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(duì)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)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(duì)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(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(shì)，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(diǎn)和再分析網(wǎng)格數(shù)據(jù)系統(tǒng)評(píng)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(gè)生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力下降。”

生態(tài)系統(tǒng)的碳動(dòng)態(tài)涵蓋碳吸收和碳排放兩個(gè)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(gè)地球，不同緯度地區(qū)的固碳能力對(duì)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(shí)，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(huì)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(duì)極端高溫事件的響應(yīng)關(guān)系。

“地球系統(tǒng)模式是預(yù)測(cè)固碳功能的主要工具，但我們通過對(duì)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(shí)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(bào)》，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(shí)間較長的單一極端事件或單一地區(qū)的定量評(píng)估工作，缺乏對(duì)全球范圍內(nèi)極端高溫事件的長期趨勢(shì)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(shí)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(shí)現(xiàn)碳中和的重要一環(huán)。

“此前，極端高溫事件會(huì)通過影響植物的光合作用和呼吸作用削弱整個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)采集難，如何篩選出確定性的數(shù)據(jù)更是一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)。

“這項(xiàng)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(cè)手段，基于渦度相關(guān)觀測(cè)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(gè)左右，且分布不均，目前能有效獲取規(guī)范觀測(cè)數(shù)據(jù)的通量塔數(shù)量僅200個(gè)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(cè)的需要。

“我們把整個(gè)地球劃分成不同空間格點(diǎn)，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(diǎn)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(duì)量化了極端高溫事件對(duì)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(duì)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(jià)值進(jìn)行評(píng)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(huì)、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(lì)。

“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(gè)例子，當(dāng)你去碳市場(chǎng)進(jìn)行交易時(shí)，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(diǎn)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(duì)又遇到了新問題。

“關(guān)于極端高溫事件對(duì)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?cè)谏鷳B(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(shí)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(duì)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(duì)，遇山開山，遇水架橋，方法不對(duì)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(shí)間，終于研發(fā)了多時(shí)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(diǎn)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(duì)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(duì)性地為“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施提供科學(xué)參考。

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