為森林“把脈”應(yīng)對氣候變化

英國《自然》周刊8月18日一期刊登題為《我們必須掌握森林科學(xué)——趁現(xiàn)在還來得及》的文章。全文摘編如下：

 

森林是我們在碳問題上的最大希望之一。

 

森林如何應(yīng)對氣候變化？人類對此的認(rèn)知極度匱乏。以“碳施肥”現(xiàn)象為例——如果二氧化碳在大氣中的濃度增加，植物會吸收更多二氧化碳。這是大自然迄今為止拯救我們免受氣候變化最糟糕影響的主要機(jī)制之一，但我們對其未來的軌跡知之甚少。事實上研究人員并不完全了解氣候變化與各種森林變化過程的相互作用。復(fù)雜而尚未解決的問題包括：氣候變暖如何影響森林健康，氣候變暖如何影響森林的碳匯功能，以及氣候變暖是否會改變森林提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。森林是我們的生命維持系統(tǒng)，我們應(yīng)該更認(rèn)真給森林把脈。

 

本周《自然》雜志上的六篇論文對這些問題提供了重要見解。這些論文還強(qiáng)調(diào)了一些必須克服的挑戰(zhàn)，以便充分了解森林在應(yīng)對氣候變化方面的潛力。這些挑戰(zhàn)不僅存在于科學(xué)本身，還涉及森林科學(xué)家如何合作、如何獲得資助（特別是在數(shù)據(jù)收集方面）以及如何培訓(xùn)。

 

了解植被多樣性

 

森林科學(xué)是多種學(xué)科的混合體。生態(tài)學(xué)家和植物科學(xué)家測量世界各地數(shù)以千計森林地塊的樹木生長、土壤養(yǎng)分和其他參數(shù)。物理科學(xué)家利用無人機(jī)或衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測森林高度和地上森林生物量等因素。實驗科學(xué)家通過人為改變實驗地塊的溫度或二氧化碳水平等因素，研究森林在變暖的世界中可能的反應(yīng)。由此產(chǎn)生的一些數(shù)據(jù)被另一個群體吸收：建模者，他們創(chuàng)建了動態(tài)全球植被模型（DGVM）。這些模型模擬了碳循環(huán)和水循環(huán)如何隨著氣候變化而變化，為更廣泛的地球系統(tǒng)和氣候模型提供信息，從而為政策制定提供依據(jù)。

 

不同的DGVM對森林吸收人為產(chǎn)生的二氧化碳的持續(xù)時間做出了不同的預(yù)測。造成差異的一個原因是，模型對森林變化過程的假設(shè)很敏感。有許多影響因素——包括溫度、濕度、火情和營養(yǎng)物質(zhì)——一般都是單獨研究的。然而它們之間是相互作用的。

 

例如，并非所有的DGVM都考慮了土壤磷缺乏對碳施肥的抑制效應(yīng)。亞馬孫河流域中東部大部分地區(qū)磷含量較低，研究表明，在DGVM中引入磷限制因素會降低碳施肥效應(yīng)。本周，巴西瑪瑙斯國家亞馬孫研究學(xué)院的海倫·費爾南達(dá)·維亞納·庫尼亞和她的同事報告了一項實驗，證明了在古老的亞馬孫森林中，土壤乏磷是如何限制碳吸收的。

 

位于安克雷奇的阿拉斯加太平洋大學(xué)的羅曼·戴爾和他的同事說，模擬北方針葉林隨著氣溫上升向北擴(kuò)散的模型也缺少關(guān)鍵驅(qū)動因素。他們報告說，一種白云杉出人意料地向北遷移至北極苔原。要解釋這一點，就有必要考慮到冬季的風(fēng)（有助于長距離的擴(kuò)散）以及深厚的積雪和土壤養(yǎng)分（促進(jìn)植物生長）。

 

提高模型復(fù)雜度

 

模型通?；谏倭康?ldquo;功能性樹木類型”——例如，“常綠闊葉”或“常綠針葉”。這些樹木被選為地球上6萬多種已知樹種的代表。然而，生態(tài)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，若要了解一棵樹對氣候變化的反應(yīng)，單個樹種的生物學(xué)特性很重要。

 

今年5月，英國牛津大學(xué)環(huán)境變化研究所的大衛(wèi)·鮑曼和他的同事報告稱，在過去的35年里，澳大利亞北部24塊潮濕的熱帶土地上的樹木死亡率翻了一番（預(yù)期壽命減半），顯然是空氣越來越干燥造成的。但這是81種主要樹種的平均死亡率：樹種之間的死亡率差異很大，這種差異似乎與樹林的密度有關(guān)。

 

