跨越气候阈值降低高纬度森林的碳储存潜力

《Cell Reports Sustainability》：Crossing climatic thresholds diminishes carbon storage potential in high-latitude forests

　　

高纬度森林是关键的碳汇（carbon sinks），然而其未来在气候变化下的容量仍因未识别的气候阈值（climatic thresholds）而不确定。基于中国东北地区4011个森林清查样地的数据，研究人员发现地上碳（aboveground carbon, AGC）和地下碳（belowground carbon, BGC）库均随森林老化而饱和，其中地下碳库更早达到饱和。研究人员识别出地上和地下碳汇潜力的不同温度阈值（0.33°C vs. -0.08°C）和降水阈值（626 mm vs. 689 mm）。跨越这些阈值会导致碳-气候关联（carbon-climate associations）发生显著变化。此外，树木多样性（tree diversity）在所有情景下以不同强度增强碳积累。在未来气候变化预测下，到2060年，该地区18.2%–22.7%的区域预计将超过地上碳的温度阈值，16.6%–20.7%的区域将超过地下碳的温度阈值。本研究量化了碳汇潜力的非线性气候约束（nonlinear climatic constraints），为预测脆弱性及指导气候适应性森林管理（climate-adaptive forest management）策略以保护碳汇提供了机制基础。

**论文解读：跨越气候阈值降低高纬度森林的碳储存潜力**

**研究背景与问题**
森林覆盖地球约30%的陆地表面，储存约45%的陆地碳，是全球碳循环的关键调节者。高纬度森林（主要为寒带和温带森林）贡献了全球近46%的森林碳储量，被广泛视为持续增长的碳汇。然而，其碳汇能力并非不变：碳储量随林龄增加而趋于饱和，且受气候变化和植被组成的综合影响。在寒冷气候下，有机质分解受抑制促进碳积累，但气候变化（尤其是温度和降水变化）可能同时增强生产力和加速分解，导致净碳增益的不确定性。现有研究表明，碳储量对气候响应并非线性，可能存在阈值，超过后碳储存饱和甚至下降。尤其值得注意的是，地上碳（AGC）和地下碳（BGC）可能对环境变化响应不同步，但相关阈值机制尚不明确。为此，研究人员基于中国东北地区（涵盖寒带和典型温带森林，具有纬度梯度代表）的广泛森林清查数据，旨在阐明AGC和BGC的碳汇潜力如何响应环境变化，并揭示驱动机制。该研究发表在《Cell Reports Sustainability》。

**主要技术方法**
研究基于中国东北森林清查与分析计划（FIAP）的4011个样地（0.09公顷/样地，2015-2019年调查），涵盖纬度39.58°–53.42°N、经度116.39°–133.87°E。使用异速生长方程估算每棵树的AGC和BGC（根生物量），并通过土壤有机碳密度（SOCD）分层计算（0–100 cm）得到BGC。采用Chapman-Richards饱和模型拟合碳-林龄轨迹，并通过移动窗口分析和分段回归识别气候阈值（温度：年均温MAT；降水：年降水量MAP）。利用随机森林、相关分析和中介模型分析阈值两侧的驱动因素，并基于CMIP6 SSP126和SSP585情景预测2060年阈值跨越区域。

**研究结果**
**Saturation trends of AGC and BGC（AGC和BGC的饱和趋势）**
研究人员通过Chapman-Richards模型发现，AGC和BGC均随林龄增加而饱和，但BGC更早达到饱和（约100年，饱和密度146.6 ± 4.1 Mg ha^-1），而AGC在300年后逐渐饱和（115.2 ± 6.7 Mg ha^-1）。总碳储量约150年开始饱和（248.1 ± 9.7 Mg ha^-1）。这种异步性源于不同碳库的控制因素差异：AGC主要受生物因子影响，而BGC主要受气候条件调控。不同气候区（如冷夏与暖夏区）的饱和水平显著不同。

**Climate thresholds of carbon saturation（碳饱和的气候阈值）**
分析显示，AGC和BGC的饱和点随MAT和MAP先增后降，存在明确阈值。温度阈值：AGC为0.33°C，BGC为-0.08°C；降水阈值：AGC为626 mm，BGC为689 mm。生长季最低温（Tmin）阈值分别为-2.86°C（AGC）和-4.27°C（BGC），而最高温（Tmax）持续升高则导致饱和点持续下降。在SSP126和SSP585情景下，到2060年，18.2%–22.7%的区域将超过AGC温度阈值，16.6%–20.7%将超过BGC温度阈值。

**Factors influencing forest carbon saturation（影响森林碳饱和的因素）**
随机森林和相关分析表明，气候因子和树木多样性显著影响碳储存。阈值两侧，气候因子的影响方向相反，而更高的物种和结构多样性（尤其是胸径-Shannon多样性DBH-Shannon）一致地促进碳储存。中介分析揭示，气候因子通过改变树木多样性间接影响碳储存：跨越温度阈值后，气候-多样性路径更复杂；跨越降水阈值后，间接路径减少（主要通过均匀度和DBH-Shannon）。总体而言，超越气候阈值会削弱气候因子通过多样性对碳储存的正效应。

**讨论与结论**
研究人员指出，AGC和BGC的异步饱和模式（BGC更快饱和且潜力更大）归因于不同积累机制：AGC受光合作用效率下降和结构稳定化限制，而BGC受土壤矿物吸附能力有限和微生物活性调控。气候阈值的存在强调了全球变暖对高纬度森林碳汇的压力，且南部区域面临更大碳损失风险。树木多样性作为关键缓冲策略，可维持碳储存稳定性。研究局限性包括未考虑原位适应（如遗传适应）、时空替代偏差以及缺乏土壤微生物数据。结论部分：本研究揭示了高纬度森林中AGC和BGC随林龄的异步饱和模式，并量化了气候阈值对碳汇潜力的非线性约束，为预测脆弱性和制定差异化气候适应性森林管理策略（如保护南部区域、增强北部区域气候韧性、维持树木多样性）提供了科学依据。