加拿大森林正从恢复驱动的碳汇向干扰驱动的碳源转变

《Global Change Biology》：Canada's Forests Are Shifting From a Recovery-Driven Carbon Sink to a Disturbance-Driven Carbon Source

　　

摘要：加拿大陆地生态系统对全球碳(C)循环至关重要，且正响应前所未有的气候变化与野火干扰。然而，学界对加拿大历史(~1920年至今)碳循环的认识尚不完整，亦无已发表的遵循物理守恒律(即满足质量守恒定律)的全境(wall-to-wall，覆盖全加拿大域包括林地与非林地)主要碳库及碳通量估算。现有评估在空间尺度与方法上存在差异，导致加拿大陆地碳汇强度结论不一；此外，大气反演与数据驱动估算未能区分干扰、CO2施肥效应或气候变化各自对加拿大碳循环的相对影响。本研究综合站点至全国尺度的信息，结合陆面模式(Land Surface Model, LSM)及最全面可用的野火与木材采伐估算数据，首次给出加拿大所有主要碳库与碳通量的首套物理一致全境估算。通过因子模拟实验(factorial model runs)，研究人员发现：自20世纪中叶以来，因1940年以前野火与 Timber harvest(木材采伐)后植被恢复作用，加拿大陆地生态系统一直为碳汇；但自21世纪初起，野火干扰正推动加拿大森林朝碳源方向转变；若野火活动持续增强，将进一步削弱并最终逆转加拿大作为碳汇的角色。

《Global Change Biology》刊载论文解读：加拿大森林碳汇—碳源转变过程及驱动机制的过程型模拟研究

一、研究背景与立项依据

加拿大占全球陆地面积约7%，拥有全球31%的北方森林(boreal forests)和36%的苔原(tundra)，其陆地生态系统在全球碳(C)循环中具关键地位。现有对加拿大历史(~1920年至今)碳循环的认知不完整：缺乏遵循物理守恒律(质量守恒)的全境(wall-to-wall，涵盖森林与非森林、管理与非管理土地)主要碳库及通量同步估算；不同方法(自顶向下大气反演top?down atmospheric inversions、自底向上过程模型bottom?up process?based models、国家清单inventory?based estimates)给出的加拿大陆地净碳汇(net land C sink)量级差异显著；且既有估算无法解耦(distangle)野火(wildfire)、木材采伐(wood harvest)、CO₂施肥(CO₂fertilization)及气候变化三者对净生物群区生产力(Net Biome Productivity, NBP)的各自贡献。2023年加拿大创纪录野火季燃烧面积达12.74 Mha(约为长期均值8倍)，碳排放估达~700–2400 Tg CO₂，超越加国2020–2023年均人为温室气体排放，凸显厘清干扰对陆地C收支影响的紧迫性。为此，研究人员采用专为加拿大定制的陆面生物地球化学模式——含生物地球化学循环的加拿大陆面方案(Canadian Land Surface Scheme Including Biogeochemical Cycles, CLASSIC)，融合最完整的野火与采伐历史强迫数据，开展全境历史碳循环过程模拟与因子分解，以量化各驱动因子贡献并判断碳汇/源演变趋势。

二、主要关键技术方法

研究人员使用CLASSIC陆面模式(0.22°空间分辨率，含14种适用于中高纬度加拿大的植物功能型Plant Functional Types, PFTs，采用动态分块dynamic tiling表征干扰后亚网格异质性与演替)，输入偏差校正后的CRU?JRA气象强迫、1700–2023年大气温室气体历史CO₂浓度序列，以及由Beaver等(2025)构建的四种历史野火与木材采伐扰动情景(整合卫星观测、矢量记录与林龄推断，含1918年前不同扰动水平假设)。先在26个加拿大通量塔(eddy covariance flux tower，来自FLUXNET2015与Fluxnet Canada/Canadian Carbon Program，部分具已知干扰年份或林龄推算干扰时间)进行站点水平自旋平衡(spin?up至1700年平衡态)与瞬态模拟(1700–观测起始年+观测期)，分别运行含干扰实景(factual)与不含干扰反事实(counterfactual)模拟以验证模式对干扰恢复动态及GPP(总初级生产力Gross Primary Productivity)、ER(生态系统呼吸Ecosystem Respiration)、NEP(净生态系统生产力Net Ecosystem Productivity = GPP ? ER)、地上生物量Above?Ground Biomass, AGB)的模拟能力，采用ΔMAE(平均绝对误差变化量)量化干扰表征对模拟精度的改善。在全国域进行自旋平衡(1750年条件)与1750–2023年瞬态模拟，运行四组扰动情景及十四组因子模拟(factorial simulations：分别关闭/开启气候变异、CO₂浓度上升、干扰及其滞后恢复与分解效应)，将模拟结果与独立栅格参考数据集(土壤有机碳、AGB、火排放、NBP来自InTEC模型与RECCAP2大气反演集合)比对评估，采用15年滑动窗口回归检验NBP时间趋势显著性。

