivity and revealing causes of ozone increases in China based on 2013-2021 satellite retrievals. Atmos. Chem. Phys. 22, 15035-15047 (2022).
71. Steudler, P. A., Bowden, R. D., Melillo, J. M. & Aber, J. D. Influence of nitrogen-fertilization on methane uptake in temperate forest soils. Nature 341, 314-316 (1989).
72. Sitch, S., Cox, P. M., Collins, W. J. & Huntingford, C. Indirect radiative forcing of climate change through ozone effects on the land-carbon sink. Nature 448, 791-794 (2007).
73. Mercado, L. M. et al. Impact of changes in diffuse radiation on the global land carbon sink. Nature 458, 1014-1087 (2009).
74. Lombardozzi, D., Levis, S., Bonan, G. & Sparks, J. P. Predicting photosynthesis and transpiration responses to ozone: decoupling modeled photosynthesis and stomatal conductance. Biogeosciences 9, 3113-3130 (2012).
75. Simon, H., Reff, A., Wells, B., Xing, J. & Frank, N. Ozone trends across the United States over a period of decreasing and VOC emissions. Environ. Sci. Technol. 49, 186-195 (2015).
76. Yue, X. & Unger, N. The Yale Interactive terrestrial Biosphere model version 1.0: description, evaluation and implementation into NASA GISS ModelE2. Geosci. Model Dev. 8, 2399-2417 (2015).
77. Huang, X. et al. Enhanced secondary pollution offset reduction of primary emissions during COVID-19 lockdown in China. Natl. Sci. Rev. 8, nwaa137 (2021).
78. Wu, M. et al. Development and evaluation of E3SM-MOSAIC: dpatial fistributions and tadiative rffects of nitrate aerosol. J. Adv. Model. Earth Syst. 14, e2022MS003157 (2022).
79. Zhang, K. et al. Insights into the significant increase in ozone during COVID-19 in a typical urban city of China. Atmos. Chem. Phys. 22, 4853-4866 (2022).
80. Duce, R. A. et al. Impacts of atmospheric anthropogenic nitrogen on the open ocean. Science 320, 893-897 (2008).
81. Paulot, F. et al. Global oceanic emission of ammonia: constraints from seawater and atmospheric observations. Glob. Biogeochem. Cycles 29, 1165-1178 (2015).
82. Saunois, M. et al. The global methane budget 2000-2017. Earth Syst. Sci. Data 12, 1561-1623 (2020).
83. Xia, N. et al. Effects of nitrogen addition on soil methane uptake in global forest biomes. Environ. Pollut. 264, 114751 (2020).
84. Li, Q., Peng, C., Zhang, J., Li, Y. & Song, X. Nitrogen addition decreases methane uptake caused by methanotroph and methanogen imbalances in a Moso bamboo forest. Sci. Rep. 11, 5578 (2021).
85. Song, W., Liu, X., Houlton, B. Z. & Liu, C. Isotopic constraints confirm the significant role of microbial nitrogen oxides emissions from the land and ocean environment. Natl. Sci. Rev. 9, nwac106 (2022).
86. Bian, H. et al. Investigation of global particulate nitrate from the AeroCom phase III experiment. Atmos. Chem. Phys. 17, 12911-12940 (2017).
87. An, Q. et al. The development of an atmospheric aerosol/chemistry-climate model, BCC_AGCM_CUACE2.0 and simulated effective radiative forcing of nitrate aerosols. J. Adv. Model. Earth Syst. 11, 3816-3835 (2019).
88. Forster, P. et al. in Climate Change 2021: The Physical Science Basis (eds MassonDelmotte, V. et al.) 923-1054 (Cambridge Univ. Press, 2021).
89. Zaveri, R. A. et al. Development and evaluation of chemistry-aerosol-climate model CAM5-Chem-MAM7-MOSAIC: global atmospheric distribution and radiative effects of nitrate aerosol. J. Adv. Model. Earth Syst. 13, e2020MSOO2346 (2021).
