气候变暖和森林面积的扩大显著增强了中国的森林甲烷汇效应

《Agricultural and Forest Meteorology》：Climate warming and forest expansion significantly enhance China’s forest methane sink

中国森林甲烷汇时空动态及驱动机制研究。基于5929条观测数据，采用随机森林模型分析显示，1982-2020年中国森林年均甲烷吸收量为287.1 mg/m2/yr，总汇0.47 Tg/yr，呈显著上升趋势。主要驱动因素包括气候变暖（温度升高贡献42%）、土壤湿度下降（35%）及森林扩张（23%）。空间上西南和秦岭地区汇量较高，东北和东南较低。

　　森林是最大的生物源甲烷汇，其甲烷吸收能力的准确评估对于实现温室气体减排目标以及管理甲烷源汇具有重要意义。然而，由于观测数据有限和驱动机制尚不明确，大多数森林甲烷汇的评估仍存在较大的不确定性。本研究利用实地森林甲烷通量数据库和随机森林方法，探讨了中国森林甲烷吸收通量的时空动态及其驱动机制。结果显示，1982年至2020年间，中国森林的年甲烷吸收通量和总汇分别为287.1（272.2至301.8）mg CH? m?2 yr?1和0.47（0.44至0.49）Tg CH? yr?1，表明森林整体上是甲烷的净汇。进一步分析发现，温度升高和土壤湿度下降是导致中国森林甲烷吸收通量上升的主要因素，而森林面积的快速扩张几乎主导了中国森林甲烷汇总量的增加。此外，本研究强调了气候变暖与干旱以及植树造林对甲烷汇增强的积极作用。

近年来，大气中甲烷浓度的急剧上升被视为全球变暖加速的重要原因之一。准确量化生态系统中甲烷排放与吸收通量的动态及其预算，对于控制甲烷浓度增长和缓解气候变化至关重要。然而，现有研究大多集中于评估甲烷排放，包括人为和自然湿地排放。相比之下，对受多种因素影响的甲烷吸收的大规模评估相对较少，且结果具有高度不确定性。因此，如何开展准确的甲烷汇评估，包括其总量、空间和时间分布模式以及驱动机制，已成为当前研究的热点和难点。

土壤生态系统通过吸收和氧化大气甲烷，构成了主要的甲烷汇路径。这是因为土壤中存在大量甲烷氧化细菌。全球森林甲烷汇的估算范围为9.2至18.0 Tg CH? yr?1，约占全球土壤甲烷汇总量的28.1至56.3%。相比其他生态系统，森林较高的甲烷吸收率可能与其较高的土壤通气性有关。例如，与湿地相比，山地森林土壤具有良好的通气性、疏松的土壤结构和更快的物质循环速率，这些条件有利于甲烷氧化细菌的生长。随着“双碳”战略和“甲烷排放控制行动计划”的实施，获取中国甲烷排放和汇的全面清单变得尤为重要。中国作为重要的森林国家，拥有约220万平方公里的森林面积，位居全球第五。鉴于其广阔的森林面积和显著的甲烷吸收潜力，迫切需要对中国的森林生态系统中的甲烷汇进行准确评估。

