人类活动驱动且受干旱放大的亚马逊碳排放：基于15年大气CO2观测的碳平衡解析

《Nature》：Amazon carbon emissions driven by human actions amplified by droughts

　　

亚马逊碳排放由人类活动驱动，并因干旱而放大。亚马逊碳汇（Amazon carbon sink）正因森林砍伐（deforestation）、树木死亡率上升（rising tree mortality）和气候变化（climate change）破坏维持湿润热带森林的气候条件而减弱。森林丧失减少降水、升高温度并延长旱季，进而驱动更高的碳排放。气候胁迫（climate stress）在森林砍伐更严重的地区更强，使森林逐步更具可燃性。大尺度气候事件，如厄尔尼诺（El Ni?o），进一步放大区域气候影响。此处，研究人员呈现基于大气CO₂测量获得的15年亚马逊碳通量（carbon fluxes）分析。研究人员确定碳平衡（carbon balance）为0.32 ± 0.08 PgC yr^?1，其中火灾是主要来源（0.40 ± 0.07 PgC yr^?1），而森林吸收日益无法抵消排放。进一步，研究人员考察亚马逊碳排放的关键驱动因素，并识别出三个不同年份组。第1组（2011—2014年、2017年和2018年）代表在人类活动（如森林砍伐、生物质燃烧和退化）较低的较湿润年份，亚马逊在全球碳平衡中的作用（0.11 ± 0.08 PgC yr^?1）。第2组（2019—2022年）代表在气候胁迫较低的年份，由人类活动（主要为森林砍伐和退化）导致的亚马逊碳排放（0.43 ± 0.13 PgC yr^?1）。第3组（2010年、2015年、2016年、2023年和2024年）具有最高碳排放（0.49 ± 0.07 PgC yr^?1），由温暖和干燥年份（高气候胁迫）组成，如厄尔尼诺和热带北大西洋（Tropical North Atlantic, TNA）变暖，并与生物质燃烧相关。

研究背景与问题：亚马逊（Amazonia）是全球最大热带森林，植被和土壤约储存123 ± 23 PgC（petagrams carbon，1 PgC=10¹⁵ g C）碳。大规模森林砍伐和土地利用变化已造成显著碳储量损失，剩余森林通过碳固存（carbon sequestration）部分抵消损失，但该能力因树木死亡率上升及森林砍伐改变的区域气候条件而下降。森林生态系统、水文循环和区域气候相互作用复杂，蒸散（evapotranspiration）驱动的大气水汽再循环（atmospheric moisture recycling）可贡献高达一半的降水。亚马逊内部直接人类活动，包括森林砍伐、森林退化（forest degradation）和生物质燃烧（biomass burning），深刻改变区域碳平衡和气候；森林丧失减少降水、升高温度、延长旱季并推迟湿季开始。厄尔尼诺（El Ni?o）或热带北大西洋（Tropical North Atlantic, TNA）海表温度（SSTs）异常偏高等极端气候变率会通过累积森林丧失、全球变暖、环流变化和大尺度异常放大这些影响。关于亚马逊碳排放及变率的主要驱动因素仍存问题：基于模型和自下而上技术的研究显示极端气候（暖干）年份排放增加，指向极端事件；但直接大气测量显示更复杂情形。因此，研究人员利用15年基于大气CO₂测量的亚马逊碳通量，回答碳排放增加和变率主要由全球极端气候事件还是亚马逊内部直接人类活动（森林砍伐、生物质燃烧和退化）导致。该研究发表于《Nature》。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员使用2010—2024年CARBAM项目四个亚马逊飞机垂直剖面站点（SAN、ALF、RBA及TTC；CZS自2022年起）共1,017条垂直剖面，通常每月两次，以螺旋下降方式从海拔约4.4 km至近地表约0.3 km、12个高度采样，采样时间约12:00—13:00；样品在巴西国家空间研究院温室气体实验室（LaGEE/INPE）分析CO₂和CO。采用大气柱预算技术估算总碳通量（TCF）、火灾碳通量（FCF）和净生物群系交换（NBE）；背景由HYSPLIT轨迹模型和NOAA/GML的RPB、ASC观测约束；火排放由CO/CO₂比值计算；误差用Monte Carlo传播；缺失值用missForest插补；用主成分分析和k-means聚类分组；并结合降水、温度、水汽压亏缺（VPD）、增强植被指数（EVI）、MapBiomas/MODIS烧毁面积、PRODES森林砍伐、DETER退化、BDQueimadas火点、海洋尼诺指数（ONI）和TNA指数；2023—2024年用ENTLN云地闪电数据评估雷击点火。

