我们在野外模拟了未来的气候变化，发现增温、干旱会给高原生态带来意想不到的改变 | 牛书丽
2022/9/12 10:00:00 中国科普博览
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格致论道讲坛(ID:SELFtalks)
我们就像医生一样，
拿着听诊器，
从一片叶子到一片森林，
从一个区域甚至到了整个地球。
牛书丽 · 中国科学院地理科学与资源研究所研究员
格致论道第83期 | 2022年6月25日 北京
大家好，我是中科院地理资源所的牛书丽，很荣幸能够有机会在格致论道讲坛和大家交流，今天我交流的题目是《寻踪碳迹——把脉地球生态系统》。
在开始之前，我想问大家一个问题，在我们呼吸的时候每呼出一口气排放多少二氧化碳？答案是0.04克。
那一辆汽车每年能排放多少二氧化碳呢？2吨。那一座发电厂呢？每年能够排放2万吨。一次火山爆发呢？是1000万吨的二氧化碳。
▲大气二氧化碳浓度持续上升那这么多的碳都在时时刻刻地排放着，最后去了哪里？大家会说“大气”。是的，这也是为什么从工业革命以来，大气中二氧化碳的浓度一直在持续地增加。那么现在(2022年5月)呢？大气中的二氧化碳浓度已经达到了420.99ppm(百万分之一)。大家会说：Who cares？高就高呗!跟我们什么关系？关系大了!
▲大气二氧化碳浓度上升导致空气温度上升人类排放出的二氧化碳的比重比空气重，所以它聚集在大气层的底部，就像形成了一个“玻璃罩子”一样罩在地球表层的外边。而这个“玻璃罩子”很容易让太阳的短波辐射穿过，使得能量到达地球表面。但是，它却不让地球的长波辐射穿过它。也就是说，它能把地球表面辐射的长波辐射再反射回地球，这样就起到了一个保温的效应，形成通常说的气候变暖或者说是增温效应。所以在过去的40年间，地球表面的平均温度已经增加了1.02摄氏度。
▲1980-2021 年全球地表温度的变化(℃)地球表面的温度持续升高会引起冰盖的融化、海平面的上升以及一些极端的气候事件。比如干旱的频发，已经严重地影响了人类的生活和生产等等各个方面。所以人类已经意识到了控制二氧化碳排放的重要性，并且达成了共识：一定要实现碳中和!
Part.1
碳中和：不仅要少排放，还要多吸收
什么是碳中和？简单的来讲，碳中和就是为了达成控制温升的目标，要减少向大气中二氧化碳的排放，同时增加从大气中吸收二氧化碳的能力，也就是实现净的零碳排放。到目前为止，全球有130多个国家已经提出了碳中和这个目标。
▲碳中和：人为排放＝吸收我国在2020年的联合国第75次大会上也郑重地承诺：中国将在2030年前碳达峰，努力在2060年前实现碳中和。那么这意味着：我国作为一个最大的发展中国家，将实现世界上最大的二氧化碳排放降幅，以及在最短的时间内实现从达峰到中和。这体现了中国减排的决心和一个大国的担当。
▲资料来源：Friedlingstein et al. 2020碳中和要靠两个途径来实现：一个是减排。另外一个就是增汇。我的工作就是体现在后者——增汇上。增汇的理论依据：就是人类每年排放到大气中的二氧化碳，其中有46%到了大气中，形成前面所说的大气二氧化碳浓度持续地增加。但是，另外有54%人类排放的碳，是被地球生态系统所吸收。所以，把这种地球从大气中吸收二氧化碳的过程叫碳汇。当然对应的是，如果是净的排放那就叫做碳源。所以也就是说，整个地球的生态系统每年可以抵消人类排放碳的54%。大家会问，那中国呢？中国的陆地生态系统每年可吸收的净碳达到了10亿吨二氧化碳。中国的陆地生态系统的面积占全球陆地生态系统面积的6.5%。但是吸收的碳却占世界上陆地生态系统碳吸收的10%-31%。所以对全球的碳的吸收来讲，中国的贡献是很大的。
▲资料来源：朴世龙 2022, 中国科学我国陆地生态系统每年吸收的碳，相当于能够抵消同期人类排放的11%-45%的化石燃料燃烧所排放的碳。这个中间范围主要是因为使用不同的方法，然后在不同的时期进行的评估，所以会有一些差异。
Part.2
对我国陆地生态碳汇的诊断与建议大家还会问，你说的这些数字是怎么来的？怎么才能知道一个生态系统它吸了多少碳？怎么知道这个碳汇是怎么变化的？我们其实就像医生一样，拿着听诊器，从一片叶子，到一片森林，到一个区域，甚至到了全球，把不同类型的听诊器结合起来，从不同的尺度上来准确评估生态系统的碳汇的能力。
我们的听诊器尺度多样：有区域尺度上的卫星遥感、有景观尺度上近地面飞行器的观测、还有基于样方尺度上的一些地面观测。
▲左上：遥感技术；右上：涡度相关技术左下：大气反演模型；右下：地面调查和清查我们团队主要的依据是一些地面的观测。在地面观测中，最直接、最有效、相对来讲最准确的衡量陆地生态系统碳汇能力的观测手段，就是通量塔。