中国森林甲烷通量的研究已有近30年的历史，但主要集中在对特定地点甲烷通量季节动态及其驱动机制的分析。例如，1995年，Xu等人在长白山北坡生态系统中进行了温室气体通量测量，首次提供了中国森林土壤作为甲烷汇的实证证据。2010年代，一些研究开始评估中国森林的总甲烷汇。其中，Cai（2012）通过系统的野外调查，首次量化了中国森林土壤的甲烷氧化能力，确立了这些陆地甲烷汇的基准范围为0.41至0.79 Tg CH? yr?1。随后，Wang等人（2014）通过整合32篇发表研究中的174组CH?通量测量数据，对中国主要森林生态系统中的甲烷通量动态进行了全国范围的调查，提供了这些生境中甲烷汇潜力的首次系统性评估。他们发现，甲烷吸收通量最高的地区是温带湿润混交林生态区（550.9 ± 238.8 mg CH? m?2 yr?1），其次是寒温带针叶林生态区（459.9 ± 138.5 mg CH? m?2 yr?1），暖温带湿润和半湿润落叶阔叶林生态区（451.0 ± 470.7 mg CH? m?2 yr?1），以及半湿润常绿阔叶林生态区（365.2 ± 261.4 mg CH? m?2 yr?1），最低的是亚热带湿润常绿阔叶林区域（220.9 ± 130.7 mg CH? m?2 yr?1）。值得注意的是，Wang等人（2014）估计中国森林的甲烷吸收通量和总甲烷汇分别为433.0 ± 2924.2 mg CH? m?2 yr?1和0.7 ± 0.3 Tg yr?1。这项研究是中国森林甲烷通量最全面的估算，但其结果仍存在较高不确定性。这种不确定性主要源于现场数据的稀缺性（站点数为131），以及缺乏有效的数据扩展方法。例如，尽管Wang等人通过整合不同森林类型间的平均通量（即生态类型方法）估计了全国森林的甲烷吸收通量，但同一森林类型间甲烷通量的显著差异仍不可忽视。此外，以往的研究多集中在区域或全国尺度上评估土壤甲烷通量的大小，缺乏对空间分布模式和时间动态的详细分析。

驱动机制的不明确是评估中国森林甲烷汇的另一个重要不确定性来源。森林甲烷吸收率取决于甲烷氧化细菌的群落规模和活动水平。因此，环境因素可以按照其对甲烷氧化细菌的影响分为直接或间接因素。作为甲烷氧化细菌的生存环境，土壤因素对其甲烷吸收通量具有直接影响。例如，已有研究表明，与中性土壤相比，酸性土壤（即较低的pH值）会显著抑制甲烷氧化细菌的群落规模和酶活性，从而降低甲烷氧化速率。同样，含沙量较高的土壤具有更大的孔隙度和良好的排水能力，可以为甲烷氧化细菌提供充足且持续的有氧环境，从而倾向于提高甲烷氧化速率。有机质含量较高的土壤会创造更大的孔隙度，这有利于甲烷和氧气的扩散，进而促进甲烷吸收。例如，最近的一项研究指出，净初级生产力（NPP）显著影响CH?吸收，而归一化植被指数（NDVI）可以用于将森林甲烷吸收相关的信息纳入预测模型中。气候因素作为综合因素，对甲烷吸收具有复杂的影响。随着气候变暖，土壤温度的持续升高不仅直接加快甲烷氧化细菌的代谢速率，促进甲烷和氧气在土壤中的扩散速率，从而提高土壤甲烷吸收速率，还可能刺激异养微生物的活动，这些微生物会消耗氧气，进而限制甲烷吸收的程度。相比之下，气候变暖过程中降水模式的变化导致许多地区的森林土壤湿度显著下降，这会影响土壤孔隙度和甲烷氧化细菌的活性。气候变暖还通过改变植被类型和生长条件间接影响土壤甲烷吸收速率。值得注意的是，人类活动也对中国森林面积及其生长状况产生了重要影响。例如，通过实施“退耕还林”和“天然林保护工程”等项目，大量耕地、草地和沙漠逐渐被转化为森林；同时，自然森林的恢复也增加了中国的森林面积。

尽管有上述研究，但中国森林的甲烷吸收率如何响应气候变暖和人类活动的加剧仍不明确。为了解决这些问题并提供准确的中国森林土壤甲烷吸收通量评估，本研究旨在：1）构建中国森林甲烷通量观测数据库；2）量化甲烷汇的空间分布模式和时间动态；3）探讨中国森林甲烷汇的驱动因素。通过这些目标，我们希望更全面地理解中国森林在甲烷吸收方面的贡献及其变化趋势，从而为制定有效的温室气体减排政策提供科学依据。