【科學講堂】二氧化碳升高如何影響森林氮供應？

氮是植物必需的一種養分，因此土壤中能夠被植物直接吸收的氮含量，會直接影響植物的生長。一直以來有一個猜想：當大氣中的二氧化碳濃度上升，會刺激植物生長，使其吸收更多氮元素，從而可能降低生態系統中氮的供應。這反過來又可能限制植物的進一步生長，使我們更難借助植物來「固碳」，以減緩碳排放的影響。近日有研究透過分析瑞典過去五十多年的樹木年輪來探討這個問題，以下與各位分享相關發現。

實驗室研究顯示，為植物提供更多二氧化碳，會加速其光合作用，進而促進生長。許多關於地球系統與氣候變遷的模型已納入此機制，因此預測未來大氣中二氧化碳濃度升高時，環境可能具備更大的「固碳」潛力。然而如前所述，養分供應會限制此一「潛力」的增長。特別是在寒冷地區，植物與土壤中有機物質分解較慢，從而減緩了氮元素釋回環境的過程。這些低溫生態系統中的植物通常也只能獲得較少的養分，形成某種程度的限制循環。

對比同位素 測定氮供應量

植物生長旺盛吸收氮，會降低周圍生態系統中的氮供應量。分析植物中不同氮同位素的組成，有助我們評估此一動態。氮15與氮14是氮的兩種穩定同位素，其中氮15的原子核比氮14多一個中子，因此略重。當生態系統中的氮供應超過植物需求時，多餘的氮會經由各種途徑流失。較輕的氮14較易流失，而氮15則傾向於留在系統中。因此，透過分析氮15與氮14的相對比例，可推斷生態系統中氮的供應狀況。

最近一項研究分析了超過一千六百個歐洲雲杉與歐洲赤松的年輪樣本，比較其中的氮15與氮14比例，以推斷生態系統中的氮變化。這些樣本於1961至2018年間在瑞典各地採集，反映了過去數十年間瑞典樹木生長的變化。研究特別選取樹齡介於40年至60年間的樣本，以降低樹齡差異可能帶來的影響。

結果顯示，瑞典各地樹木中的氮含量皆以相似速度下降，這項發現頗令人驚訝，因為不同地區本身氮供應量差異甚大：瑞典北部氮供應向來偏低，南部則較高，可達北部的四倍。數據分析表明，大氣二氧化碳濃度的上升與氮含量下降之間存在密切關聯。

不過，研究人員也指出，植物可與真菌形成互利共生的關係，幫助植物從土壤中吸收氮，因此植物生長與氮供應之間的關係，可能比我們過去想像的更為複雜。

小結

植物、土壤與氣候之間的交互作用，仍有許多值得深入探討之處，唯有更全面地理解這些過程，我們才能更準確預測地球未來的變化。

●杜子航 教育工作者 早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。