它通常是在草地上建两到三米的塔，然后在森林建二十到四十米的高塔。在塔的顶部会装一个三维风速仪和二氧化碳探测器，来监测二氧化碳浓度的变化。根据一定时间内二氧化碳浓度的变化，可以计算出生态系统和大气之间净的二氧化碳交换。
另外，通过这种方法也可以把净的碳汇拆分。从过程上，可以拆分成有多少的碳是靠植被光合作用吸收的，有多少碳被植物或者微生物等呼吸再排放到大气中。所以，可以用这种方式来定量地分析每个地方到底净吸收了多少碳。
▲中国通量网(ChinaFLUX)那么，要想衡量整个中国的陆地生态系统碳汇能力的大小，就建立了中国通量网。最初的时候，我们只有8个通量塔。经过了近20年的发展，目前中国通量网拥有近百个通量塔。可以说，这些分布于全国陆地生态系统各个地方的通量塔，就像安在国土上的听诊器一样，随时随地在“把脉”着碳汇的变化。那么，把脉的结果怎么样？把完脉了之后，有什么对策能够增加生态系统的碳吸收的能力？
▲Yu et al., 2013. GCB首先，我们发现了我国的生态系统，包括森林、草地、农田湿地、灌丛等等，都是生态系统碳汇。所以说，保护我国现有的各种生态系统的碳汇能力非常的关键。另外，从上图这几个柱子也可以看得出来，与其他的生态系统类型相比，森林的碳汇能力是最强的。所以在这种情况下，可以采取一些人为的措施，比如说进行天然林的保护，或者是退耕还林、造林、再造林、以及加强森林的管理等等，来增加生态系统中森林的覆盖面积，以及单位森林生态系统的固碳能力。
▲草地生态系统净生产力，Zhang et al., 2021. STOTEN另外，其实所有的生态系统都会受到人类的干扰。比如说在草地生态系统上，为了满足人类对蛋白质的需求，会在草地上放牧。研究发现：放牧的程度越强，生态系统碳汇的能力下降的就越快。所以在这种情况下，比如要想充分利用草地生态系统的固碳能力，就可以少放牧，进行一些轮牧，或者把退化的草地生态系统进行恢复、围封，然后采取一系列草地的管理措施，来促进草地生态系统对碳的吸收。
▲Lu et al., 2009. GCB农田也是一种非常重要的碳汇生态系统类型。我们发现：如果减少耕作的次数，或者甚至进行免耕，农田生态系统碳汇的能力将大大地提升，而且有很大的提高空间。所以，对于农田的生态系统的管理，可以在现有的少耕、免耕的基础上，在更多的农田生态系统推广少耕、免耕以及秸秆还田、施有机肥等措施。这些都是通过监测诊断得出来的结论。
Part.3
理解生态系统碳循环的机制大家会说，你们测碳汇好像很简单，安装个塔测一测就行了。但事实上，碳汇的形成过程非常复杂。
▲Walker et al., 2020一个二氧化碳分子，从大气中通过植物叶片的光合作用进入到生态系统，转换成为碳水化合物。然后，植物把碳水化合物分配给根、茎、叶等不同的器官。这些器官衰老之后又会掉落到土壤中，被土壤中的微生物分解利用。一部分又转换成二氧化碳气体回到大气中，另外一部分就留在土壤中，滞留在生态系统里。如果能够把它尽可能地滞留在生态系统，对于减少往外排放的这部分二氧化碳就会起到很好的作用。所以，通过了解碳循环这个复杂的过程，来尽可能地扩大生态系统碳的滞留能力。
为了对复杂的碳循环过程进行过程机理研究，我国建立了国家尺度上的生态系统观测网络，到目前为止，已经有97个长期定位的研究台站。这些研究台站也就像听诊器一样，只不过是对于生态系统过程机理的更精细过程的诊断。
比如，我的团队经常工作的地方就是图中五角星位置的若尔盖国家站。它在哪里？它在青藏高原的东部，海拔3500米，很缺氧。为什么会在那么艰苦的地方建一个站进行监测呢？因为这个地方是世界的第三极，它对气候变化的反应非常敏感。比如，地球表面温度的升高，全球平均升温的幅度仅仅是青藏高原的1/2。所以我们选择这样的一个地方来进行碳汇能力和碳循环过程的一些研究。
大家说，你们在那里干什么？我们团队从叶片的光合作用开始观测，然后到每一种植物甚至每一株植物它形成了多少含碳的化合物？然后这些植物维持生长需要再呼吸掉多少二氧化碳？植物的地上部分和地下部分每部分呼吸多少？土壤中的微生物呼吸多少？进入到土壤中的这些碳到底有多少能够留在土里边？以什么形式存在？哪种形式更容易被微生物分解再释放到大气中？哪一种能够比较稳定能够长期存留在土壤中？对各个碳循环过程复杂、精细的组分，我们都进行了连续的监测。
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这是几张我们团队在野外工作采样的照片，我们也经常自我的解嘲，远看像逃难的，近看像要饭的，仔细一看原来是野外台站的。
