近百年来，由于煤、石油等化石燃料的大量使用，二氧化碳等温室气体的大量排放使大气温度急剧上升，全球正在明显变暖。
在未来100年内，人类仍将继续排放大量温室气体。在这种变化趋势下，陆地生态系统是否能继续吸收大气中的二氧化碳，是否会达到碳饱和，何时达到碳饱和，是关系未来地球环境和社会经济发展的重要问题。
目前，对未来全球陆地生态系统碳吸收潜力的预测已有不少研究。而对于中国陆地生态系统在未来100年内的碳平衡的相关研究，科学家还较少涉及。最近，在国家自然科学基金重大项目和“973”计划的资助下，中国科学院大气物理研究所研究员季劲钧等，利用大气—植被相互作用模型（AVIM2）模拟研究了中国陆地生态系统碳贮量的变化和与大气的碳交换，预测了中国陆地生态系统碳平衡各通量对21世纪大气二氧化碳浓度增加和气候变化的响应。
研究表明，如果假定未来100年大气二氧化碳浓度不变而只考虑气候变化时，大约到2020年，中国陆地生态系统就将由21世纪初的碳汇变成碳源。但在同时考虑未来气候变化和大气二氧化碳浓度增加时，由于二氧化碳的“施肥效应”会提升植被的总碳贮量，在未来100年内，中国陆地生态系统还将是一个弱碳汇。
这一成果发表在《中国科学D辑：地球科学》2008年第2期上。
为战略决策和国际谈判提供科学依据
在1997年签署的《京都议定书》中规定，在2008年至2012年期间，38个主要发达国家的二氧化碳等6种温室气体的排放量需要在1990年的基础上平均削减5.2％，其中美国削减7％、欧盟减排8％、日本和加拿大分别削减6％，其他国家削减额度较小。协议还要求包括中国和印度等在内的温室气体排放量大的发展中国家自愿制定排放目标。
虽然该协定书没有对发展中国家的二氧化碳排放量作出什么限制，但这只是时间问题。而且，自布什上台后，美国就一直拒绝执行《京都议定书》，其理由之一，就是认为像中国、印度这样二氧化碳排放量大的发展中国家也应承担减少排放的义务。
随着经济的迅猛发展，中国已经成为继美国之后的第二大二氧化碳排放国，中国的碳循环问题也因此日益受到国际社会的关注。
作为一个负责任的大国，我国一直在采取各种环境保护措施，并积极参与各项国际合作来为保护和改善地球环境作出自己的贡献。
“在这种情况下，我国在今后一段时间内总的碳收支情况如何，我国陆地生态系统具体是碳源还是碳汇等问题的答案，对我国政府在外交谈判中的立场和相关政策的制定都会产生重要影响。”季劲钧说。
季劲钧告诉记者，他们的研究主要是充分利用现有的各种观测资料，并利用机理性的模型，估算出未来一个世纪我国陆地生态系统碳循环状况和碳收支的相关数据，为政府的战略决策和国际谈判提供科学依据。
综合数据完善模型
季劲钧指出，研究表明，排放到大气中的二氧化碳大约有一半长期存留在大气中，其余部分被海洋和陆地生态系统吸收。陆地生态系统是地球表层很大的碳库，储存在植物体和土壤有机物中的碳总量约为大气碳总量的3倍。
“长期直接测定植被对大气二氧化碳的吸收率，是估计陆地生态系统碳吸收能力的最基本方法，但是要预测未来区域乃至全球生物圈对大气二氧化碳的吸收潜力，就必须运用机理性的生态系统模式去作出预测。”季劲钧补充道。
季劲钧课题组利用我国自主发展的大气—植被相互作用模型，主要讨论了NPP (Net Primary Productivity，植被净初级生产力：植被总初级生产力扣除总呼吸的剩余部分，即植被与大气之间的碳交换率）、植被和土壤碳贮量、NEP (Net Ecosystem Productivity，净生态系统生产力：净初级生产力与土壤异养呼吸之差，即生态系统与大气之间的碳交换率）对特定的气候变化情景和大气二氧化碳浓度变化情景的响应。
