近年來，熱浪席卷，全球極端高溫事件的頻率和強(qiáng)度顯著增加，對生態(tài)系統(tǒng)和社會生活造成深遠(yuǎn)影響。

近日，中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所土地變化與生態(tài)模擬科研團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，全球極端高溫事件不僅變得更頻繁，強(qiáng)度也在增加，以0.82天/年的頻率和0.023°C/年的強(qiáng)度增長，這顯著減弱了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。

該研究得到國家引才計劃、國家自然科學(xué)基金項目的支持，成果發(fā)表于《自然—生態(tài)與進(jìn)化》。

敲響“綠色警鐘”

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

“我們結(jié)合大氣反演模型、地球系統(tǒng)模式、機(jī)器學(xué)習(xí)模型模擬的碳通量數(shù)據(jù)，以及全球氣象站點和再分析網(wǎng)格數(shù)據(jù)系統(tǒng)評估了近40年全球極端高溫事件的演變規(guī)律。”論文第一作者、中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所研究員袁秀亮表示，“我們發(fā)現(xiàn)，極端高溫事件變得越來越頻繁，強(qiáng)度也在增強(qiáng)，這導(dǎo)致整個生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力下降。”

生態(tài)系統(tǒng)的碳動態(tài)涵蓋碳吸收和碳排放兩個方面。在碳吸收過程中，陸地生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用吸收二氧化碳，形成光合產(chǎn)物，然而隨著溫度升高，植物為了減少水分蒸發(fā)而關(guān)閉氣孔，限制了二氧化碳的吸收。在碳排放方面，高溫使生態(tài)系統(tǒng)呼吸強(qiáng)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(yuǎn)大于碳排放能力的下降幅度。

“放眼整個地球，不同緯度地區(qū)的固碳能力對極端高溫事件的響應(yīng)不同。”論文通訊作者、中國科學(xué)院新疆生態(tài)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(dāng)遇上高溫?zé)崂藭r，赤道地區(qū)和高緯度地區(qū)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(tài)系統(tǒng)的固碳能力。”

此外，本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)前地球系統(tǒng)模式并不能有效模擬植被對極端高溫事件的響應(yīng)關(guān)系。

“地球系統(tǒng)模式是預(yù)測固碳功能的主要工具，但我們通過對比遙感反演和機(jī)器學(xué)習(xí)估算的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)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(xué)報》，在極端高溫事件的“烤”問下，“綠色警鐘”已然敲響。

突破精準(zhǔn)性難題

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

2020年，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，羅格平愈發(fā)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(tài)固碳就是實現(xiàn)碳中和的重要一環(huán)。

“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(tài)系統(tǒng)的固碳功能，雖然在理論層面上可以解釋，卻缺少數(shù)據(jù)支撐。”羅格平說，但要想通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)論證，不是件容易事。

全球不同緯度區(qū)域的差異性很大，不僅對數(shù)據(jù)采集難，如何篩選出確定性的數(shù)據(jù)更是一項艱巨挑戰(zhàn)。

“這項工作我們做了五年。”羅格平感慨道，生態(tài)系統(tǒng)通量塔是現(xiàn)在最直接、最有效的衡量陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力的觀測手段，基于渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)精度得到了廣泛認(rèn)可，但通量塔建設(shè)和維護(hù)以及數(shù)據(jù)處理成本高，數(shù)量非常有限，全球數(shù)據(jù)公開的也只有1000個左右，且分布不均，目前能有效獲取規(guī)范觀測數(shù)據(jù)的通量塔數(shù)量僅200個左右，完全無法滿足局地、區(qū)域或全球尺度的生態(tài)固碳精準(zhǔn)監(jiān)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(qū)域，就利用氣象站和其他遙感信息，建立了其和相關(guān)通量塔之間的聯(lián)系，以便精準(zhǔn)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(shù)據(jù)技術(shù)，團(tuán)隊量化了極端高溫事件對全球生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的影響。

“生態(tài)變現(xiàn)”需要標(biāo)準(zhǔn)

“生態(tài)固碳除了是碳中和的關(guān)鍵環(huán)節(jié)外，其交易變現(xiàn)也是鄉(xiāng)村振興的重要途徑。通過對廣大鄉(xiāng)村綠色資產(chǎn)中生態(tài)固碳所具有的經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行評定和核算，通過碳交易將生態(tài)資產(chǎn)變現(xiàn)為資金，再將資金轉(zhuǎn)化為社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。”羅格平表示，但要想把生態(tài)產(chǎn)品通過碳交易的方式變現(xiàn)，必須得有公認(rèn)的國家規(guī)范和認(rèn)證體系。

碳交易是指將二氧化碳排放權(quán)作為一種商品進(jìn)行交易，為生態(tài)系統(tǒng)固碳抵消工業(yè)碳排放提供經(jīng)濟(jì)激勵。

“這也是工業(yè)反哺生態(tài)的有效途徑，但現(xiàn)在缺少可行的生態(tài)固碳核算國家規(guī)范和認(rèn)證體系，難以推廣應(yīng)用。”羅格平舉了個例子，當(dāng)你去碳市場進(jìn)行交易時，需要有交易雙方遵循的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系，怎樣核算生態(tài)固碳數(shù)量才能得到交易機(jī)構(gòu)認(rèn)可?如何尋找潛在碳交易權(quán)的買家?都是碳交易能否成功的關(guān)鍵。

通過建立氣象站和空間格點與通量塔間的聯(lián)系，解決了生態(tài)固碳精準(zhǔn)核算難題后，羅格平團(tuán)隊又遇到了新問題。

“關(guān)于極端高溫事件對生態(tài)固碳的影響，除了有效支撐數(shù)據(jù)外，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)分析方法也很關(guān)鍵。但這種數(shù)學(xué)方法，我們在生態(tài)領(lǐng)域的研究中很少應(yīng)用。”羅格平說，找了國內(nèi)幾家高校無果后，他們決定舍近求遠(yuǎn)，經(jīng)“牽線”聯(lián)系到比利時安德衛(wèi)普大學(xué)的一名教授，通過跨國、跨學(xué)科的合作，找到了分析極端高溫事件對生態(tài)固碳影響的新方法。

在此過程中，羅格平、袁秀亮帶領(lǐng)十余人的團(tuán)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(wù)器，前前后后用了五年多的時間，終于研發(fā)了多時空尺度不同生態(tài)系統(tǒng)類型固碳精準(zhǔn)核算的方法，并逐步形成了生態(tài)固碳精準(zhǔn)核算的技術(shù)規(guī)范。目前已經(jīng)發(fā)布了氣象站點生態(tài)固碳精準(zhǔn)核算技術(shù)規(guī)范。

“隨著極端高溫事件頻率和強(qiáng)度的持續(xù)增強(qiáng)，對陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力構(gòu)成嚴(yán)重威脅。”袁秀亮說，未來必須加強(qiáng)地球系統(tǒng)模式在植被—極端高溫互饋關(guān)系方面的模擬能力研究，有針對性地為“雙碳”戰(zhàn)略實施提供科學(xué)參考。

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