考虑水分循环的中国陆地生态系统碳汇潜力

《Forests》：Carbon Sequestration Potential of China’s Terrestrial Ecosystem Incorporating Moisture Recycling

　　

陆地生态系统在实现碳中和中发挥着关键作用，然而中国陆地生态系统的碳汇潜力（CSP）仍未完全表征，尤其是在未来气候情景和陆-气水分反馈的作用方面。研究人员使用一个过程模型（LPJ-GUESS）来量化中国的CSP，该模型明确模拟植被动态，并结合潜在自然植被（PNV）基准和水分循环。研究人员估计中国历史时期（1993–2022）的实际陆地（AT）碳储量为91.7 PgC，PNV上限为132.9 PgC，得出CSP为41.2 PgC。在未来情景（2071–2100）下，CSP呈非线性轨迹。相对于历史基线，在SSP1-1.9情景下略有下降，在SSP2-4.5情景下达到峰值，在SSP5-8.5情景下保持较高但略有降低。高CSP区域集中在胡焕庸线和天山、昆仑山、祁连山带，而中国南方零星区域由于强烈的人类干预表现出负CSP。水分循环在所有时期和情景下均持续增强CSP。历史上，它使全国CSP提升了约5 PgC，这种增强效应在SSP1-1.9下逐渐减弱至4 PgC，在SSP2-4.5/SSP5-8.5下进一步下降至约2 PgC——这表明高排放侵蚀了这一正反馈。研究人员的发现确定了中等强迫（SSP2-4.5）下最大化恢复增益的关键窗口，并表明低至中等排放路径不仅保护了直接碳效益，还维护了间接的水分循环放大效应。考虑水分循环的区域性恢复策略对于实现中国2060年碳中和目标至关重要。

**论文解读：中国陆地生态系统碳汇潜力及其对水分循环的耦合机制**

**研究背景与问题**

陆地生态系统作为重要的自然碳汇，每年全球吸收约3.1 PgC，抵消了30%的人为CO₂排放。中国陆地碳汇虽仅占全球陆地面积6.5%，却抵消了全球人为排放的3%-10%，在实现2060年碳中和目标中扮演关键角色。近年来，大规模生态恢复工程（如退耕还林、三北防护林）提升了区域碳汇能力，但仍有相当一部分陆地碳汇潜力（CSP）未得到开发。现有CSP评估存在两大局限：一是多数研究依赖统计或经验模型，缺乏机理基础，难以外推至历史条件之外；二是研究多聚焦于单个生态系统类型或单一碳库，未能全面核算中国陆地总碳储量。此外，一个关键机制——陆-气水分反馈（即水分循环）——在之前CSP评估中常被忽略。水分循环通过正反馈运作：植被扩张增加蒸散发（ET），额外大气水分经输送后以降水的形式返回，进一步促进植被生长和碳积累。为弥补这些空白，本研究旨在建立整合框架，量化中国陆地CSP，辨识高潜力优先恢复区域，并分离水分循环对CSP的贡献。

**研究方法概述**

研究人员采用过程模型LPJ-GUESS（v4.1）模拟1851-2100年期间的潜在自然植被（PNV）和实际陆地（AT）生态系统状态。气候数据来自CRU TS v.4.07（1851-2022，0.5°分辨率）和CMIP6下的EC-Earth3模型（2023-2100，1°分辨率），未来情景包括SSP1-1.9、SSP2-4.5和SSP5-8.5。土地利用数据源自LUH2-GCB2022和LUH2数据集。所有空间数据重采样至0.25°分辨率。模型经过校准和验证，在136个全球自然植被站点上对碳储量、蒸散发（ET）和叶面积指数具有高预测精度（R²分别为0.79、0.77和0.68）。水分循环调整通过计算PNV与AT生态系统间的每月ET差值（ΔET），并利用UTrack大气水分追踪数据集（0.5°×0.5°）推导相应降水变化（ΔPre），再将更新后的月降水作为新一轮LPJ-GUESS模拟的输入，从而获得水分调整后的PNV碳储量。碳储量趋势采用Mann-Kendall检验和Theil-Sen估计量分析。CSP定义为PNV与AT碳储量的差值。

**研究结果**

**3.1 模型验证与ΔPre模式**
通过1980-2020年间的野外观测数据（含49,931个植被碳点、4,263个土壤碳点和72,586个凋落物碳点）进行逐点验证，模拟值与观测值高度一致：植被碳R²=0.95，土壤碳R²=0.79，凋落物碳R²=0.75。PNV增强的蒸散发导致降水变化（ΔPre）呈现空间异质性：降水增加主要集中在东南部，西北和东北地区增益较小；历史时期ΔPre幅度大于未来所有情景，且空间格局保持稳定。

