区域陆地生态系统碳周转时间对平流层气溶胶注入的非均匀响应

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Uneven Responses of Regional Terrestrial Ecosystem Carbon Turnover Time to Stratospheric Aerosol Injection

　　

平流层气溶胶注入（Stratospheric Aerosol Injection, SAI）是通过向平流层注入反射性气溶胶以抵消人为变暖的备选方案之一。SAI引起的地表冷却和水文循环改变已被广泛研究。然而，SAI对陆地碳滞留的影响，以陆地生态系统碳周转时间（terrestrial ecosystem carbon turnover time, τ）为代表，仍属未知。本研究利用四个地球系统模式（Earth System Models, ESMs）在G6sulfur情景下的模拟结果，量化了τ对SAI的区域响应，以及引起τ变化的变量的相对重要性。该情景通过2020—2100年间向平流层注入SO₂，将共享社会经济路径5-8.5（Shared Socioeconomic Pathway 5-8.5, SSP5-8.5）的辐射强迫降低至SSP2-4.5水平。结果表明，在整个注入期间，相对于SSP5-8.5，G6sulfur情景下全球τ总体增加，表明生态系统碳滞留能力增强。τ的最大区域增长出现在北半球高纬度地区，2081—2100年间在四个ESM中最高增加约6年。在部分热带地区（如非洲），预估的τ对SAI的响应表现出很大的模式间差异，包括变化符号相反。τ响应的区域和模式依赖差异主要源于生态系统碳通量，特别是净初级生产力（net primary production, NPP）的变化。SAI对τ的不同区域影响凸显了在评估地球工程策略整体有效性时，需要考虑碳滞留能力的区域差异。

### 论文解读：平流层气溶胶注入对陆地生态系统碳周转时间的区域非均匀影响

#### 一、研究背景与科学问题

当前各国承诺的减排力度不足以实现《巴黎协定》温控目标，因此对常规减缓与适应之外的补充手段的关注度不断上升。平流层气溶胶注入（Stratospheric Aerosol Injection, SAI）是太阳辐射修正（Solar Radiation Modification, SRM）中研究最广泛的方法，通过向平流层注入反射性气溶胶减少到达地表的太阳辐射，从而产生降温效应。已有研究多聚焦于SAI对温度、降水等气候要素的影响，而对其是否以及如何改变陆地生态系统碳循环的认识仍不充分。陆地生态系统碳周转时间（terrestrial ecosystem carbon turnover time, τ），即碳库与碳通量的比值，能综合反映生态系统对碳的滞留能力，是评估碳-气候反馈强度的有效指标。然而，SAI如何影响全球和区域尺度的τ，现有研究尚无系统评估。为此，研究人员基于四个地球系统模式（Earth System Models, ESMs）的G6sulfur实验，量化了SAI对τ的影响及其区域差异，并识别了主导τ变化的碳循环变量，旨在从碳循环角度评估SAI作为地球工程策略的潜在收益与风险。

#### 二、研究内容与主要结论

研究人员使用来自耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的四个ESM——CESM2-WACCM、CNRM-ESM2-1、UKESM1-0-LL和IPSL-CM6A-LR（分别简称CESM2、CNRM、UKESM1和IPSL），获取了Historical、SSP2-4.5、SSP5-8.5和G6sulfur四种情景的模拟数据。G6sulfur通过向平流层注入SO₂，将SSP5-8.5高温室气体排放路径的辐射强迫降至SSP2-4.5水平。由于G6sulfur与SSP5-8.5共享相同的CO₂浓度和土地利用强迫，两者之差可分离出SAI的净效应。τ定义为生态系统总碳储量与总碳释放通量之比，其中总碳储量包含植被碳、凋落物碳、土壤碳、土地利用变化碳产物和粗木质残体碳；总通量由净初级生产力（net primary production, NPP）与净生物群系生产力（net biospheric production, nbp）之差计算。为识别机制，研究人员将τ变化分解为碳储量项、碳通量项和残差项。

主要结论包括：与SSP5-8.5相比，G6sulfur情景下全球平均τ普遍增加，表明SAI增强了陆地生态系统的碳滞留能力；北半球高纬度地区τ增幅最大且最一致，2081—2100年间四个模式均显示约6年的增加；热带地区（如非洲）τ响应出现明显的模式间分歧，甚至符号相反；区域差异主要源于NPP响应，而NPP变化在部分区域受温度和降水主导，在非洲则无法由气候因子直接解释，反映了模式碳循环过程表示的差异。此外，G6sulfur下的τ升幅小于SSP2-4.5减排情景，表明SAI不能替代温室气体减排。

