全球碳匯預(yù)測(cè)受到挑戰(zhàn)，他們首次揭示長(zhǎng)期“衰減效應(yīng)”

氣候變暖與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間，可能正經(jīng)歷一場(chǎng)不可持續(xù)的“短期蜜月”。西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授秦曉梁課題組的最新研究揭示，升溫對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用會(huì)隨著時(shí)間推移而動(dòng)態(tài)衰減，直至走向反面。

 

這一發(fā)現(xiàn)意味著，全球碳中和戰(zhàn)略所依賴(lài)的“自然碳匯”基石，可能遠(yuǎn)比想象中更為脆弱。該研究近日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

 

為何會(huì)出現(xiàn)“衰減效應(yīng)”？

 

全球生物量，尤其是森林生物量，作為巨大的碳庫(kù)，通過(guò)光合作用吸收二氧化碳，一直被視作減緩氣候變暖的關(guān)鍵自然緩沖器。然而，隨著人類(lèi)活動(dòng)排放大量溫室氣體，全球變暖持續(xù)加劇，顯著影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。

 

以往研究多集中在變暖的短期效應(yīng)，但對(duì)其長(zhǎng)期影響尤其是隨時(shí)間推移的變化缺乏系統(tǒng)評(píng)估，使得人們對(duì)未來(lái)氣候情景下生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳匯功能的預(yù)測(cè)存在不確定性。

 

“植物生物量是陸地碳匯的核心環(huán)節(jié)，直接決定生態(tài)系統(tǒng)固碳和氣候調(diào)節(jié)能力。”秦曉梁表示，“只有聚焦長(zhǎng)期影響，才能揭示氣候變暖與生物量之間最終、穩(wěn)定且真實(shí)的凈效應(yīng)。”

 

研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了全球214個(gè)增溫試驗(yàn)的2291對(duì)數(shù)據(jù)，覆蓋農(nóng)田、草地、林地等多種生態(tài)系統(tǒng)。結(jié)果顯示，平均增溫2°C使植物地上和地下生物量分別增加9.4%和2.6%，其中林地生物量響應(yīng)最為明顯。

 

秦曉梁解釋說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)氣候變暖對(duì)全球植物生物量的促進(jìn)作用具有明顯的‘時(shí)間依賴(lài)性’。在變暖初期，植物的地上和地下生物量會(huì)增加，但隨著增溫持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，這種正效應(yīng)逐漸減弱，甚至在高溫地區(qū)會(huì)轉(zhuǎn)為負(fù)效應(yīng)。”增溫持續(xù)時(shí)間和年均氣溫升高會(huì)減弱地上生物量的正效應(yīng)，而較大增溫幅度、更多降水和低土壤pH則增強(qiáng)響應(yīng)。變暖還導(dǎo)致土壤水分、有機(jī)碳和銨態(tài)氮下降，可溶性有機(jī)碳增加，但總氮含量未顯著變化。

 

團(tuán)隊(duì)基于環(huán)境變量構(gòu)建的線(xiàn)性混合效應(yīng)模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，在未來(lái)2°C增溫情景下，地上生物量在增溫1年時(shí)平均增加21%，但至第5年降為-4.4%，第10年降為-16%。在4.8°C增溫情景下，這一趨勢(shì)雖有所減緩，但長(zhǎng)期正效應(yīng)同樣減弱?？傮w上，隨著增溫持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，植物對(duì)變暖的正響應(yīng)逐漸減弱，尤以半干旱氣候帶居多的北半球典型區(qū)域最為顯著。

 

秦曉梁向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋了這一“衰減效應(yīng)”背后機(jī)制：長(zhǎng)期增溫加速土壤微生物的分解作用，促使它們以更快速率將土壤有機(jī)碳分解并以二氧化碳形式釋放到大氣中。同時(shí)，增溫會(huì)加速有機(jī)氮的礦化作用，但更強(qiáng)地刺激硝化作用和植物吸收，導(dǎo)致銨態(tài)氮的凈含量下降。

 

“水分和養(yǎng)分的下降會(huì)限制植物生長(zhǎng)和光合作用，進(jìn)而削弱生態(tài)系統(tǒng)的碳固定能力。”秦曉梁表示，“這意味著長(zhǎng)期增溫可能降低陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能，從而影響全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)能力。”

 

特別值得關(guān)注的是，在土壤有機(jī)碳含量低或pH值較高的地區(qū)，長(zhǎng)期增溫更容易導(dǎo)致生物量下降。“這為區(qū)域差異化管理提供了重要科學(xué)依據(jù)。”秦曉梁解釋道。

 

秦曉梁教授（右二）和團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室。受訪(fǎng)者供圖

 

