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[转载]【转】气候变化中的极端气候事件对生态系统碳循环的影响

已有 798 次阅读 2018-4-11 20:58 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

 2012年真是极其艰难的一年!根据玛雅历法所推算的世界末日让全球忧心忡忡,但最后被证实是杞人忧天。但是这一年,全球的日子的确不好过:美国的干旱和热浪,英国、肯尼亚、索马里、日本和澳大利亚非同寻常的降雨记录,西班牙的干旱,中国的洪水,当然还有超级风暴桑迪。气候变化的问题,近10年来,不管是在科学界还是坊间,甚至尤其是政府首脑,都将这个问题看做一个非常重要的问题。科学家一直在提醒,气候变化与灾难性极端气候是紧密相连的。所以这一年如此多的极端气象事件,很容易使人们再次联想这个问题:这样的极端天气,是由于气候变化影响的吗?在此背景下,一个被称为“气候归因科学”(climate attribution science)的研究正在萌芽,主要研究极端事件的效应,确定有多少是人类活动导致的气候变化所引起的,有多少是自然的变化,诸如厄尔尼诺/拉尼娜-南方涛动的气候模式、海表温度、入射太阳辐射的变化,或者许多其他可能的因素[1]

最近发布的《美国气象学会通报》[2],对全球10多个极端事件所做的20个相关科学研究进行了分析,试图寻找人为导致的气候变化的相对影响有多大。这些证据令人信服地表明,人类引起的变化是一个重要的因素,约占一半。在许多情况下,人类对于气候的影响增加了相关极端事件的风险。本周的科学新闻(Science News)[1]也对此做了报道,并列出了一些事件及其相应的研究结论:

(1) 2011年12月:新西兰南岛两天的极端降雨所产生的滑坡是500年一遇的事件。结论:这次极端事件中所提供的总水分因为人为温室气体的排放增加了1-5%。

(2) 2012年9月:北极海冰达到创纪录的新低340万平方公里。研究调查了三个不同的因素:比正常地表大气温暖的条件,与全球变暖有关;海冰在融化季节到来之前就变薄,也与全球变暖有关;以及8月肆掠北极的风暴,搅动大洋,使海冰破裂被送到温暖的南部。结论:全球变暖是主因,温暖大气条件和海冰变薄在一定程度起作用,但它们本身也是全球变暖所导致的结果。

(3)2012年夏天:澳大利亚东部的暴雨。结论:2012年的拉尼娜事件(很长时间处于比正常年份更湿润的条件)对强降雨有非常大的贡献,但不是全部。因全球变暖导致澳大利亚北部海表温度的变化也可能起了作用,使得未来降雨量有增加5%的几率。

(4)超级风暴桑迪:尽管这不是在历史上袭击美国东海岸的最强大暴风雨,但这场暴风雨的实际影响却并非来自暴风雨本身,而是暴风雨之后的潮水上涌和淹水,这倒是打破了这个海岸的历史记录。结论:暴风雨恰逢纽约港的大潮。而海平面上升可能会加剧未来的这种泛滥,即使暴风雨本身可能并没有那么严重,但却更容易发生类似桑迪水平的极端事件。

关于极端气候的话题,最近真的是很热。半个月前,Nature也有篇综述文章“极端气候事件与碳循环”[3],专门介绍了极端气候对地球陆地碳循环的影响,下面对此做一简要介绍。

在过去50年里,地球上人为排放的CO2约有25-30%被生态系统所吸收,其中大部分CO2被吸收后积累在森林生物量和土壤中。人类其他的影响还包括生态系统中氮肥的增加,大气中CO2浓度的增加和氮施肥导致植被生长增强,还逐步增加了北半球的生长季长度。因此,曾经我们认为,这些持续的环境变化可能增加了全球陆地碳吸收,响应也减轻了大气中CO2水平的人为增加,并在气候/碳循环系统中提供了一个负反馈。究竟在何种程度上,持续多长时间,以及在何种生态系统中,这个CO2吸收和负反馈将一直继续?越来越多的证据却表明,极端事件(如热浪、干旱或风暴)的发生及其相关干扰,可能会部分抵消掉这些碳汇,甚至导致碳库的净损失,将生态系统储存的CO2释放到大气中。因为极端事件首先可触发生态系统即时的反应,之后还有一些后续反应。例如,树木死亡、火灾或虫害,它们对碳通量和碳库的影响是非线性的。因此,极端气候即使发生在很小的频率,或严重程度的改变也并不大,仍可能大幅度减少碳汇并可能对气候变暖产生相当大的正反馈作用。由负反馈效应转变为正反馈效应,这将是一个质的转变。