课题组基于IPCC（联合国政府气候变化专门委员会）于2000年发布的《排放情景特别报告》（SRES）中的B2情景（可持续发展情景）对未来温室气体排放进行了假定：全球人口增长较慢、社会发展符合环境保护要求、经济和社会维持可持续发展，那么农作物种植面积到2100年增加约14%，大气二氧化碳浓度将达到621ppmv (百万分之体积浓度)。
为了对模型研究中复杂植被类型进行必要简化，课题组利用国际地圈生物圈计划（IGBP）的植被功能型分类系统来代替生态系统类型。
此外，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员许吟隆为课题组提供了利用英国Hadley中心发展的区域气候模式系统（PRECIS）所预测的中国区域高分辨率（50公里）的21世纪气候变化情景数据。
课题组的预测研究覆盖了全部中国陆地，空间分辨率为50公里。研究中采用的土壤质地和植被分类数据是在分辨率为0.1经纬度网格的中国土壤质地和植被分类数据的基础上，经过在ARC-GIS软件平台上进行重采样得到的。其中土壤质地的分类主要反映各地土壤表层内矿质颗粒大小的比例，和我国境内不同土壤质地的地理分布特点及规律，以土壤中各粒级含量的相对百分比作为标准来进行划分。
将上述数据引入模型得到的运算结果是，在不考虑未来100年大气二氧化碳浓度变化的作用，而只考虑气候变化的情况下，中国陆地生态系统的NPP是逐渐下降的，这是因为增温对生态系统的呼吸率的增强大于光合速率的增强所致。与此同时，植被碳和土壤碳的储量也是下降的。土壤总碳量的下降和增温的共同作用使土壤总的呼吸在未来变化很少，因此，NEP会随着NPP的减少而减少。在大约20年后，中国陆地生态系统由21世纪初的碳汇变成碳源。
在同时考虑未来气候变化和大气中二氧化碳浓度增加的共同作用时，未来100年中国陆地生态系统的碳通量和碳储存将产生很大变化。由于大气中二氧化碳浓度的变化将直接影响植物的生理过程并能显著增强光合作用，尽管植物呼吸因增温而增强，但总的NPP仍将持续增长。与此同时，由于土壤呼吸因碳库的增大和增暖而加大，因此NEP经过一段时间上升以后，大约在2050年达到最大值，之后逐渐下降，到21世纪末，接近于零。这时，植被和土壤的碳库缓慢地增长。因此，中国陆地生态系统将处于弱碳汇状态。
研究仍待深入
季劲钧指出，他们得到的上述结果是在假定中国的发展模式是B2情景下获得的，这在各种碳排放方案中是一种中低水平的方案。全球和中国的增温较小，到21世纪末中国平均增温约为3℃左右。因此，该研究结果是对全球区域可持续发展前提下的一种可能的碳通量和碳储存变化的预测。
在该预测研究中，假定地表覆盖保持不变，这包含了一定的不确定性，可能在某种程度上低估了中国未来地表覆盖变化引起的碳排放的增加，而且也没有考虑森林火灾等因素对碳排放的可能影响。
但是，近几十年来中国实施了大规模的植树造林，而且还在不断地进行退耕还林、退耕还草工作，许多地区的人工林尚处于幼林期，吸收碳的能力远大于试验中假定的成熟林，所以又有可能人为低估了生态系统的碳吸收能力。
而且，在未来一个世纪里，温度升高将是气候变化的最显著特征，生态系统的结构功能和空间分布也会随之产生相应的变化，只是会有一个缓慢的适应和演变的过程。这也将改变陆地生态系统的碳交换和碳储存结果，而季劲钧课题组的模式尚未包含这一过程。在AVIM2的一个相关模块中，课题组虽然考虑了土壤氮、土质和土壤温湿度对土壤呼吸的影响，但由于这些过程都很复杂，在过程的参数化中存在很多不确定性，也可能影响生态系统碳源汇的强度。
因此，季劲钧强调，课题组现在的研究成果中给出的未来100年中国陆地生态系统的净初级生产力、植被和土壤碳储存，以及生态系统净碳交换的时间变化和空间分布还只是一个初步的结果，尚有许多方面的工作要做，以减少模拟的不确定性，改进现有的研究结论。（来源：科学时报 陈晨）
（《中国科学D辑：地球科学》，2008 38 (2): 211-223，季劲钧, 黄玫, 李克让）