#### 三、关键技术方法

研究基于CMIP6四个ESM的四种情景模拟数据（Historical、SSP2-4.5、SSP5-8.5、G6sulfur），数据来源为地球系统网格联盟（ESGF）。τ计算采用碳储量与碳释放通量之比，避免了非平衡态下仅用碳输入通量估算周转时间的偏差。采用排放路径差异法（SSP5-8.5减去Historical、SSP5-8.5减去SSP2-4.5、G6sulfur减去SSP5-8.5）分离不同强迫效应。使用Theil-Sen斜率估计和Mann-Kendall检验评估趋势显著性，利用一阶泰勒展开将Δτ分解为碳储量项、碳通量项和残差项。参考观测约束数据来自CARbon DAta MOdel fraMework（CARDAMOM，2001—2010平均值），以评估模式间碳水循环模拟的基准偏差。区域分析覆盖非洲、东亚、北美、南美、澳大利亚、欧洲、北亚和东南亚八个区域。

#### 四、研究结果

##### 4.1 历史时期τ气候态

以CARDAMOM观测约束数据为参考，全球τ的空间分布呈现明显纬度梯度：北半球高纬度地区τ超过80年，而热带地区低于20年。四个ESM均能大致再现这一纬度格局，但存在幅度和范围差异。CNRM在北半球高纬度地区高估了τ的空间覆盖范围，UKESM1除高纬度和澳大利亚外τ变率较小，IPSL则在大范围区域系统性低估τ。总体而言，模式间对τ基准态的模拟偏差存在，但在主要纬度格局上表现一致。

##### 4.2 未来情景下τ的变化

2020—2100年，所有模式和情景下全球平均τ均呈显著下降趋势（p<0.05），表明未来陆地碳循环总体加速。SSP5-8.5情景下全球τ下降速率为?0.04至?0.98年/十年；G6sulfur情景下，CNRM、UKESM1和IPSL的τ下降趋势分别缓解了0.17、0.27和0.05年/十年，而CESM2两种情景的τ趋势差异较小。纬度带分析显示，北半球高纬度和中纬度地区τ趋势与全球趋势类似，但G6sulfur下的下降幅度较SSP5-8.5普遍减弱；热带和南半球中纬度地区τ趋势在模式间方向不一。空间差异方面，SAI在全球多数地区补偿了SSP5-8.5情景下τ的降低，在北半球高纬度地区补偿幅度最高约6年；但在澳大利亚，部分模式显示SAI进一步加剧了τ的下降。区域平均τ变化显示，北亚、东亚、北美和欧洲在四个ESM中一致出现τ增加，北亚增幅最大（CNRM约6年）；澳大利亚在四个模式中一致下降，CNRM下降约6年；非洲和南美洲则出现模式间符号分歧。

##### 4.3 SAI下区域τ变化的驱动因素

对北亚、澳大利亚和非洲三个焦点区域的Δτ分解表明，通量项是区域τ变化的主要贡献来源，储量项贡献相对较小。在北亚，所有模式中通量项驱动的τ增加占主导，且主要由NPP变化引起；在澳大利亚，通量驱动的τ下降为主，NPP贡献约为?11年（CNRM），超过NBP的正贡献；在非洲，CNRM模拟的τ下降主要源于NPP驱动的通量项（约?7年），而UKESM1的τ增加则由NBP和土壤碳储量共同驱动。将NPP响应与区域气候变量比较发现，北亚NPP降幅与区域冷却幅度成正比，澳大利亚NPP变化与降水变化一致，而非洲的NPP响应方向与一致的温度和降水下降趋势不匹配，表明模式间NPP敏感性差异是导致非洲τ不确定性大的根本原因。

#### 五、讨论与结论

讨论部分指出，SAI导致的北半球高纬度τ增强与先前研究认为的“冷却抑制分解超过抑制生产力”的观点一致。但热带和南半球中纬度区域的τ响应呈模式依赖性，可能与SAI引起的降水格局变化以及冷却加剧了这些地区氮限制有关。模式间差异未能归结于是否存在碳-氮循环耦合等单一结构特征，例如CNRM与UKESM1均包含交互式碳-氮循环，但模拟的非洲τ符号相反，说明碳循环过程（如NPP对温度和湿度的敏感度、土壤水分对植被的胁迫表示、碳分配与分解过程）的模式化差异是区域τ不确定性的主要来源。与SSP2-4.5减排情景的直接对比表明，即使全球平均温度相近，G6sulfur下τ仍较SSP2-4.5短0.5—4年（CESM2、CNRM、UKESM1），这主要归因于G6sulfur下较高的CO₂浓度通过CO₂施肥效应提高NPP，加快了碳周转，提示SAI只能部分模拟减排路径的碳循环效应。

研究结论可概括为：SAI总体上有助于提高陆地生态系统的碳保留能力，特别是在北半球高纬度地区；但这种增强在区域上高度不均匀，部分热带地区（如非洲）出现相反的模式间响应。SAI对碳循环的区域性影响应在地球工程有效性评估中被明确纳入；同时，从陆地碳循环角度看，减少人为碳排放仍是缓解气候变化的首要策略。未来需通过协调的敏感性实验进一步量化模式间陆地碳循环响应差异的来源。