三、研究结果

3.1 Fire and Harvest Have Large Impacts on Site?Level Fluxes Canada?Wide（野火与木材采伐对加拿大站点水平碳通量有重大影响）

通过在26个森林通量塔站点的实景与反事实模拟对比，研究人员发现：火灾或采伐后GPP、ER及AGB在约50年内逐渐上升后趋于平稳，NEP则由干扰后初期碳源逐步转为碳汇再缓慢减弱。CLASSIC模拟值与观测值95%置信区间重叠，日尺度通量与AGB与观测呈显著相关(Pearson r = 0.47–0.80)。ΔMAE分析显示，包含干扰的模拟在扰后近期站点对GPP、ER、NEP、AGB的拟合显著优于无干扰模拟(ΔMAE > 0)，该改善效应在扰后约50年渐趋零。证明CLASSIC能合理再现北方森林干扰—恢复演替序列的碳通量动态，也表明大尺度通量塔数据升尺度和模式验证时必须考虑干扰历史遗留效应。

3.2 CLASSIC and Independent Reference Data Sets Capture a Mid?20th to Early?21st?Century Carbon Sink（CLASSIC与独立参考数据共同捕捉到20世纪中至21世纪初的碳汇信号）

全国域四组扰动情景集合模拟显示，CLASSIC模拟的加拿大全境NBP(正值为陆地碳汇)与RECCAP2大气反演集合均值符号一致，2007–2015年全境NBP为85–112 Tg C year^?1，低于反演集合均值458±265 Tg C year^?1但处于底向上过程模型集合(196±131 Tg C year^?1)一个标准差内，与InTEC(InTEC为Integrated Terrestrial Ecosystem Carbon model，加拿大历史森林碳循环空间显式过程模型)森林NBP时间格局吻合较好。1940–1960年森林NBP模拟为44–68 Tg C year^?1(InTEC为146–195 Tg C year^?1)。CLASSIC较低碳汇值源于冬季及过渡季节较高的土壤/植被呼吸通量模拟。模式未显式模拟泥炭地碳积累(~16–35 Tg C year^?1吸收)、河流碳侧向输送(~25 Tg C year^?1入海减少陆地呼吸)及林产品出口碳转移，也未考虑非替代性干扰(虫害、风倒、择伐)。

3.3 Early 20th?Century Disturbance Modulates the Mid?20th?Century Carbon Sink（20世纪初干扰调控20世纪中期的碳汇强度）

因子模拟结果表明，1940–1960年间气候倾向(变冷湿等)、CO₂施肥、植被干扰后恢复分别贡献碳汇36、52、85 Tg C year^?1；野火直接排放与采伐及扰动后凋落物分解贡献碳源?25与?49 Tg C year^?1。中期碳汇主要源自20世纪初(1900–1920)较高水平野火/采伐后森林再生吸收的滞后效应(lagged impact of disturbance recovery)。早期扰动水平高的情景给出更强的中世纪及21世纪初恢复碳汇，无早期扰动情景则显著削弱模拟碳汇。由于1918年前无可靠全国记录，采用均值与林龄推断两种扰动假设，其引起的恢复碳汇不确定性(21–90 Tg C year^?1)在21世纪初因遥感记录完善而缩小。证实加拿大20世纪中期森林碳汇本质上是早期干扰—再生时滞的产物，叠加CO₂施肥与气候效应。

3.4 Canada's Terrestrial C Cycle in the Early?21st?Century（21世纪初加拿大陆地碳循环特征）

2002–2022年因子分析显示：CO₂施肥碳汇增至152 Tg C year^?1(灵敏度1.3 Tg C year^?1per ppm CO₂)，气候效应净释放碳(?61 Tg C year^?1，增温促进呼吸强于光合提升)，干扰后恢复碳汇平均80 Tg C year^?1(较中世纪略高因扰动率上升)，但同期野火即时排放与扰动凋落物分解合计碳源?128 Tg C year^?1，使干扰净贡献为?48 Tg C year^?1(源)。1920–2023年全境平均NBP = 44 Tg C year^?1(森林贡献38 Tg C year^?1)，个别高火年份(如2023年燃烧12.6–15.2 Mha，火排碳210–259 Tg C year^?1即770–949 Tg CO₂year^?1)使当年转碳源。近15年(2009–2023)全境NBP呈不显著下降趋势(?10.2 Tg C year^?1, p = 0.06)，但森林NBP显著下降(?8.1 Tg C year^?1, p = 0.01)，为近百年来所未见，主要由加中森林区野火频次增加且低温限制GPP致植被恢复减慢所致；若野火持续加剧将推动森林转稳定碳源。

四、讨论与结论总结

讨论指出，CLASSIC因详细表征替代性干扰(stand?replacing wildfire and harvest)及滞后恢复过程，给出与其他过程模型和独立参考一致的全境碳库/通量估算，略弱于大气反演系因后者区域划分粗及人为排放清单不确定，且CLASSIC未包括泥炭地累积、河运碳流失及非替代干扰。模式通过经验下调节(empirical down?regulation parameter γ)表征养分渐进限制对CO₂施肥的抑制，与幼苗实验V_cmax下调观测相符，但成树及未来高CO₂高暖情景需更多实验约束。历史干扰及其林龄结构(全球土地利用/干扰历史)须纳入陆面模式以合理重现20世纪碳汇。结论为：自20世纪中叶至20世纪末，加拿大陆地生态系统因早–中期(1940年前)野火与采伐后森林再生形成净碳汇；21世纪初起，日益增强的野火干扰(气候变暖驱动)所引发的即时碳排放与后期分解已超过恢复吸收，使加拿大森林呈显著碳源化趋势(p < 0.05, 2009–2023)，持续野火增长将最终逆转全加国土作为陆地碳汇的功能。本研究首次提供物理一致的加国全境历史碳收支定量分解，为《加拿大气候科学2050框架》及净零排放目标下自然生态系统碳汇管理提供科学依据。