90. Schulte-Uebbing, L. F., Ros, G. H. & de Vries, W. Experimental evidence shows minor contribution of nitrogen deposition to global forest carbon sequestration. Glob. Change Biol. 28, 899-917 (2022).
91. Kou-Giesbrecht, S. et al. Evaluating nitrogen cycling in terrestrial biosphere models: a disconnect between the carbon and nitrogen cycles. Earth Syst. Dynam. 14, 767-795 (2023).
92. Wang, Y. & Meyer, T. J. A route to renewable energy triggered by the Haber-Bosch process. Chem 5, 496-497 (2019).
93. Peng, Y., Chen, H. Y. H. & Yang, Y. Global pattern and drivers of nitrogen saturation threshold of grassland productivity. Func. Ecol. 34, 1979-1990 (2020).
94. He, N. et al. Global patterns of nitrogen saturation in forests. Preprint at https://doi.org/ 10.21203/rs.3.rs-3559857/v1 (2023).
95. Schulte-Uebbing, L. F., Beusen, A. H. W., Bouwman, A. F. & de Vries, W. From planetary to regional boundaries for agricultural nitrogen pollution. Nature 610, 507-512 (2022).
96. Mogollon, J. M. et al. Assessing future reactive nitrogen inputs into global croplands based on the shared socioeconomic pathways. Environ. Res. Lett. 13, 044008 (2018).
97. Unger, N., Shindell, D. T., Koch, D. M. & Streets, D. G. Air pollution radiative forcing from specific emissions sectors at 2030. J. Geophys. Res. Atmos. https://doi.org/10.1029/ 2007jd008683 (2008).
98. Chen, Y. J. et al. Investigating the linear dependence of direct and indirect radiative forcing on emission of carbonaceous aerosols in a global climate model. J. Geophys. Res. Atmos. 123, 1657-1672 (2018).
99. Gong, C. Data for ‘Global net climate effects of anthropogenic reactive nitrogen’. Zenodo 10.5281/zenodo. 10032973 (2024).
100. Gong, C. Scripts for ‘Global net climate effects of anthropogenic reactive nitrogen’. Zenodo https://doi.org/10.5281/zenodo. 11179127 (2024).
101. Meinshausen, M. et al. Historical greenhouse gas concentrations for climate modelling (CMIP6). Geosci. Model Dev. 10, 2057-2116 (2017).
Acknowledgements C.G. and S.Z. acknowledge support from the European Commission H2O2O programme (grant no. 101003536; ESM2O25). H.T. and N.P. acknowledge funding support from the US National Science Foundation (grant no. 1903722) and USDA CBG project
no. TENX12899. S.P. acknowledges funding support from the US National Science Foundation (grant no. 1922687) and the US Department of the Treasury (grant no. DISL-MESC-ALCOE-06). A.I. acknowledges support from the JSPS KAKENHI (grant no. 21HO5318). Q.Z. is supported by Reducing Uncertainties in Biogeochemical Interactions through Synthesis and Computation (RUBISCO) Scientific Focus Area, Office of Biological and Environmental Research of the US Department of Energy Office of Science. C.G. and S.Z. thank D. Olivié and colleagues for help in building the box model (https://zenodo.org/records/5293940) .
Author contributions C.G. and S.Z. designed the study. C.G. performed the GEOS-Chem simulations and data analysis. H.L. assisted the GEOS-Chem simulation. H.T., N.P. and S.P. led the NMIP2 projects. H.T., N.P., S.P., A.I., A.K.J., S.K.-G., F.J., Q.S., H.S., N.V., Q.Z., C.P., F.M., F.H.M.T. and S.Z. together contributed to the simulation of terrestrial biosphere models in NMIP2. C.G. and S.Z. wrote the manuscript. All authors contributed to reviewing or editing the manuscript.
Funding Open access funding provided by Max Planck Society.