挑戰(zhàn)全球碳匯預(yù)測(cè)

 

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)全球碳匯預(yù)測(cè)產(chǎn)生了根本性挑戰(zhàn)。這意味著，目前被寄予厚望的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能并非一成不變，而是會(huì)隨著變暖幅度和時(shí)間的推移而衰退甚至逆轉(zhuǎn)。

 

“研究結(jié)果徹底改變了我們對(duì)未來(lái)碳循環(huán)的認(rèn)知，它表明陸地碳匯是有條件的、脆弱的、會(huì)隨時(shí)間衰減的。我們不能將未來(lái)的氣候安全建立在當(dāng)前水平的碳匯能力上。”秦曉梁指出，全球碳匯評(píng)估必須從過(guò)于樂(lè)觀的靜態(tài)假設(shè)，轉(zhuǎn)向更審慎的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，并據(jù)此制定更緊迫的減排政策。

 

研究還采用了線(xiàn)性混合效應(yīng)模型來(lái)處理大規(guī)模、多來(lái)源數(shù)據(jù)中的異質(zhì)性，同時(shí)考察多個(gè)因子的主效應(yīng)和交互效應(yīng)。研究將溫度、降水、土壤養(yǎng)分、pH等環(huán)境因子與增溫持續(xù)時(shí)間一并納入模型，設(shè)定實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)作為隨機(jī)效應(yīng)，從而避免單一實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)結(jié)果。

 

“線(xiàn)性混合效應(yīng)模型的優(yōu)勢(shì)在于，它既能處理大規(guī)模、多來(lái)源數(shù)據(jù)中的異質(zhì)性，又能同時(shí)考察多個(gè)因子的主效應(yīng)和交互效應(yīng)。”論文第一作者黨朋飛解釋道。

 

在數(shù)據(jù)整合過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)面臨不同試驗(yàn)在持續(xù)時(shí)間、增溫幅度、氣候背景及測(cè)量方法上存在顯著差異的挑戰(zhàn)。通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)篩選、統(tǒng)一的生物量和環(huán)境變量度量單位，以及與瑞士蘇黎世大學(xué)教授Bernhard等國(guó)際專(zhuān)家的多次線(xiàn)上討論，確保了研究結(jié)論的穩(wěn)健性與普適性。

 

提出科學(xué)應(yīng)對(duì)策略

 

基于研究結(jié)果，團(tuán)隊(duì)建議對(duì)現(xiàn)有碳中和政策中關(guān)于自然碳匯的部分進(jìn)行審慎調(diào)整。“一方面，應(yīng)基于區(qū)域環(huán)境異質(zhì)性和氣候情景，差異化評(píng)估森林、草地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際固碳軌跡，降低過(guò)于樂(lè)觀的估算偏差；另一方面，需將適應(yīng)性管理措施納入碳匯增強(qiáng)策略，以減緩增溫帶來(lái)的碳匯衰減風(fēng)險(xiǎn)。”黨朋飛說(shuō)。

 

針對(duì)農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)，研究則提出了一系列基于區(qū)域特點(diǎn)的適應(yīng)性管理措施。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，重點(diǎn)推行節(jié)水灌溉與土壤健康管理，緩解增溫下的干旱脅迫；通過(guò)秸稈還田、種植綠肥、增施有機(jī)肥等措施提升土壤有機(jī)質(zhì)含量。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，還應(yīng)強(qiáng)化生態(tài)修復(fù)與適應(yīng)性經(jīng)營(yíng)，提高群落結(jié)構(gòu)多樣化，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

秦曉梁教授在寧夏紅寺堡區(qū)調(diào)研長(zhǎng)城沿線(xiàn)風(fēng)沙灌區(qū)的土壤管理措施。受訪(fǎng)者供圖

 

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將系統(tǒng)拓展研究維度與方法體系，重點(diǎn)關(guān)注目前數(shù)據(jù)相對(duì)匱乏的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，并深度融合遙感、大數(shù)據(jù)與模型模擬等新技術(shù)手段。

 

“我們將依托多源遙感數(shù)據(jù)與長(zhǎng)期地面觀測(cè)，構(gòu)建更高精度的生物量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化的持續(xù)追蹤與反演。”秦曉梁表示，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步整合微生物群落結(jié)構(gòu)、土壤水碳氮耦合過(guò)程等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，發(fā)展機(jī)理清晰的生態(tài)系統(tǒng)模型。

 

“這些工作將有助于彌補(bǔ)現(xiàn)有碳匯評(píng)估中的不確定性與區(qū)域偏差，為提升氣候預(yù)測(cè)可靠性、制定差異化生態(tài)管理策略提供更堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。”秦曉梁補(bǔ)充道。