历史土地利用变化：通过PRODES等土地覆盖数据比较历史时期，研究人员发现2000年巴西亚马逊森林砍伐面积为474,770 km²（占巴西亚马逊12.5%，3.8×10⁶ km²），巴西亚马逊占泛亚马逊58%。2004年累计砍伐612,225 km²（原始森林15.5%）；2004—2012年年砍伐率因公共政策下降84%，累计损失697,319 km²（18.4%）；2013—2018年总损失达19.5%，2019年后急剧加速，2022年达791,835 km²（20.9%）。2023和2024年年砍伐率虽较2019—2022年分别下降30%和47%，累计损失仍达807,301 km²（21.3%）。2010—2024年牧场面积增加19%、大豆种植面积增加193%、采矿面积增加272%，分别约561,416、59,368和3,956 km²。

亚马逊降水与温度变化：通过比较1979—2018年与1979—2024年同一数据库，研究人员发现年降水量在1979—2018年变化不显著（27 ± 69 mm），但1979—2024年减少174 ± 69 mm（8%）；旱季峰值（8—10月）降水在1979—2018年减少17%（64 ± 19 mm），1979—2024年减少20%（83 ± 18 mm）。年温度在1979—2018年升高0.93 ± 0.13 °C，1979—2024年升高1.13 ± 0.13 °C，6年间增加0.20 °C；旱季峰值温度分别升高1.51 ± 0.17 °C和1.81 ± 0.18 °C，6年间增加0.30 °C。2018—2024年亚马逊额外损失60,964 km²原始林和564,532 km²烧毁面积。区域上，东南部（ALF）增温最明显，旱季峰值增温2.19 ± 0.21 °C，1979—2024年年均增温1.37 ± 0.15 °C，2018—2024年损失37,930 km²原始林（占巴西亚马逊总砍伐62%）；东北部（SAN）降水下降最强，年降水减少304 ± 150 mm（12%），旱季峰值减少37%（77 ± 23 mm），同期损失15,023 km²原始林（占总砍伐25%）。

年均垂直剖面：通过1,017条垂直剖面及与背景CO₂的垂直剖面差值（?VP）分析，研究人员发现多数年份近地表?VP为正，表明亚马逊为净碳源而非碳汇，无法抵消区域人为排放。

基于柱预算技术的碳通量：通过大气柱预算技术计算各站点和亚马逊加权月均及年均总碳通量（TCF）、火灾碳通量（FCF）和净生物群系交换（NBE；TCF减FCF），研究人员发现15年间亚马逊碳平衡存在强烈年际变率。

年份分组结果与讨论：通过k-means聚类分析，纳入TCF、降水、温度、年砍伐与累计砍伐、烧毁面积、火点、ONI和TNA变暖等参数，研究人员将15年分为三组：第1组（2011、2012、2013、2014、2017、2018年）为较湿润且人类活动低；第2组（2019、2020、2021、2022年）为人类活动强而气候胁迫低；第3组（2010、2015、2016、2023、2024年）为厄尔尼诺和TNA等强烈全球气候事件及伴随生物质燃烧。

第1组：通过湿润、低人为扰动年份分析，TCF接近中性，为0.11 ± 0.08 PgC yr^?1，?VP为0.14 ppm；碳汇（?0.20 ± 0.12 PgC yr^?1）抵消64%火灾排放（0.32 ± 0.07 PgC yr^?1）；年砍伐和烧毁面积分别为6,389 km²和55,115 km²。结论为湿润低扰动年份亚马逊对全球碳平衡贡献不显著。