Competing interests The authors declare no competing interests.
Additional information
Supplementary information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/10.1038/s41586-024-07714-4.
Correspondence and requests for materials should be addressed to Cheng Gong.
Peer review information Nature thanks Klaus Butterbach-Bahl, David Pelster and the other, anonymous, reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work. Peer reviewer reports are available.
Reprints and permissions information is available at http://www.nature.com/reprints.
without the effect of land use change (LUC), respectively. The correlation coefficient (R) and mean bias (MB) of annual NBP between NMIP2 ensemble and GCP2021 are also given.
Extended Data Fig. 1 | Comparison of net biome productivity (NBP) estimates from the NMIP2 ensemble and the Global Carbon Project
(GCP2021). The yellow and gray lines represent the NBP of NMIP2 ensemble and GCP2021 estimate, respectively. and show time series with and
Extended Data Fig. 2 | Simulated global burden of short-lived atmospheric compounds. The column burden of ammonium aerosol, nitrate aerosol and e-f in CTRL_2019 and No_allNr experiments are given, respectively. The
column burden of each compound was accumulated over the whole atmospheric column in GEOS-Chem based on the annual mean concentrations.
Extended Data Fig. Global patterns of anthropogenic and emissions. a-d The emissions and emissions in the CTRL_2019, No_allNr, No_agriNr, and No_nonagriNr sensitivity experiments, respectively,
are shown. The sub-title of each panel gives the global total emissions in the year of 2019.
Extended Data Fig. 4 | Development of global anthropogenic Nr inputs in future SSP scenarios. a-e indicate the changes of anthropogenic Nr inputs from N deposition, fossil fuel , fossil fuel , manure and fertilizer applications, respectively. For each SSP scenario, the annual scale factors were
calculated by the ratios of future anthropogenic Nr to the 2019 levels, which is indicated by the dashed purple lines. The N deposition and fossil fuel data are from the input4MIPs (https://esgf-data.dkrz.de/projects/input4mips-dkrz/). Manure and fertilizer predictions are obtained from Mogollon, et al. .
Article
Extended Data Fig. Global and concentrations during 1850-2019 based on the box models. a concentration; and concentration. The black dots indicate the historical annual and concentrations, as observed from ice core, firn and atmospheric measurements . Lines with
different colors represent the different SSP scenarios. Concentration values indicate the global mean concentration in the year of 2019 derived from the box models.
Extended Data Fig. 6 | Schematic workflow summary of this study. Solid
black arrows indicate main methods or data, as described in Methods. Dashed red arrows indicate the uncertainty analysis and the associated sensitivities to
radiative forcing (see SI text S1). The main figures in this study are highlighted accordingly with the figure indexes. This figure is created with BioRender.com.
Extended Data Table 1 | Summary of the GEOS-Chem sensitivity experiments
Experiment name
emissions
emissions
concentrations
concentrations
concentrations
CTRL_2019
326.53 ppbv
409.9 ppmv
2015.02 ppbv
No_allNr
286.33 ppbv
420.38 ppmv
2354.16 ppbv
No_agriNr
309.27 ppbv
415.19 ppmv
2032.40 ppbv
No_nonagriNr
303.59 ppbv
415.09 ppmv (409.9+5.19)
2335.91 ppbv
Supplement experiment
No_nonagriNr_lowCH4
303.59 ppbv
415.09 ppmv (409.9+5.19)
2015.02 ppbv
The global and emissions are derived by integrating CEDS and NMIP2 ensembles. Atmospheric concentrations of and are retrieved by the box models. The CTRL_2019 emission is attributed as agricultural sources.