气候学和水文学研究气候和极端天气事件有着悠久的历史,一般普遍采用应用统计学框架来定义极端气候。现在的问题是,这种仅仅基于气候统计对极端事件的定义,是否适合评估对生态系统及其碳循环的影响?例如,考虑这个问题:如果在过去100年某地的年降雨量总是介于500mm和510mm之间(虽然也有相当大的季节性变化), 那么当某年的降水量为499mm,尽管实际上只有1-11mm的不同,或者说在生态学上只产生了0.2-2%微不足道的影响,那么在统计学上也可被看做是极端事件了。同样,在现实世界中,如果在某高纬度地区冬季的月气温一般在30°C和40°C之间,那么根据气候学的定义,某月25°C也是极端事件,但这远低于任何可能导致生态系统发生响应的关键阈值,也就是说,这样的变化可能并没有带来实际灾难性的影响。

因此,过去对气候极端事件的定义可能在类似的研究中是不合适的,应该给一个特定的定义,考虑生态系统预期响应的极端性,而不仅仅考虑气象本身的驱动力。根据这样一个原则,将极端气候事件定义为:发生的一段情节或一个事件,其中统计学上罕见或不寻常的气候来临改变了生态系统结构或功能,使其范围在典型或正常的变化之外。这个定义包含了一系列气象指标,也许对单一变量来说并非极端,但对变量组合来说则是极端的(多元极端或复合事件),比如热浪和干旱的组合,或者干旱之后的极端降雨事件。同时,为了进一步强调了影响,可将这个定义重新描述为与生物圈有关的极端气候:“在规定时间和空间内,生态系统的功能(如碳吸收)高于或低于一个确定的极端百分数所出现的条件,可通过单一或多元的异常气象变量进行描述”。根据这个定义,鉴定和检测极端气候事件问题首次聚焦到对生态系统的诊断上,这就需要将极端生态系统对气象变量的即时和滞后效应进行归因,这显然是更为合理的评价方法。

有证据表明,极端事件不仅并发影响碳循环(例如,在火灾事件中减少植被生产力或破坏碳库),同时还会带动滞后反应。例如,一个异常温暖季之后的一年,草原中土壤的异养呼吸增强,抵消了生态系统碳的净吸收;土壤冻结增加了森林中异养呼吸应对夏季干旱的敏感性;在许多案例中,严重干旱会导致树木死亡率的增加。有关极端事件对生态系统碳循环的滞后和遗留效应,我们还不太了解,可能会涉及到不同组织水平和时间尺度上的多个协同和拮抗机制,为此提出了层次响应框架。这些机制包括:(1) 减少植物对非生物胁迫(例如,通过抗氧化剂,渗透性或膜稳定性的改变)的抗性、害虫和病原体(例如,通过改变次生代谢产物),以及它们对植物性能的影响;(2) 改变凋落物和根际沉积的数量、质量和时间;(3) 对土壤物理和化学特性(土壤有机质组分、团聚体稳定性、疏水性)的影响;以及(4) 植物、微生物和动物物种组成的变化(例如,真菌数目增加,因为真菌比细菌更抗旱),以及碳和氮循环的相关变化,这会反馈于(1)-(3)。