**3.2 AT生态系统碳储量的时空变化**
历史时期中国AT生态系统总碳储量为91.7 PgC，平均碳密度9.7 kg C m^?2。未来所有SSP情景下碳储量持续增加，于SSP5-8.5下达到最大（107.6 PgC），但SSP2-4.5至SSP5-8.5的增量微弱（仅0.9 PgC），表明高排放下AT碳吸收趋于饱和。空间上，高碳区域分布于青藏高原东南缘、大兴安岭和长白山，低碳区域集中在华北平原、西北干旱区和四川盆地。趋势分析显示，历史时期26.7%的陆地面积碳储量显著增加，54.1%显著下降；未来随排放梯度，显著增加面积比例从SSP1-1.9的54.4%扩展至SSP5-8.5的79.7%，但西北部分区域仍持续碳损失。

**3.3 PNV生态系统碳储量的时空变化**
历史时期PNV碳储量为132.9 PgC，超过AT 41.2 PgC。未来PNV碳储量呈非单调轨迹：SSP1-1.9下温和增加，SSP2-4.5下达到峰值，SSP5-8.5下略有下降。空间格局与AT类似，气候主要调控碳储量幅度而非分布格局。趋势上，SSP1-1.9下增加和减少面积近乎平衡，而SSP2-4.5和SSP5-8.5下显著碳增益面积大幅扩大。碳库组分变化显示：植被碳从历史34.1 PgC持续增至SSP5-8.5的48.7 PgC；土壤碳在SSP2-4.5下达到最大后在高排放下下降；凋落物碳类似。强气候强迫逐渐将碳分配从土壤和凋落物转向植被生物量。

**3.4 碳汇潜力及水分循环的贡献**
考虑水分循环后，中国CSP对未来气候强迫呈非线性响应。历史CSP为41.2 PgC。未来CSP在SSP1-1.9下略降（39.7 PgC），SSP2-4.5下升至峰值（46.7 PgC），SSP5-8.5下又降至44.2 PgC。空间上，高CSP区域沿胡焕庸线、天山-昆仑山-祁连山带、青藏高原东南缘和大兴安岭分布，南方零星区域出现负CSP（实际碳储量超过PNV基准）。水分循环在所有时期均增强CSP，但增强幅度从历史约5 PgC降至SSP1-1.9的4 PgC，再降至SSP2-4.5/SSP5-8.5的约2 PgC，表明高排放侵蚀了这一正反馈。

**讨论与结论**

**讨论部分**：研究指出，AT碳储量模拟结果与近期国家估计（95.3 PgC）基本一致，差异源于方法和时间覆盖。土壤碳主导中国陆地碳储量，归因于高寒、冻土和酸性土壤条件抑制分解，但高温下土壤呼吸加速（实验显示增温样地土壤呼吸速率比对照高42%-204%），导致SSP5-8.5下土壤碳下降。PNV碳储量非单调趋势表明，适度升温与CO₂施肥促进植被生长，但极端升温通过水分胁迫和热致死亡率降低PNV上限。CSP的空间差异提示，胡焕庸线等区域降水充足但历史土地利用压力大，是恢复优先区；南方负CSP区域可能源于高强度农业和人工林管理导致的碳密度超自然基准。水分循环的增强效应具有情景依赖性，低排放路径不仅保存直接碳效益，还维护水分循环放大效应。研究也承认不确定性，包括未来气候预测、模型结构、土地利用分类误差、UTrack水分追踪精度、以及未考虑养分限制（可能使高CO₂情景下的CSP估计偏乐观）。

**结论翻译**：本研究利用过程模型并明确考虑水分循环反馈，量化了中国陆地碳汇潜力（CSP）。得出三个主要发现。第一，中国历史CSP为41.2 PgC——接近当前碳储量的一半——揭示了当前与潜在碳储量之间的巨大差距。高CSP区域集中在胡焕庸线及天山、昆仑山和祁连山山脉。第二，CSP对气候强迫呈明显非线性响应。在低排放SSP1-1.9情景下略有下降（39.7 PgC），因为PNV上限停滞而AT碳储量由于遗留效应继续增长；在中等SSP2-4.5情景下达到峰值（46.7 PgC，比历史水平增加13%），此时适度升温和CO₂施肥扩大了PNV-AT差距；在高排放SSP5-8.5情景下CSP再次下降（44.2 PgC），因为极端升温和水分胁迫抑制了PNV上限。第三，水分循环持续增强CSP，但其效益从历史的0.5 kg C m^?2减弱至SSP5-8.5下的0.2 kg C m^?2——表明高排放侵蚀了放大恢复潜力的反馈。研究人员得出结论：中国CSP可观但非无限。SSP2-4.5下的峰值识别了最大化恢复增益的关键窗口。低至中等排放路径保护了直接碳效益和间接水分循环放大效应。考虑区域特征的策略——优先考虑高CSP区域、采用气候适应性方法、并考虑水分循环——对于实现中国2060年碳中和目标至关重要。