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陆地生态系统氮循环对碳循环过程及其对气候变化的反馈具有重要的影响，地球系统模式中的碳循环过程模拟难以被准确刻画是当前气候系统模拟不确定性的主要因素之一。造成上述现象的一个重要原因是当前地球系统模式中的陆面模式分量多数都没有考虑氮循环对碳循环的限制，从而高估了陆地生态系统碳通量和碳贮量的大小及碳汇效应，放大了碳循环对气候的反馈效应。明确氮限制对陆地生态系统碳循环过程的影响及碳氮耦合过程对气候变化的响应与反馈机制是准确评估未来生态系统碳源汇变化的关键。当前我国是世界三大氮沉降中心之一，同时也是全球氮肥施用量排名第一的国家，氮添加对我国的气候和环境变化带来的影响有待进一步研究。因此在陆面模式里引入氮循环过程，进而定量研究氮的限制作用下，气候变化、二氧化碳(CO2)浓度变化、氮沉降和氮肥施用对中国区域的碳循环的影响，以及氮限制下陆地生态系统碳循环对上述变化的反馈机理具有重要的科学和现实意义。本文将氮循环过程引入到在我国科学家自主发展的陆面模式AVIM（Atmosphere-Vegetation Interaction Model）里，通过对碳氮耦合过程的模拟研究取得了以下主要成果: (1)发展了一个适用于我国的高分辨率碳氮耦合模式AVIM_CN。在陆面模式AVIM里详细地考虑了氮循环过程相关的各子过程，实现陆地生态系统氮循环过程与碳循环过程的相互耦合，使得模式具备模拟考量氮循环对碳循环的限制和反馈机理的能力。具体来说，在陆面模式AVIM里引入了氮对光合作用、同化作用及呼吸作用的限制，考虑了植被对氮的吸收、同化作用中氮的分配、凋落物与土壤氮库间的氮交换与平衡、土壤有效氮分解转化过程（包括氮的矿化、固持、硝化、反硝化和淋溶等过程）、生物固氮和大气氮沉降过程，发展了一个包含碳、氮循环过程相互耦合的新版模式AVIM_CN。 (2)在单点和区域尺度上对AVIM_CN的碳氮循环过程进行了验证，研究了氮循环过程加入后，氮限制对陆地生态系统碳水通量和植被形态特征的影响。基于2003-2005年中国通量网(ChinaFLUX)半小时步长的温、湿、风、压、降水和辐射数据及日步长的碳水通量观测数据，在当雄草地站、鼎湖山常绿阔叶林站、千烟洲常绿针叶林站及长白山针阔混交林站分别对引入碳氮耦合过程前后的陆面模式AVIM进行了对比模拟验证。研究发现，模式中引入氮循环过程后，各种植被类型的总初级生产力(Gross Primary Production，GPP)均出现了不同程度的下调现象，其下调幅度在35％-55％之间，其模拟值更接近对应通量站观测值。同时，AVIM模式中碳氮耦合过程的引入还使得生态系统呼吸的模拟值显著降低，其下调幅度整体在49％-57％之间，四个生态站的差别比较小，同样AVIM_CN的生态系统呼吸模拟值更接近通量塔观测值。对于地上生物量来说，在氮限制作用下，两个常绿林站的下调幅度较大，但地下生物量则是草地站下调幅度最大;土壤有机碳含量方面，长白山针阔混交林站受氮限制影响最大，鼎湖山站、千烟洲站次之，当雄站最小;各站的净生态系统交换(Net Ecosystem Exchange，NEE)都有一定程度升高，在氮限制作用下，各站碳汇作用相对有所减弱。整体上，模式中考虑氮循环过程后，四个生态系统定位站的碳通量和碳贮量的模拟准确性有了很大程度的改善，更接近对应站点的实测值。 (3)基于中国科学院青藏高原研究所青藏高原多圈层数据同化与模拟中心开发的1979年至2015年3小时步长、水平空间分辨率0.1°×0.1°的中国区域(70°E-140°E，15°N-55°N)近地面气象与环境要素再分析数据集，利用全球MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)的2001-2015年的GPP、净初级生产力(Net Primary Production，NPP)及2011-2015年叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)数据产品对中国区域的引入氮过程前后的模式模拟效果分别进行了对比验证。