近年來，熱浪席卷，全球極端高溫事件的頻率和強度顯著增加，對生態系統和社會生活造成深遠影響。

 

近日，中國科學院新疆生態與地理研究所土地變化與生態模擬科研團隊發現，全球極端高溫事件不僅變得更頻繁，強度也在增加，以0.82天/年的頻率和0.023°C/年的強度增長，這顯著減弱了全球陸地生態系統固碳能力。

 

該研究得到國家引才計劃、國家自然科學基金項目的支持，成果發表于《自然—生態與進化》。

 

敲響“綠色警鐘”

 

《中國氣候變化藍皮書（2024）》顯示，1961年以來，我國極端高溫事件發生頻次呈顯著增加趨勢，且階段性變化特征明顯，21世紀初以來明顯偏多。

 

“我們結合大氣反演模型、地球系統模式、機器學習模型模擬的碳通量數據，以及全球氣象站點和再分析網格數據系統評估了近40年全球極端高溫事件的演變規律。”論文第一作者、中國科學院新疆生態與地理研究所研究員袁秀亮表示，“我們發現，極端高溫事件變得越來越頻繁，強度也在增強，這導致整個生態系統的固碳能力下降。”

 

生態系統的碳動態涵蓋碳吸收和碳排放兩個方面。在碳吸收過程中，陸地生態系統通過光合作用吸收二氧化碳，形成光合產物，然而隨著溫度升高，植物為了減少水分蒸發而關閉氣孔，限制了二氧化碳的吸收。在碳排放方面，高溫使生態系統呼吸強度減弱，減少二氧化碳排放，但相較而言，碳吸收能力的下降幅度遠大于碳排放能力的下降幅度。

 

“放眼整個地球，不同緯度地區的固碳能力對極端高溫事件的響應不同。”論文通訊作者、中國科學院新疆生態與地理研究所研究員羅格平解釋稱，植物生長的適宜溫度在15℃到25℃，當遇上高溫熱浪時，赤道地區和高緯度地區的植物生長情況可能截然不同，“但整體來看，極端高溫事件會削弱全球生態系統的固碳能力。”

 

此外，本研究發現當前地球系統模式并不能有效模擬植被對極端高溫事件的響應關系。

 

“地球系統模式是預測固碳功能的主要工具，但我們通過對比遙感反演和機器學習估算的數據，發現這一模式實際上高估了二氧化碳的吸收能力。”袁秀亮告訴《中國科學報》，在極端高溫事件的“烤”問下，“綠色警鐘”已然敲響。

 

突破精準性難題

 

“此前研究大多集中在持續時間較長的單一極端事件或單一地區的定量評估工作，缺乏對全球范圍內極端高溫事件的長期趨勢如何影響陸地生態系統吸碳與排碳等環節的分析。”羅格平表示。

 

2020年，隨著“雙碳”目標的提出，羅格平愈發意識到生物方式固碳中和部分非生物方式碳排放的重要性，其中，生態固碳就是實現碳中和的重要一環。

 

“此前，極端高溫事件會通過影響植物的光合作用和呼吸作用削弱整個陸地生態系統的固碳功能，雖然在理論層面上可以解釋，卻缺少數據支撐。”羅格平說，但要想通過現有數據嚴謹論證，不是件容易事。

 

全球不同緯度區域的差異性很大，不僅對數據采集難，如何篩選出確定性的數據更是一項艱巨挑戰。

 

“這項工作我們做了五年。”羅格平感慨道，生態系統通量塔是現在最直接、最有效的衡量陸地生態系統碳匯能力的觀測手段，基于渦度相關觀測系統采集的數據精度得到了廣泛認可，但通量塔建設和維護以及數據處理成本高，數量非常有限，全球數據公開的也只有1000個左右，且分布不均，目前能有效獲取規范觀測數據的通量塔數量僅200個左右，完全無法滿足局地、區域或全球尺度的生態固碳精準監測的需要。

 

“我們把整個地球劃分成不同空間格點，在沒有通量塔的區域，就利用氣象站和其他遙感信息，建立了其和相關通量塔之間的聯系，以便精準挖掘各格點的碳通量信息。”羅格平告訴記者，在本研究中，借助人工智能和大數據技術，團隊量化了極端高溫事件對全球生態系統固碳能力的影響。

 

“生態變現”需要標準

 

“生態固碳除了是碳中和的關鍵環節外，其交易變現也是鄉村振興的重要途徑。通過對廣大鄉村綠色資產中生態固碳所具有的經濟價值進行評定和核算，通過碳交易將生態資產變現為資金，再將資金轉化為社會、經濟和生態效益。”羅格平表示，但要想把生態產品通過碳交易的方式變現，必須得有公認的國家規范和認證體系。

 

碳交易是指將二氧化碳排放權作為一種商品進行交易，為生態系統固碳抵消工業碳排放提供經濟激勵。

 

“這也是工業反哺生態的有效途徑，但現在缺少可行的生態固碳核算國家規范和認證體系，難以推廣應用。”羅格平舉了個例子，當你去碳市場進行交易時，需要有交易雙方遵循的標準和認證體系，怎樣核算生態固碳數量才能得到交易機構認可？如何尋找潛在碳交易權的買家？都是碳交易能否成功的關鍵。

 

通過建立氣象站和空間格點與通量塔間的聯系，解決了生態固碳精準核算難題后，羅格平團隊又遇到了新問題。

 

“關于極端高溫事件對生態固碳的影響，除了有效支撐數據外，科學嚴謹的數學分析方法也很關鍵。但這種數學方法，我們在生態領域的研究中很少應用。”羅格平說，找了國內幾家高校無果后，他們決定舍近求遠，經“牽線”聯系到比利時安德衛普大學的一名教授，通過跨國、跨學科的合作，找到了分析極端高溫事件對生態固碳影響的新方法。

 

在此過程中，羅格平、袁秀亮帶領十余人的團隊，遇山開山，遇水架橋，方法不對就找合作，算力不足就租服務器，前前后后用了五年多的時間，終于研發了多時空尺度不同生態系統類型固碳精準核算的方法，并逐步形成了生態固碳精準核算的技術規范。目前已經發布了氣象站點生態固碳精準核算技術規范。

 

“隨著極端高溫事件頻率和強度的持續增強，對陸地生態系統的固碳能力構成嚴重威脅。”袁秀亮說，未來必須加強地球系統模式在植被—極端高溫互饋關系方面的模擬能力研究，有針對性地為“雙碳”戰略實施提供科學參考。

 

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41559-024-02576-5

 

 

圖：極端高溫天氣對凈生態系統碳交換量的影響（課題組供圖）