除了上述在生态系统水平的机制外,在社会和经济系统中同样存在滞后效应。例如,如果低产量提高了食品的价格,就会鼓励更多人将森林转变为农田或草原。

极端气候可诱导一系列相互关联的影响,所有这些影响有可能在不同时间尺度深刻地改变生态系统的碳平衡。下图采用热浪和干旱的效应对此进行了说明:这种类型的极端气候对CO2的通量有直接影响,因为光合作用和呼吸作用都会对更温暖的温度和土壤水分限制发生反应。此外,这些因素在叶片、生态系统和区域尺度是协同工作的。干旱导致植物气孔关闭,减少叶片蒸腾作用和蒸发冷却作用,加重了高气温(和强劲短波辐射)的影响。同样,在区域尺度上,土壤水分-温度反馈更可能导致在干燥土壤条件的热浪。




另外,土壤干旱意味着更多的负土壤水势和较低的土壤导水率,通常会导致在叶片和大气层之间更高的蒸汽压梯度,造成植物水分循环系统的胁迫在高温下进一步加剧。结果,木质部的高压触发了茎中水分运输的栓塞和部分失效,甚至是一个致死的促成因素。这种机制,连同与碳水化合物代谢和虫害相关的机制,目前被认为是树木在干旱条件下死亡的一个主因。在这方面,植物死亡可能是炎热和干旱的一个滞后效应,至少在几十年里都会影响碳平衡,在当地和区域水文与气候的反馈作用下,导致植被覆盖的变化。干旱胁迫的进一步影响包括火灾风险的增加,病原体和害虫爆发的延迟反应,后者也与生态系统应对暴风雨的灵敏度以及森林中与风灾死亡有关。

虽然这种由不同极端气候引发的机制,可在概念上进行描述,但是它们具体的影响是高度依赖于生态系统类型的,这总结在下表中。

 

土地覆

盖类型

极端事件

关键影响机制

高度敏感地区的记录

对未来发生

的科学认识

碳循环影响

的科学认识

森林

暴风

l   风倒事件将碳库从活生物量转换为干的死木

l   风倒事件增加了增加火灾和病原体暴发的风险

亚马逊流域、北美、中欧

 

 


干旱炎热

l   水的有效性会影响植物生理、物候和碳分配模式

l   增加树木死亡、火灾风险和病原体的易感性

l   植被组成发生变化(影响大,长寿命的树木会延迟这种影响)

中欧、北美西部、亚马逊流域

低到中

中到高


火灾

l   树木死亡对森林中巨大碳库有巨大而快速的影响

北美西部、东南亚、地中海、环寒带林区、亚马逊流域

 

 


冰暴和霜冻

 

l   物理伤害可以包括对整个森林的破坏

l   木质部栓塞和干燥

中国、北美

 

中到高(对低温来说)

 

草原

 

干旱炎热

l   物种组成变化(尤其是加上额外的压力如过度放牧)

l   退化和沙漠化(特别是加上过度放牧)

l   侵蚀(加上强降雨或风暴)

北美、欧洲、中亚

 

低到中

中到高

 

农田

 

风暴

 

l   风力侵蚀和对碳循环后果不清楚的土壤位移

l   直接损害作物

中国、北美

 


强降雨

(包括冰雹)

 

l   造成土壤损失和位移的侵蚀,以及因此对碳的影响

l   影响土壤长期生产能力的侵蚀

l   农作物损坏,或冰雹和土壤淹水及后续的厌氧条件产生的问题

l   作物倒伏,即谷类作物的茎被垂向茎永久取代

l   增加害虫和病原体

热带地区、北美、澳大利亚、地中海、西欧、东亚

中到高

(对冰雹来说是低)


干旱和炎热

l   降低生长或整个作物歉收

欧洲、北美、中国

低到中


极端寒冷

l   降低生长

l   整个冬季作物歉收,尤其是春季的霜冻(结合干旱胁迫)

北美、南澳大利亚、欧洲

中到高

 

参考资料

[1] Science News: 'Half' of Extreme Weather Impacted by Climate Change. 20130905. http://news.sciencemag.org/climate/2013/09/half-extreme-weather-impacted-climate-change?rss=1

[2]http://www.ametsoc.org/2012extremeeventsclimate.pdf

[3]Climate extremes and the carbon cycle. Nature 2013-08-15, V500: 287-295


【注】本文部分内容被整理后发表在2014年10月30日的《中国气象报》上,http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/201410/t20141030_265473.html




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