碳汇的全球趋势及其与二氧化碳和温度的关系

转载 生态学者

【关键词】

气候变化生态学; 生态学；环境科学

内容简介

CO2浓度升高会增加光合作用，并可能增加生态系统净产量（NEP），这意味着CO2吸收量增加。然而，气候、养分和生态系统结构会影响CO2增加的效果。本研究通过MACC-II和Jena CarboScope大气反演和十个动态全球植被模型（TRENDY）分析了全球NEP，使用统计模型将NEP的趋势归因于其潜在驱动因素：CO2、气候变量和土地利用变化。我们发现，CO2增加始终与NEP增加相关（1995-2014）。相反，温度升高与NEP呈负相关。使用两次大气反演和TRENDY，估计全球CO2敏感性为6.0 ± 0.1, 8.1 ± 0.3和3.1 ± 0.1 Pg C每100 ppm（~1 °C升高），以及−0.5 ± 0.2, −0.9 ± 0.4和−1.1 ± 0.1 Pg C每1°C变化。这些结果表明，CO2对受气候变暖制约的陆地碳汇有积极影响。

近几十年来，陆地生态系统吸收了所有人为CO2排放的15-30%。然而，人类活动对生物圈的直接和间接影响可在短期和长期内改变陆地碳汇。确定影响生物圈吸收碳能力的因素，并量化碳汇对其驱动因素的敏感性程度，有助于增加对未来耦合碳循环/气候系统预测的信心。

在实验条件下，增加植物生长是对CO2浓度增加的强有力反应（CO2施肥效应）。CO2的增加能在多大程度上增强大规模光合作用，最终提高NEP，目前仍不确定。在现实世界中检测这种效应比在受控实验中要困难得多。然而，最近使用基于涡度协方差和统计模型的数据的研究成功地检测到CO2对水利用效率、光合作用和NEP的积极影响。

CO2浓度升高对生产力的潜在积极影响可能受到全球变暖和降水模式变化的影响，因为水的可用性和温度都是全球光合作用和呼吸作用的强大驱动力。土地利用变化也改变了生物圈固碳能力，由于土地利用导致碳周转和生产力的剧烈变化。使用化石燃料和化肥造成的氮和硫的大气沉降也可能改变生态系统的生物多样性、功能、生产力和NEP。氮沉降通常与生态系统生产力和NEP呈正相关。相反，硫沉降可能会减少生态系统碳汇，这在实地研究中很少被关注，全球模型中也没有。由氮和硫的酸沉降引起的土壤酸化通常会降低土壤养分的有效性，并可能降低NEP。

上述NEP驱动因素分析的观察结果主要局限于温带和北方研究地点，这使得评估全球可扩展性变得困难。此外，直到最近，评估陆地碳汇的唯一方法是通过全球植被动力学模式（DGVM）的集合，或者通过从CO2排放量估计值中减去大气和海洋汇来作为残留汇。目前，反演模型以及长期遥感数据可用于测试从地面测量得到的模式的一般性。反演模型为全球覆盖的陆地-大气CO2交换净通量(即NEP)提供了连续网格估计。反演得到的网格化NEP，结合CO2浓度记录、气候网格化、土地利用变化和大气沉降，可以说是首次尝试在全球尺度上对CO2、气候和土地利用变化以及大气氮和硫沉降对陆地NEP模式的综合影响进行实证研究的最佳观测数据。鉴于以往的站点层面研究显示，CO2的增加是NEP趋势的主要驱动因素，我们预计它也将在更大的空间尺度和全球范围内成为主要驱动因素。

作者们调查了1995年至2014年两个最广泛使用的多季节反演模型（MACC-II（监测大气成分和气候-中期实施）和Jena CarboScope）和DGVM（TRENDY）的NEP趋势是否与大气CO2增加和气候变化（温度、降水和干旱）有关。此外，使用统计模型研究了全球范围内土地利用对国家环境政策的影响，以评估国家环境政策对上述预测因素的敏感性。我们还分析了欧洲和美国上空氧化和还原氮（分别为NOX和NRED）和硫的大气沉降速率变化对NEP的影响，以及CO2的增加与气候和土地利用的变化。

图1：NEP的全球趋势及其影响因素。

图2：统计模型相互作用的估计效果。