Extended Data Table 2 | Experiment configurations in NMIP2
Experiment name
Fertilizer
Manure
N deposition
Irrigation
Land use changes
Climate
SH0
1850
1850
1850
1850
1850
1850
1901-1920
SH1
T
T
T
T
T
T
T
SH2
1850
T
T
T
T
T
T
SH3
T
1850
T
T
T
T
T
SH4
T
T
1850
T
T
T
T
SH5
T
T
T
1850
T
T
T
SH6
T
T
T
T
1850
T
T
SH7
T
T
T
T
T
1850
T
SH8
T
T
T
T
T
T
1901-1920
SH11
1850
1850
T
1850
1850
T
T
SH12
1850
1850
T
1850
T
T
T
Factor attribution in this study
SH1-SH2
SH1-SH3
SH1-SH4
SH1-SH5
SH12-SH11
SH1-SH7
SH1-SH8
The letter ‘T’ indicates a transient change as the forcing data from 1850 to 2020. The 1850 or 1901-1920 indicates that the corresponding forcing was fixed in this year or time periods. Climate over 1850-1900 were repeated by 1901-1920 for all experiments due to the missing of data. The last row of the table indicates how the factorial contribution for each factor in this study is calculated from the differences between corresponding experiments.
Extended Data Table 3 | Summary of the eight terrestrial biosphere models in NMIP2 used in this study
(3)
(6)
(8)
NBP (8)
Missing experiments
CLASSIC
No SH2,4,5
DLEM
ELM
No SH2
ISAM
(Excluded)
No SH5
LPX-Bern
(Excluded)
No SH2,5,12
OCN
No SH5,11,12
ORCHIDEE
No SH5
VISIT
Some of the models failed to finish all experiments, which were indicated in the last column. Soil NH3 volatilization of LPX-Bern was excluded from the integration of NMIP2 and CEDS since it failed to show factor contributions. Soil emissions simulated by ISAM was also excluded due to the unreasonably high magnitude. The number of models that we finally used to drive GEOS-Chem model for the corresponding variable was indicated in the top row.
Sources name
Description
emissions from fossil fuel combustion. Sum of all-sector emissions in CEDS but except for agricultural
Soil emissions derived from NMIP2 SH1 ensemble mean
emissions from biomass burning based on van Marle, et al.
Anthropogenic emissions from river, estuaries, and coastal zones. Assumed linear increase from to based on Yao, et al. and Canadell.J.G, et al.
generated by atmospheric chemistry. Set as constant following Zaehle, et al.
Natural emissions from river, estuaries, and coastal zones. Set as constant following Canadell.J.G, et al.
emissions from natural open ocean, which was calculated by the differences between the total sources required to reach equilibrium at 273.2 ppbv in box model (Eq. 2) and the sum of the rest sources in 1850 . Set as in this study
Max Planck Institute for Biogeochemistry, Jena, Germany. Center for Earth System Science and Global Sustainability, Schiller Institute for Integrated Science and Society, Boston College, Chestnut Hill, MA, USA. Department of Earth and Environmental Sciences, Boston College, Chestnut Hill, MA, USA. School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing, China. International Center for Climate and Global Change Research, College of Forestry, Wildlife and Environment, Auburn University, Auburn, AL, USA. Department of Engineering and Environmental Studies Program, Boston College, Chestnut Hill, MA, USA. Graduate School of Agricultural and Life Sciences, University of Tokyo, Tokyo, Japan. Earth System Division, National Institute for Environmental Studies, Tsukuba, Japan. Department of Atmospheric Science, University of Illinois, Urbana-Champaign, Urbana, IL, USA. Department of Earth and Environmental Sciences, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, Canada. Climate and Environmental Physics, Physics Institute, University of Bern, Bern, Switzerland. Oeschger Centre for Climate Change Research, University of Bern, Bern, Switzerland. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for EcoEnvironmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China. Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement, LSCE-IPSL (CEA-CNRS-UVSQ), Université Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette, France. Climate and Ecosystem Sciences Division, Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, CA, USA. Department of Biology Sciences, Institute of Environment Science, University of Quebec at Montreal, Montreal, Quebec, Canada. School of Geographic Sciences, Hunan Normal University, Changsha, China. Environmental Engineering, School of Civil
