SCIENCE|森林碳汇的限度 (目前的模型可能高估了森林的固碳潜力)

摘要

尽管各国正在努力减少碳排放以最大程度地降低气候变化风险，但如果目标是将升温控制在 1.5°C 以下，它们实际上需要从大气中去除二氧化碳。尽管对专注于碳捕获的技术进行了大量投资，但人们对自然解决方案也很感兴趣，例如植树。树木通过光合作用从大气中去除二氧化碳，森林以生物量和土壤碳的形式封存二氧化碳。尽管增加光合作用会导致生长增加似乎是合乎逻辑的，但多份报告表明情况通常并非如此。光合作用、树木生长和碳封存之间的相互作用对未来的碳吸收具有重要意义，并且是一个仍然存在广泛争论的话题。在本期第 758 页，Cabon 等人通过检查全球光合作用估计和树木年轮测量作为生长的衡量标准，为这场争论做出了贡献。

正文

自20世纪70年代以来，陆地生态系统中的碳固存逐渐增加。二氧化碳是植物光合作用的必要组成部分，而人为排放的大气二氧化碳浓度不断升高，导致植物吸收碳的速度加快，这种现象被称为碳施肥。此外，温室气体的增加通过变暖间接延长了生长季节，导致额外的碳吸收增加。这些对大气中二氧化碳浓度上升的反应导致了这样的说法：生态系统大多受到大气中二氧化碳数量的限制。然而，大量的研究表明，大气中二氧化碳的增加并不一定会转化为碳封存的增加，因为对植物生长有其他强烈的限制。即使植被可以获得更多的碳，也需要其他因素来帮助刺激光合作用的生长。最值得注意的是，土壤中的营养丰富度和水含量以及温度都会限制生长（见图）。这种复杂的情况，最好描述为森林固碳是受碳源限制（受植物光合作用的碳量限制）还是受汇限制（受所有环境因素的影响，植物能生长多少）的二分法，对森林能固碳多少有很大影响。

植物生长的源和汇限制。虽然源和汇的限制有几个共同的控制因素，但它们的时间尺度及其对这些因素的敏感性往往不同。

为了了解与源和库限制相关的植物生长限制，Cabon等人使用了总初级生产力（GPP）估计值，该估计值在光合作用过程中对植物的生长产生影响，并将其与国际树木年轮数据库中的树木年轮数据相结合，以执行交叉生物群落相关分析。他们汇编了迄今为止最全面的树轮数据集，并确定了全球范围内的源库关系。他们证明，植被光合作用与树干的径向生长之间存在着强烈的脱钩，这表现出基于植被类型（例如被子植物与裸子植物）、生态系统特征（例如，林龄和养分可用性）和气候（例如，在更冷、更干旱的气候中脱钩更多）的巨大差异。这些结果强调，光合作用和生长之间的关系并不像目前模型中的表述那样简单，模型通常将植被碳固存描述为与GPP密切相关。Carbon等人报告的结果对利用自然生态系统固碳以及自然气候解决方案（如植树）在应对气候变化方面的成功具有重要意义。如果未来几年生物量中储存的碳比预计的少，这种生态系统服务的效用就会大大降低。此外，这些结果强调了在解释有关碳储存的简单概括时的谨慎性。例如，早产叶片的植物在春季的GPP增加可能不会转化为年底前整体生长的增加。例如，与GPP数据的使用有关，光合作用期间吸收的一部分CO2通过植物呼吸释放回大气。因此，植物生长所需的碳量实际上不是GPP，而是GPP期间的碳增益减去自养呼吸损失，即净初级生产力（NPP）。研究植物碳吸收和生长之间关系的许多研究都使用了NPP数据，这些数据与植被生长更直接相关，与生物量的关系更密切。因此，GPP不一定是可用于增长的碳源的可靠替代物。因此，在与Cabon等人相同的一些地点测量NPP的研究报告，碳源活动与树木年轮宽度之间的相关性更强，而不受汇限制的影响。此外，与利用树木年轮数据推断树木生长有关，植物不仅将碳分配给木质地上生物量，还分配给根系、叶片和储存在整个植物中的非结构性碳水化合物库。植物根据环境变化、林龄和一年中的时间改变其碳分配。因此，如果仅仅根据树木年轮测量来推断固碳量，则存在不确定性，因为树木生长并不是固碳总量的同义词。尽管存在这些限制，Cabon等人表明，使用当前建模框架的碳预测可能高估了森林中的碳固存。他们的研究结果突出表明，需要对植被模型有效代表生长动态的程度以及碳汇和碳源限制的程度进行深入评估。要做到这一点，就需要更好地理解这些局限性，通过在通量塔现场直接测量自养呼吸和NPP的新方法，以及增加与碳分配和固存相关的并置测量数量。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo6547

转自：“农业遥感与作物模型”微信公众号

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