不过，这种艰苦的野外工作，常常会被野外生态学者过成诗情画意。我们可以把取样用到的工具，想象成各种乐器，把广袤的高原草地，想象成一个舞台，尽情地享受属于我们自己的音乐会。
同时，也可以在高原夏季飘雪的晚上，在经历了一天繁重的野外采样工作之后，与雪人为舞，享受高原夏季的清冷。我想正是因为对生态学的这种热爱，才让我们做到眼里有光、心中有梦。
Part.4
未来的碳汇会怎么变？我们有了这么多的听诊器，对于目前生态系统的碳汇能力也有了评估，对它的变化有了新认识。那将来呢，将来碳汇会怎么变？
持续加剧的全球变化，比如说二氧化碳浓度升高、气候变暖、降雨格局改变等等，这些全球变化因素随时随地都在发生着，并且影响着生态系统碳循环的各个过程以及碳汇的能力。所以，为了研究生态系统碳汇能力对全球变化因子到底如何响应？我们就借助野外台站，建立了一系列的模拟气候变化的控制实验。
▲模拟气候变暖比如，我们团队用一种红外线辐射器对高寒草甸生态系统加热，这样能提高约1.5-3度。而且这种红外线辐射器辐射的是长波辐射，像前面讲的气候变暖的原理是一样的，所以它能够真实地模拟出一种将来气候变暖的情景。我们就在这种情景下去研究，从植物到微生物碳循环的各个复杂、精细的组分和过程如何对气候变暖响应。
我们团队的研究表明：青藏高原草甸生态系统这样的一个类型，在气候变暖的背景下，它的光合碳吸收是增加了的，植物和微生物的呼吸释放并没有显著的变化。所以两者平衡的结果就是：生态系统净碳吸收，也就是所说的碳汇的能力，在气候变暖背景下是增加了。也就是说在将来气候变化的背景下，高寒草甸生态系统的碳汇的能力是在增强的。
▲模拟降水改变在全球变化背景下，降雨的格局随时在发生着变化，尤其是干旱频发。在干旱的背景下，青藏高原高寒草甸生态系统的碳汇能力是怎么变的呢？我们就用了一系列的遮雨棚，然后通过改变样方里边接收的降雨量，来研究生态系统里的植物、微生物的各个循环过程对降雨量改变的响应。
结果发现：在干旱的背景下，草甸生态系统植物的光合碳吸收是降低的，呼吸碳释放也是降低的。那两者的平衡就造成了生态系统的碳汇能力并没有显著的变化。
▲模拟二氧化碳浓度增加全球变化的另外一个主要的因素就是二氧化碳浓度升高。所以我们团队用开顶式同化箱(open-top chambers)的方式，把二氧化碳气体通到同化箱里边，创造了二氧化碳浓度升高的小环境。同时，看里边的植物、微生物等各个碳循环的过程对二氧化碳浓度升高到底如何响应。
结果表明：青藏高原高寒草甸生态系统的光合碳吸收在二氧化碳浓度升高的背景下是增强的，那呼吸的碳释放也被促进了，所以这两者相互抵消，净碳吸收也就是所说的碳汇能力并没有显著的改变。当然，这里只是举出了几个全球变化因子的例子，来展示我们团队是怎么去研究未来全球变化背景下，生态系统碳汇能力如何改变。其实还有其他的很多全球变化的因子、很多的过程来进行监测。这些碳汇的响应实际上是非常复杂的。
▲水分条件决定了碳汇对气候变暖的响应除了上述各个精细的碳循环过程组分的响应不同之外，各个碳循环过程响应全球变化的幅度还受到它所在的背景环境条件的调节。比如，气候变暖会在干旱的情况下降低生态系统的碳汇能力，但是却在湿润的情况下增加碳的吸收能力。所以相对于现有研究来讲，其实还有很多生态系统的响应及规律、机理等需要去深入研究的。大家听到这里，也许会说：你们用各种的听诊器，对中国陆地生态系统的碳汇能力进行了诊断，知道了它有多大，知道它是怎么变的，也知道将来在全球变化背景下，它会有一个什么样的变化趋势。那是不是就能准确地预测未来，比如，2060年我国实现碳中和目标年的时候，中国的陆地生态系统能吸收多少碳？
▲生态系统碳汇的未来预测答案是NO，现在还没办法做到准确地预测。这里的4张图就是IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)评估报告里边用到的十几个陆面模型对未来陆地生态系统碳汇能力的预测。可以发现，过去20年间，大量的科学家都努力地致力于对未来碳汇能力预测准确性的提升上面，但是结果却不尽人意，甚至是不同模型之间的预测的不确定性还越来越大。所以，对于陆地生态系统碳汇的研究来讲，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索!谢谢大家!来源：格致论道讲坛本文已获转载授权，如需转载请联系原作者文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场
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