密歇根大學(xué)安娜堡分校全球變化生物學(xué)研究所的彼得·賴克和他的同事報告說，溫度和降雨的輕微變化會導(dǎo)致北方針葉林南部不同樹種的生長和存活率不同。繁榮的樹種罕見。

 

模型未能同時考察多種因素，所以科學(xué)家正在作出挑戰(zhàn)模型假設(shè)的研究結(jié)論。對于溫帶森林來說，春天來得更早了，大多數(shù)模型認(rèn)為，生長季節(jié)因此延長，所以木質(zhì)樹干的生物量會增加。然而，弗吉尼亞州皇家前線史密森保護(hù)生物研究所的克里斯汀娜·安德森-特謝拉和她的同事在溫帶落葉林并沒有發(fā)現(xiàn)這種情況發(fā)生的跡象。建模者都非常清楚，需要提高模型的復(fù)雜度。但他們需要更多數(shù)據(jù)。

 

保證資金連續(xù)性

 

要想模型獲得全面、有價值的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行持續(xù)、長期的觀察，而這取決于能否獲得長期資金。保證連續(xù)性對遙感和地面作業(yè)都是一個問題。前者可能耗資數(shù)億美元，但其長期數(shù)據(jù)集的價值是巨大的，意大利佛羅倫薩大學(xué)的喬瓦尼·福齊里領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊證明了這一點。該團(tuán)隊利用20年的衛(wèi)星數(shù)據(jù)表明，世界上近四分之一的原始森林已經(jīng)達(dá)到了急劇衰退的臨界點。相比之下，基于實地的數(shù)據(jù)收集作業(yè)成本很低，但在財務(wù)上也很艱難。

 

全球森林地球觀測站（ForestGEO）是從事地面作業(yè)的重要機(jī)構(gòu)，它隸屬于總部位于華盛頓特區(qū)的史密森熱帶研究所。ForestGEO監(jiān)測世界各地750萬株樹木，其工作量是巨大的。例如，目前，F(xiàn)orestGEO正在對馬來西亞半島某地塊進(jìn)行第八次普查（五年一次），內(nèi)容包括確定35萬棵樹的種群（當(dāng)?shù)丶s有800種樹木），并測量每個樹干的周長。每年需要16名技術(shù)人員來測量所有的樹木。由于ForestGEO的資金不到位，在巴布亞新幾內(nèi)亞、越南、文萊和厄瓜多爾等國的類似普查作業(yè)受到了阻礙。

 

澳大利亞為鮑曼提供了北昆士蘭地塊49年的連續(xù)數(shù)據(jù)，這是罕見的，但今后能否保持，也是未知數(shù)。自20世紀(jì)70年代中期以來，澳大利亞公共研究資助機(jī)構(gòu)CSIRO一直在監(jiān)測——最初是每兩年一次，最近變成每五年一次。2019年，由于CSIRO的資金短缺，對相關(guān)地塊的監(jiān)測改為每50年一次，科學(xué)家不得不尋找新的資金來源。

 

如果沒有資金的連續(xù)性，像ForestGEO這樣的機(jī)構(gòu)就無法保障研究人員掌握必要的技能，也無法在資助周期之外收集數(shù)據(jù)。ForestGEO負(fù)責(zé)人斯圖爾特·戴維斯說:“我們培訓(xùn)了一些人才，但因為工作不穩(wěn)定，人才就流失了。”

 

不同的森林研究小組正試圖解決這些問題。ForestGEO正在跟熱帶森林科學(xué)聯(lián)盟協(xié)調(diào)，促進(jìn)數(shù)據(jù)共享，并鼓舞熟練技工和科學(xué)家的士氣，他們當(dāng)中許多人生活在低收入和中等收入國家，負(fù)責(zé)大部分的數(shù)據(jù)收集工作。

 

但我們還需要更有想象力的資助機(jī)制。例如，資助遙感衛(wèi)星的空間機(jī)構(gòu)可以與其他資助機(jī)構(gòu)合作，加強(qiáng)地面數(shù)據(jù)收集能力。期刊也可以采取措施，鼓勵長期數(shù)據(jù)收集。

 

此外，還需要更多的跨學(xué)科合作。美國能源部正在資助一個名為NGEE-Tropics（下一代生態(tài)系統(tǒng)試驗-熱帶地區(qū)）的項目。該項目的建模者將與從事觀察和實驗的研究人員合作，以建立一個完整的、包含豐富變化過程的熱帶森林模型。此舉令人鼓舞，可以進(jìn)一步推廣。

 

我們需要記住，森林科學(xué)的大廈依賴科學(xué)家?guī)资陙韽纳种蝎@取的長期數(shù)據(jù)。我們克服氣候變化的機(jī)會很小，但如果我們忘了監(jiān)測地球的基本工作，我們克服氣候變化的機(jī)會就會越來越小。