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植树造林,并非解决气候变化的万能良方 精选

已有 8036 次阅读 2013-6-9 16:43 |个人分类:生态研究|系统分类:科研笔记| 气候变化, 植树, 气候模型, 营养循环

1979年,在时任领导人邓小平的提议下,第五届全国人大常委会第六次会议决定每年3月12日为我国的植树节,据说同时还是为了纪念孙中山先生逝世。1984年 9月六届全国人大常委会七次会议通过修改的《中华人民共和国森林法》总则中规定:“植树造林、保护森林是公民应尽的义务”,从而把植树造林纳入了法律范畴。那个时候我正在读小学和中学。每年的3月12日,学校都集体放假一天,步行到近10里开外的荒山植树。是植树,也是春游,尽管路程很远,我们还是兴高采烈地扛着铁锹或者锄头,看着周围的绿色赏心悦目,似乎根本也没有疲劳的感觉,回到家里倒头就睡。头一年植的树,第二年再去看,成活的不多,于是第二年、第三年我们还在同一位置植树。

后来学习了生物学,慢慢明白了森林对人类所带来的福利。后来还知道了森林可以净化空气,消除大气污染。再慢慢地,选择了生态学专业,知道了更多有关森林生态系统服务功能的认识。

终于,数年前,气候变化的问题得到了全球科学家和政治家们的关注。我们也逐步了解到,如果森林被合理管理,它们是能用于抵御全球变暖影响的一类重要生态系统。据有关估计,到2050年为止,森林能降低相当一部分碳的净释放,相当于预期的化石燃料燃烧释放量的10~20%。热带森林和亚热带森林是世界上最具固碳潜力的森林。森林碳封存(carbon sequestration)被认为是抵消全球变暖的一种切实可行的方法,因此号召保护现有森林,同时通过种植更多的树木,促进森林的自然更新,提高森林管理来增加生物量等方法来提高森林的碳吸收能力。

同时,气候科学家们还利用一系列方法来预测气候变化对森林的影响,他们甚至使用全球模型来模拟全世界植被组成及分布变化,这也成了气候变化研究中的一个最重要的研究方向之一。由于一些相关研究的细节,并非为大家所知。一些商业营销活动也推波助澜,比如什么旅行赚取树苗积分等等(这完全是没有什么联系的),最后几乎全民都理解植树造林是解决全球气候变化的良方。甚至在一次学术讨论会上,我刚谈到生态系统对全球变化的作用问题,就被一位拟参与全球变化研究的资深文科教授打断,说“你们谈的气候变化和低碳,不就是要植树造林吗?这没有什么学问。”

气候变化问题与植树造林,真的就那么简单吗?显然我从来不是这样认为的,我一直认为这个问题相当复杂。

美国的Carnegie研究所和Lawrence Livermore国家实验室开展了一项联合研究,他们利用复杂的模型软件来模拟森林覆盖的变化及它们对全球气候的影响,获得的结果令人十分惊讶:温带区域的森林实际上会加重全球变暖。热带森林在蒸散过程中会释放大量水分,所以热带森林会冷却环境。然而,位于温带区域的森林,不仅不能排放足够多的水分,还吸收许多太阳辐射,从而加热地球。他们在计算机模拟中,假设地球北纬20度以北的区域都被森林覆盖,结果发现地表气温上升超过3.6℃。在另一个重复中,当地球上的所有陆地都被森林覆盖时,气温仅上升1.2℃。这种升温在一开始并不明显。在初始阶段,因为树木吸收CO2,抵消了对太阳辐射的吸收,所以气候变得凉爽。但是这个效应并不会持续,而对能量的吸收却是永远持续的。随着树木成熟,它们吸收碳的能力减弱。基于这样的模拟,可以猜测,种植一片森林在几十年内给地球降温,但是从长期来看会使这个星球升温。科学家们基于模型还得出,如果目前全球植被都被森林所替代,会导致全球变暖1.4℃,而当被草原所替代时,会导致0.4℃的降温。然而,这种状况并不适用于热带地区的森林。例如,热带雨林不仅可吸收CO2,还通过蒸发水分来使地球降温。

上周,Nature周刊发表的一篇文章:Plant a tree, but tend it well,再次说明该问题是非常复杂的。文章认为:恢复森林有助于吸收人为活动排放的二氧化碳,因此植树造林一直被认为是重要的增汇措施。但一些模拟试验表明,仅仅植树是不够的,因为土壤的营养条件限制会降低其最终的效果。这主要是针对Jain等(2013)发表在Global Change Biology上的一篇文章来进行评论的。下面就主要翻译和介绍这篇文章:

大气中二氧化碳浓度的改变会影响全球的温度,该改变来源于碳汇(海洋和陆地生物圈)和碳源(化石燃料燃烧和自然生态系统的转换,例如从森林转化为经营土地)的变化。所有这些碳通量变化的最大不确定性来源于与人类活动中土地利用变化相关的排放。Jain等(2013)认为,由于植物生长的营养条件限制我们一般没有考虑,所以土地利用变化导致的碳排放可能在很大程度上被低估了。一般种过地,养过花的人都知道,植物缺乏营养,比如氮、磷之类的,其生长会受到限制。种树是容易的,但要维持其生长确实很困难的(我也就理解了我们中学、小学时候种树为什么难于成活:荒山本来就贫瘠),而对于会定期收获的植物来说,这个问题可能更严重,因为收获植物同食也从土壤中去除了营养物质。土壤中的营养来自土壤微生物对有机物的分解,豆科植物与根瘤菌的共生固氮作用,人工施氮肥,以及大气中来自工业过程产生的含氮化合物的沉降(有人认为这是空气污染带来的为数不多的有益副作用)。养分供应的速度限制了植物的生长。尽管这些证据也不是特别明确,但是可以理解的是,随着增加大气中二氧化碳的增加,会更加刺激植物的生长,生态系统受到养分供应的限制可能会更加明显,同时也减少了碳汇的潜力。

Jain等(2013)采用全球陆地植被的数值模型研究了过去一个世纪植被生长受到氮限制有多严重。作者发现,当在模式中考虑氮限制时,再生长的植被对CO2的吸收是非常缓慢的,这与不考虑氮限制的结果相比,可能碳排放会增加40%。当然,这种影响在热带地区是比较小的,因为热带地区温暖湿润的气候能让微生物迅速将营养物质从树叶中释放出来,还有许多能快速从大气中固氮的物种。但是,在寒冷区域这种影响会增强。Jain等(2013)的排放估计模型中,如果不考虑氮限制,其计算结果也与之前的大多研究相似,而考虑了氮限制,其结果就超出了早期研究的最高值。如果有更多的研究支持这一假设的话,那么营养循环将成为土地利用变化导致碳排放的另一个不确定性来源,其结果主要是碳源,这是没有什么问题的。其实,同时考虑氮和土地利用的效应,其实以前也有许多研究者进行了研究。Jain等(2013)的研究是首次明确量化氮限制对土地利用导致碳排放的影响。他们估计近几十年的土地利用变化导致的碳排放比之前所估计得要高。与化石燃料燃烧所释放的CO2相比,他们明确了这是驱动气候变化的第二个重要因素

许多气候模型其实也注意到类似的问题,已经开始将营养循环等过程整合到生物圈组件中,但是在即将发布的IPCC的报告中似乎还没有加入这种模拟。在IPCC报告中,对社会经济行为的预测是各不相同的,但都认为覆盖原始植被的区域将减少,木材收获将增加,其中部分将用于制作生物燃料。未来的土地利用碳排放可能被低估了,而这些是非常可能影响全球气候的,因此将未来全球变暖限制在<2°C的计划可能比预期的更难实现。

观测数据也提供了地表与大气之间的碳的净交换,但通过模型所计算出的结果与实测的净通量相当。净交换=碳源-碳汇,所以如果碳源被低估了,那么碳汇当然也被低估了。这样,对模型来说就更加复杂了,模型不仅需要算出土地利用变化导致对碳释放的贡献,还要计算一些因环境变化可能导致的碳汇的增加。这个碳汇在整个生物圈来说,不是一个小数目。因此,要确定对这个巨大碳汇的贡献,尚需要进一步的研究。直接缓解气候变化的努力,取决于未来碳汇的大小和持久性。


参考资料:
[1] Temperate forests may worsen global warming, tropical forests fight higher temperatures (
http://news.mongabay.com/2005/1205-caldeira.html‎)
[2] 赵斌、郭海强等(译)。2012-06-01。《变化中的生态系统:全球变暖的影响》。高等教育出版社(ISBN:9787040347692)。[Translation from Julie Kerr Casper (ed.)
Changing Ecosystems - Effects of Global Warming]
[3] Climate science: Plant a tree, but tend it well.
Nature 498, 47–48 (06 June 2013) doi: 10.1038/498047a
[4] Jain AK, Meiyappan P, Song Y, House JI. 2013. CO2 emissions from land use change affected more by nitrogen cycle, than by the choice of land-cover data.
Global Change Biology.  doi: 10.1111/gcb.12207.

 



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