全球碳匯預測受到挑戰(zhàn)，他們首次揭示長期“衰減效應”

氣候變暖與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間，可能正經歷一場不可持續(xù)的“短期蜜月”。西北農林科技大學農學院教授秦曉梁課題組的最新研究揭示，升溫對植物生長的促進作用會隨著時間推移而動態(tài)衰減，直至走向反面。

 

這一發(fā)現意味著，全球碳中和戰(zhàn)略所依賴的“自然碳匯”基石，可能遠比想象中更為脆弱。該研究近日發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。

 

為何會出現“衰減效應”？

 

全球生物量，尤其是森林生物量，作為巨大的碳庫，通過光合作用吸收二氧化碳，一直被視作減緩氣候變暖的關鍵自然緩沖器。然而，隨著人類活動排放大量溫室氣體，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，但對其長期影響尤其是隨時間推移的變化缺乏系統(tǒng)評估，使得人們對未來氣候情景下生態(tài)系統(tǒng)生產力和碳匯功能的預測存在不確定性。

 

“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)固碳和氣候調節(jié)能力。”秦曉梁表示，“只有聚焦長期影響，才能揭示氣候變暖與生物量之間最終、穩(wěn)定且真實的凈效應。”

 

研究團隊系統(tǒng)分析了全球214個增溫試驗的2291對數據，覆蓋農田、草地、林地等多種生態(tài)系統(tǒng)。結果顯示，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最為明顯。

 

秦曉梁解釋說：“我們發(fā)現氣候變暖對全球植物生物量的促進作用具有明顯的‘時間依賴性’。在變暖初期，植物的地上和地下生物量會增加，但隨著增溫持續(xù)時間延長，這種正效應逐漸減弱，甚至在高溫地區(qū)會轉為負效應。”增溫持續(xù)時間和年均氣溫升高會減弱地上生物量的正效應，而較大增溫幅度、更多降水和低土壤pH則增強響應。變暖還導致土壤水分、有機碳和銨態(tài)氮下降，可溶性有機碳增加，但總氮含量未顯著變化。

 

團隊基于環(huán)境變量構建的線性混合效應模型預測結果顯示，在未來2°C增溫情景下，地上生物量在增溫1年時平均增加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，這一趨勢雖有所減緩，但長期正效應同樣減弱。總體上，隨著增溫持續(xù)時間延長，植物對變暖的正響應逐漸減弱，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《中國科學報》解釋了這一“衰減效應”背后機制：長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碳分解并以二氧化碳形式釋放到大氣中。同時，增溫會加速有機氮的礦化作用，但更強地刺激硝化作用和植物吸收，導致銨態(tài)氮的凈含量下降。

 

“水分和養(yǎng)分的下降會限制植物生長和光合作用，進而削弱生態(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)和氣候調節(jié)能力。”

 

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

 

秦曉梁教授（右二）和團隊在實驗室。受訪者供圖

 

挑戰(zhàn)全球碳匯預測

 

這一發(fā)現對全球碳匯預測產生了根本性挑戰(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，而是會隨著變暖幅度和時間的推移而衰退甚至逆轉。

 

“研究結果徹底改變了我們對未來碳循環(huán)的認知，它表明陸地碳匯是有條件的、脆弱的、會隨時間衰減的。我們不能將未來的氣候安全建立在當前水平的碳匯能力上。”秦曉梁指出，全球碳匯評估必須從過于樂觀的靜態(tài)假設，轉向更審慎的動態(tài)預測，并據此制定更緊迫的減排政策。

 

研究還采用了線性混合效應模型來處理大規(guī)模、多來源數據中的異質性，同時考察多個因子的主效應和交互效應。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)時間一并納入模型，設定實驗地點作為隨機效應，從而避免單一實驗主導結果。

 

“線性混合效應模型的優(yōu)勢在于，它既能處理大規(guī)模、多來源數據中的異質性，又能同時考察多個因子的主效應和交互效應。”論文第一作者黨朋飛解釋道。

 

在數據整合過程中，團隊面臨不同試驗在持續(xù)時間、增溫幅度、氣候背景及測量方法上存在顯著差異的挑戰(zhàn)。通過嚴格的數據篩選、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教授Bernhard等國際專家的多次線上討論，確保了研究結論的穩(wěn)健性與普適性。

 

提出科學應對策略

 

基于研究結果，團隊建議對現有碳中和政策中關于自然碳匯的部分進行審慎調整。“一方面，應基于區(qū)域環(huán)境異質性和氣候情景，差異化評估森林、草地、農田等生態(tài)系統(tǒng)的實際固碳軌跡，降低過于樂觀的估算偏差；另一方面，需將適應性管理措施納入碳匯增強策略，以減緩增溫帶來的碳匯衰減風險。”黨朋飛說。

 

針對農業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)，研究則提出了一系列基于區(qū)域特點的適應性管理措施。在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，重點推行節(jié)水灌溉與土壤健康管理，緩解增溫下的干旱脅迫；通過秸稈還田、種植綠肥、增施有機肥等措施提升土壤有機質含量。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，還應強化生態(tài)修復與適應性經營，提高群落結構多樣化，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

秦曉梁教授在寧夏紅寺堡區(qū)調研長城沿線風沙灌區(qū)的土壤管理措施。受訪者供圖

 

未來，團隊將系統(tǒng)拓展研究維度與方法體系，重點關注目前數據相對匱乏的生態(tài)系統(tǒng)類型，并深度融合遙感、大數據與模型模擬等新技術手段。

 

“我們將依托多源遙感數據與長期地面觀測，構建更高精度的生物量動態(tài)監(jiān)測網絡，實現對不同生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化的持續(xù)追蹤與反演。”秦曉梁表示，團隊將進一步整合微生物群落結構、土壤水碳氮耦合過程等關鍵數據，發(fā)展機理清晰的生態(tài)系統(tǒng)模型。

 

“這些工作將有助于彌補現有碳匯評估中的不確定性與區(qū)域偏差，為提升氣候預測可靠性、制定差異化生態(tài)管理策略提供更堅實的科學基礎。”秦曉梁補充道。