作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2015/7/9 9:10:52
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科学家为全球森林“称重”
旨在确定森林是否通过吸收更多二氧化碳减缓全球变暖

 

研究显示,全球树木正在经历一次快速生长,并且正吸收数十亿吨温室气体。这意味着树木正在削弱全球变暖。

红杉树能储存大量的二氧化碳。图片来源: National Geographic Creative

在美国切萨皮克湾西面的一片森林中,Geoffrey Parker用卷尺测量了一棵鹅掌楸幼苗的“腰围”。他在野外记录簿上草草记下读数,用蓝色粉笔给这棵树做上记号,然后走到下一棵树干。Parker在每棵树上花费约10秒钟,包括拉卷尺、测量、记录。从1987年起,他和其他人在马里兰州滨水市附近的史密森环境研究中心(SERC)试验地记录了30多万棵树木测量结果。

这片1070公顷的试验地长满了鹅掌楸、橡树和其他落叶树。一些粗壮的样本已在这里矗立了上百年。其他的则只有十年树龄,仿佛刚从最近被砍伐过的土地上长出。为密切关注这些树木的生长,研究人员每隔3到5年会进行一次测量。

所有这些耐心的记录能帮助回答关于气候变化的两个重要问题:树木正在吸收多少二氧化碳?它们的能力是否会随着时间的推移而衰退?Parker团队和其他人的研究显示,全球树木正在经历一次快速生长,并且正在吸收数十亿吨温室气体。这意味着树木正在削弱全球变暖。不过,Parker说,没人能保证树木将继续保持这一势头。“我认为,这有点像一些优秀运动员使用的表现增强剂:它能提升表现,但不会是长久之计。”

失踪的碳汇

上世纪90年代,研究人员在试图追踪人类通过燃烧化石燃料释放的所有碳时遇到了一个谜题。测量结果显示,约四分之三的二氧化碳在大气和海洋中积聚。剩下的据推测在陆地被捕获,但没人知道它去了哪里。这个问题就是人们所熟知的“失踪的碳汇”。

通过光合作用将二氧化碳从空气中分离出来的全球森林是一个可能的隐藏地。目前,它们共同持有约6500万亿吨碳,而且看上去它们可能正在吸收消失的碳汇是合理的。

不过,生态学家对于森林是失踪碳汇的承认有点姗姗来迟。该研究领域的沉默在很大程度上来自先驱生态学家Eugene Odum所做的工作。他在上世纪60年代提出,不受干扰的生态系统会快速达到一个平衡,此后它们通过呼吸、死亡、腐烂丧失的碳和通过光合作用获得的碳在数量上是一样的。由于没有太多相反的证据,Odum的范式统治了几十年。“在数学上,如果某事处于平衡状态,会很方便。”来自法国伊维特河畔吉夫气候科学与环境实验室的Sebastiaan Luyssaert说,“我们很满足于它,因为它让生活变得更加简单。”

不过,随着生态学家分析来自森林研究试验地大网络的长期数据,这一情况开始发生变化。很多测量结果来自3个项目:亚马逊森林资源网络(RAINFOR)、非洲热带雨林观测网络(AfriTRON)以及包括SERC森林和全球61个其他试验地的史密森尼森林全球观测台(ForestGEO)网络。

从上世纪90年代末开始,RAINFOR和AfriTRON网络的科学家开始报告称,完好无损的热带森林正在增加生物量,而这同Odum的假设相矛盾。在切萨皮克试验地,史密森学会生态学家Sean McMahon和他的同事分析了22年的有效数据,并且发现所有年龄段的树木都在以超出预期2~4倍的速度生长。树木生长记录得到了在北美和欧洲20多处地方的高塔上所测二氧化碳数值的支持:这些“通量塔”显示,很多森林正在吸收的二氧化碳要高于其排放值。

研究人员推测,一些因素起到了作用。由于树木需要二氧化碳进行光合作用,因此这种气体在大气中的累积能为植物提供肥料,使其生长得更快。同时,二氧化碳使地球变暖,而这会延长树木的生长季并且加速参与生长的依赖于温度的过程。目前,科学家正在探究哪个因素所起的作用最大。

