热浪频发 地球“绿肺”固碳功能告急

近年来，热浪席卷，全球极端高温事件的频率和强度显著增加，对生态系统和社会生活造成深远影响。

近日，中国科学院新疆生态与地理研究所土地变化与生态模拟科研团队发现，全球极端高温事件不仅变得更频繁，强度也在增加，以0.82天/年的频率和0.023°C/年的强度增长，这显著减弱了全球陆地生态系统固碳能力。

该研究得到国家引才计划、国家自然科学基金项目的支持，成果发表于《自然—生态与进化》。

敲响“绿色警钟”

《中国气候变化蓝皮书(2024)》显示，1961年以来，我国极端高温事件发生频次呈显著增加趋势，且阶段性变化特征明显，21世纪初以来明显偏多。

“我们结合大气反演模型、地球系统模式、机器学习模型模拟的碳通量数据，以及全球气象站点和再分析网格数据系统评估了近40年全球极端高温事件的演变规律。”论文第一作者、中国科学院新疆生态与地理研究所研究员袁秀亮表示，“我们发现，极端高温事件变得越来越频繁，强度也在增强，这导致整个生态系统的固碳能力下降。”

生态系统的碳动态涵盖碳吸收和碳排放两个方面。在碳吸收过程中，陆地生态系统通过光合作用吸收二氧化碳，形成光合产物，然而随着温度升高，植物为了减少水分蒸发而关闭气孔，限制了二氧化碳的吸收。在碳排放方面，高温使生态系统呼吸强度减弱，减少二氧化碳排放，但相较而言，碳吸收能力的下降幅度远大于碳排放能力的下降幅度。

“放眼整个地球，不同纬度地区的固碳能力对极端高温事件的响应不同。”论文通讯作者、中国科学院新疆生态与地理研究所研究员罗格平解释称，植物生长的适宜温度在15℃到25℃，当遇上高温热浪时，赤道地区和高纬度地区的植物生长情况可能截然不同，“但整体来看，极端高温事件会削弱全球生态系统的固碳能力。”

此外，本研究发现当前地球系统模式并不能有效模拟植被对极端高温事件的响应关系。

“地球系统模式是预测固碳功能的主要工具，但我们通过对比遥感反演和机器学习估算的数据，发现这一模式实际上高估了二氧化碳的吸收能力。”袁秀亮告诉《中国科学报》，在极端高温事件的“烤”问下，“绿色警钟”已然敲响。

突破精准性难题

“此前研究大多集中在持续时间较长的单一极端事件或单一地区的定量评估工作，缺乏对全球范围内极端高温事件的长期趋势如何影响陆地生态系统吸碳与排碳等环节的分析。”罗格平表示。

2020年，随着“双碳”目标的提出，罗格平愈发意识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，生态固碳就是实现碳中和的重要一环。

“此前，极端高温事件会通过影响植物的光合作用和呼吸作用削弱整个陆地生态系统的固碳功能，虽然在理论层面上可以解释，却缺少数据支撑。”罗格平说，但要想通过现有数据严谨论证，不是件容易事。

全球不同纬度区域的差异性很大，不仅对数据采集难，如何筛选出确定性的数据更是一项艰巨挑战。

“这项工作我们做了五年。”罗格平感慨道，生态系统通量塔是现在最直接、最有效的衡量陆地生态系统碳汇能力的观测手段，基于涡度相关观测系统采集的数据精度得到了广泛认可，但通量塔建设和维护以及数据处理成本高，数量非常有限，全球数据公开的也只有1000个左右，且分布不均，目前能有效获取规范观测数据的通量塔数量仅200个左右，完全无法满足局地、区域或全球尺度的生态固碳精准监测的需要。

“我们把整个地球划分成不同空间格点，在没有通量塔的区域，就利用气象站和其他遥感信息，建立了其和相关通量塔之间的联系，以便精准挖掘各格点的碳通量信息。”罗格平告诉记者，在本研究中，借助人工智能和大数据技术，团队量化了极端高温事件对全球生态系统固碳能力的影响。

“生态变现”需要标准

“生态固碳除了是碳中和的关键环节外，其交易变现也是乡村振兴的重要途径。通过对广大乡村绿色资产中生态固碳所具有的经济价值进行评定和核算，通过碳交易将生态资产变现为资金，再将资金转化为社会、经济和生态效益。”罗格平表示，但要想把生态产品通过碳交易的方式变现，必须得有公认的国家规范和认证体系。

碳交易是指将二氧化碳排放权作为一种商品进行交易，为生态系统固碳抵消工业碳排放提供经济激励。

“这也是工业反哺生态的有效途径，但现在缺少可行的生态固碳核算国家规范和认证体系，难以推广应用。”罗格平举了个例子，当你去碳市场进行交易时，需要有交易双方遵循的标准和认证体系，怎样核算生态固碳数量才能得到交易机构认可?如何寻找潜在碳交易权的买家?都是碳交易能否成功的关键。

通过建立气象站和空间格点与通量塔间的联系，解决了生态固碳精准核算难题后，罗格平团队又遇到了新问题。

“关于极端高温事件对生态固碳的影响，除了有效支撑数据外，科学严谨的数学分析方法也很关键。但这种数学方法，我们在生态领域的研究中很少应用。”罗格平说，找了国内几家高校无果后，他们决定舍近求远，经“牵线”联系到比利时安德卫普大学的一名教授，通过跨国、跨学科的合作，找到了分析极端高温事件对生态固碳影响的新方法。

在此过程中，罗格平、袁秀亮带领十余人的团队，遇山开山，遇水架桥，方法不对就找合作，算力不足就租服务器，前前后后用了五年多的时间，终于研发了多时空尺度不同生态系统类型固碳精准核算的方法，并逐步形成了生态固碳精准核算的技术规范。目前已经发布了气象站点生态固碳精准核算技术规范。

“随着极端高温事件频率和强度的持续增强，对陆地生态系统的固碳能力构成严重威胁。”袁秀亮说，未来必须加强地球系统模式在植被—极端高温互馈关系方面的模拟能力研究，有针对性地为“双碳”战略实施提供科学参考。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41559-024-02576-5