结果表明整个中国区域原始AVIM模式模拟的碳通量结果与MODIS产品分布状态一致，但结果明显偏高。模式中引入碳氮耦合过程后，在氮的限制作用下，GPP、NPP和LAI模拟值分布形态基本不变，但数值发生显著下调，AVIM_CN的模拟结果更接近MODIS观测值，显著改善了AVIM模拟值偏高的问题。对于中国区域常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林混交林、灌丛和草地这7种典型自然植被类型而言，整体上AVIM_CN的GPP、NPP和LAI年均模拟值的相较AVIM模拟值更接近MODIS产品对应植被类型的模拟结果。从氮限制的区域分布来看，干旱区半干旱区GPP、NPP、生态系统呼吸及总生物量对氮的限制作用更加敏感，其下调比例在50％以上，湿润区则相对受氮限制作用比较小，下调比例在30％以内。从纬度分布来看，青藏高原及中高纬地区氮的限制作用要强于低纬地区，尤其是青藏高原地区相对来说是中国区域内对氮限制最敏感的区域。在氮的限制作用下，整体上中国区域陆地生态系统的碳汇作用也有一定程度地减弱，东北森林区的减弱幅度最大。此外，在氮的限制作用下，中国区域生态系统碳通量对外部强迫如气温、降雨等因子变化的响应幅度变小，不含氮模式模拟结果高估了生态系统碳通量的年际波动。 (4)基于上述同样的气象驱动数据，利用加入氮循环的AVIM_CN模式研究了增温2℃、CO2浓度升高和氮沉降、5g-100g不同量级氮肥施加等外强迫对碳氮耦合过程的影响。研究结果表明，增温2℃情景下中国区域碳通量GPP和NPP呈现正反馈的区域主要位于青藏高原高海拔地区，GPP增加比例达15-35％，NPP则增加了10％以上;负反馈的区域主要位于半湿润、湿润区，GPP下调比例在10-20％之间，NPP在10-15％之间;上述变化比例在引入氮过程前后差别不大。模式中引入氮循环过程后，GPP、NPP对增温的正、负反馈幅度均显著减小，GPP的减小幅度在30-120g C m-2yr-1之间，NPP的减小幅度在10-60g C m-2yr-1之间。在氮的限制作用下，增温导致的干旱半干旱区的碳汇作用增强幅度下调了20g C m-2yr-1以内，而湿润半湿润区的碳源增强作用下调幅度在20-60g C m-2yr-1之间。增温同时还使得整个中国区域蒸散值显著升高，增加幅度在0.25mm day-1以内，湿润区的增加幅度大于干旱区。CO2浓度加倍情景下整个中国区域的GPP、NPP和LAI及蒸散模拟都呈现正反馈，其反馈幅度从东南沿海湿润区向西北干旱区递减，GPP、NPP增加比例在20-100％之间，LAI的增加比例在5-30％之间。模式中考虑生态系统的碳氮耦合过程后，氮的限制作用显著减小了上述各变量对CO2浓度增加的反馈幅度，其中GPP的正反馈幅度减小值范围主要集中在50-700g C m-2yr-1之间，NPP在20-250g C m-2yr-1之间，碳汇作用增强的下调幅度在10-200g C m-2yr-1之间，蒸散对CO2浓度加倍的正反馈幅度受氮循环过程的影响并不显著。上述敏感性试验说明氮循环制约着陆地生态系统碳通量和碳贮量对外界强迫的反馈幅度，不含氮模式高估了GPP、NPP及LAI等对升温和CO2浓度升高的响应幅度。AVIM_CN模拟的氮沉降分布与1982年-2008年中国区域10km分辨率的年均氮沉降观测值相似，其值在湿润区大于干旱区，年均氮沉降高值中心位于我国东南地区，达5g N m2yr-1，西部地区氮沉降较少，在1g N m2yr-1以下。氮沉降对中国区域陆地生态系统碳水通量和叶面积指数的影响比较小，在整个中国区域都没有通过5％的显著性检验。同样5-20g氮肥施加试验也有与氮沉降类似的结果，当氮肥施加量达50-100g N m2yr-1时，中国区域GPP和NPP增加幅度比较明显，其增加幅度分别在18.2-47.6g C m-2yr-1和10.8-28.2g C m-2yr-1之间，LAI增加值在0.02-0.04m2m-2之间。氮肥施加对NEE和蒸散的影响比较小，几乎整个区域都没有通过显著性检验。研究结果表明50g以上的氮肥施加才能对中国区域的不同生态系统产生显著影响。此外，干旱半干旱区是中国区域内氮肥施加的敏感区，相比较而言，湿润区对氮肥施加敏感性要低一些。