无论原因是什么,所有加速生长的因素都在对全球碳循环产生重要影响。2011年,由美国森林管理局研究人员Yude Pan和Richard Birdsey领导的一个国际团队认为,全球树木在1990~2007年间固定的碳足以解释全部消失的碳汇。“最饥饿”的碳吸收者是温带森林,尤其是在那些废弃的农田让位于快速生长的幼树的地区。高纬度北方针叶林吞食了较少量的二氧化碳,而热带森林总的来说没有吸收碳,因为热带森林砍伐释放的二氧化碳和森林吸收的几乎一样多。该团队预测,如果森林砍伐停止,地球上的森林能吸收人类活动排放的约一半二氧化碳,而这会极大地减缓全球变暖。

来自天空的帮助

由于研究人员一次只能通过卷尺测量全球森林的一小部分,因此他们正在飞到天空获得更加广阔的视野。一些飞机和卫星配备有基于激光的雷达系统,能测量树顶的高度。随后,科学家可利用森林的平均树冠高度和树木种类预估一个地区的生物量。

加州斯坦福卡内基科学研究所生态学家Gregory Asner介绍说,安装在飞机上的雷达能在1小时内收集3.5万公顷的数据。目前,其基于雷达的森林生物量预估值的不确定性同地面研究相比已降低到10%左右,尽管其他人认为两类预估值的不确定性都很大。

从一个真正全球的角度来看,科学家一致认为,没有什么比卫星更重要了。虽然现有地球观测卫星缺少从飞机或地面上所获得观测结果的精确度,但它能填补那些数据较少或不存在的地区。美国宇航局(NASA)于2014年7月发射的“轨道碳观测者2号”(OCO-2)卫星将很快提供帮助定位失踪碳汇的第一手数据。该卫星利用谱仪在百万分之几的精度内测量二氧化碳浓度,从而使科学家得以标明碳正在被释放和吸收的位置。相同设备开展的分离测量能决定有多少光合作用正在一个特定位置发生。

尽管OCO-2无法直接测量树木的生物量,但它将为科学家提供足够数据,使其确定有多少碳正在进入和离开不同的生态系统。NASA希望在今年年末发布来自该卫星的初始结果,但在这些数据能解决森林碳汇是否正发生改变的问题之前,还需要至少好几年的时间。即使那样,OCO-2的测量结果也无法回答碳是否正在进入树木、土壤或其他地方。因此,OCO-2首席科学家David Crisp认为,届时仍将需要地面观测。

明天的森林

其他试图预测未来碳汇的科学家正在将时钟前拨,开展一些将现在的森林暴露于未来条件中的试验。一种策略是将二氧化碳用管道输入一片森林,使二氧化碳浓度从目前的百万分之400提高到百万分之550左右。这是在本世纪结束前预计达到的水平。

果然不出所料,在美国和欧洲开展的试验中,被注入额外二氧化碳的树木生长得更快。不过,这种效果通常不会持续。领导其中一项试验的田纳西州橡树岭国家实验室生态学家Richard Norby表示,一种解释是增强后的树木或许很快耗尽其他的关键营养物质比如氮。

目前,来自美国、英国和巴西的研究人员正在巴西玛瑙斯构建希望能在明年开始的二氧化碳富集试验。参与RAINFOR和AfriTRON网络的利兹大学和伦敦大学学院生态学家Simon Lewis介绍说,此项试验将提供关于热带地区树木的重要信息,但不会代表该地区所有森林的未来。他表示,玛瑙斯附近地区拥有比亚马逊其他地方更为贫瘠的土壤,因此树木生长得较慢,并且“需要更长的时间见到效果”。

与此同时,研究人员正尝试利用其他方法预测未来。约20个团队建立了试图模拟地球气候和植被的地球系统模型,包括模拟碳如何在海洋、大气和陆地之间移动。这些模型目前以一种简化的方式代表森林,但对未来有着不同的解释。一些模型预测,接下来的几十年里森林将继续吸收大量碳,而其他模型认为,森林将受到干旱和高温的胁迫并且枯死,从而向大气中释放碳。

从单独的树木测量到卫星数据,再到计算机模拟,正在兴起的关于森林的见解都将在各国如何决定管理其资源方面起到一定作用。这对全球气候谈判也有重要意义,因为一些碳减排计划依赖于此奖励那些将碳持续“锁”在森林中的国家。为实现这一工作,研究人员将需要找到追踪不断变化的森林碳数量的可靠方法。Muller-Landau表示,现有的森林生物量预测不确定性程度“无法精确地提供很多信心”。在她看来,对于碳计量而言,“有一些可验证的东西至关重要”。(宗华)

《中国科学报》 (2015-07-09 第3版 国际)
 
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