第2组：通过高人类扰动、弱治理时期分析，年砍伐率增加97%、烧毁面积增加25%，TCF为0.43 ± 0.09 PgC yr^?1，?VP为0.53 ppm，相对第1组分别增加291%和379%；年均温与第1组相同，降水低134 mm（6%，主要因2020湿季），气候胁迫低；2020年8月至2023年2月强拉尼娜（La Ni?a）期间，每年第一季度碳吸收逐渐增加，抵消更大比例人为排放。结论为主要反映亚马逊人类活动碳排放。

第3组：通过暖干及强气候事件年份分析，第3组ONI和TNA更高；厄尔尼诺发生于2015—2016年（强—超强）和2023年（强），TNA变暖发生于2010年（中等）和2023—2024年（中等—强）。第3组垂直剖面自由对流层增高，归因于火灾诱导对流输送。其年降水较第1组少308 mm（13%），湿季峰值（1—3月）少20%，旱季峰值（8—10月）少17%；年均、湿季峰值和旱季峰值温度分别高0.5 °C、0.4 °C和0.8 °C。烧毁面积较第1组增加92%，砍伐高22%；TCF为0.49 ± 0.07 PgC yr^?1，?VP为0.61 ppm，均较第1组高325%；NBE为?0.06 ± 0.10 PgC yr^?1（近中性碳汇），表明主要碳源为促进火灾的人类影响；FCF为0.55 ± 0.10 PgC yr^?1，较第1组高72%、较第2组高53%。2023和2024年雷击点火分别仅占火事件1.6%和1.0%，结论为第3组排放主要来自人类诱导火灾，并被干旱放大。

2023年和2024年异常年份：通过分析2023年湿季及2024年强厄尔尼诺/TNA背景，研究人员发现2023年湿季为15年最大碳汇，位于连续三年拉尼娜之后；2023年碳平衡与第1组相近（0.11 ± 0.09 PgC yr^?1），湿季碳汇抵消75%来自砍伐和烧毁面积的排放，后者分别较第1组高38%和52%；年均温与第1组相近，但由偏冷逐步增暖，强TNA和厄尔尼诺演变为空前干旱和热浪。2024年始于强厄尔尼诺和TNA事件之中，碳排放为15年记录最高（0.81 ± 0.09 PgC yr^?1），较第1组高605%；为过去二十年最热、最干且火灾退化最严重年份；年均温较第1组高1.2 °C，年降水低462 mm，烧毁面积较第1组高182%，为2010年以来亚马逊最大烧毁面积；2023年恢复控制砍伐公共政策后，火成为广泛砍伐工具，2024年PRODES识别38%砍伐由火造成；多数亚马逊野火为故意点燃，严重干旱加剧其范围和强度。

讨论与结论：15年年均亚马逊碳平衡为0.32 ± 0.08 PgC yr^?1（FCF为0.40 ± 0.07 PgC yr^?1；NBE为?0.08 ± 0.12 PgC yr^?1）。显著年际变率（?0.12至0.75 PgC yr^?1）强调需以十年尺度分析准确界定亚马逊在全球碳循环中的作用，并需考虑空间代表性及子区域差异。长期砍伐和退化使过去46年年降水减少约8%、旱季峰值降水减少约20%，年均温升高1.13 ± 0.13 °C、旱季温度升高1.81 ± 0.18 °C。三年份组情景显示：湿润低人类活动年份为0.11 ± 0.08 PgC yr^?1；低气候胁迫、高人类活动年份为0.43 ± 0.13 PgC yr^?1；暖干且火灾强烈增加、基本由人类造成的年份为0.49 ± 0.07 PgC yr^?1。第2组和第3组碳排放无显著差异，分别主要由砍伐和生物质燃烧主导；三组NBE均接近中性，表明直接人类活动是亚马逊主要风险。因此，大幅减少火灾对避免临界点至关重要，尤其当气候胁迫加剧人类影响且反之亦然。基于2015—2016年超强厄尔尼诺在东南亚马逊造成后果并使其成为日益增加碳源，研究人员预计2023—2024年强厄尔尼诺和TNA事件后亚马逊可能出现类似后果。这些结果强调迫切需要实施零砍伐政策、加强对生物质燃烧控制并优先开展森林恢复计划。