編者按
1978年，中國啟動了迄今已持續40年之久的「三北防護林工程」，這一原本旨在防風固沙、減緩水土流失和荒漠化的工程，在新的時代背景下與1999年開始的「退耕還林工程」一起被賦予了「減緩氣候變化」的新含義，背後的邏輯簡單、清晰、令人振奮——植物經由光合作用吸收大氣中的二氧化碳，將其轉為生長所需的碳固定下來，因此通過植樹造林可以減少大氣二氧化碳，減緩氣候變化。
然而，現實世界總是複雜的，生態系統尤其如此。在《知識分子》「氣候大會特別策劃」系列的第四篇文章裡，三位研究森林生態的學者指出，在人類每年因燃燒化石燃料排放的海量二氧化碳面前，森林減少大氣二氧化碳的作用即使按照最樂觀的估計也是杯水車薪，而且森林對地表反照率的改變，可能會加重高緯度地區的暖化情況。因此，減排仍然是應對氣候變化的首要之事，不應過分誇大植樹造林在減緩氣候變化上的作用。
撰文 | 楊 曦（維吉尼亞大學）
徐湘濤（康奈爾大學）
印 軼（加州理工學院）
責編 | 夏志堅
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植樹造林是眾多應對氣候變化的手段中的一種。 我們需要清醒地意識到植樹造林的優點和局限性。 綜合考慮各種固碳和減排手段的利弊，探索適合國情的應對氣候變化的最優方案。
」
森林佔全球陸地面積 （除去南極洲） 的三分之一 [1] ，不僅能夠提高生物多樣性，為野生動物提供重要棲息地，也為人類提供了審美和休憩的場所，並且能保持水土，提供木材，以及固碳 [2,3] 。
由於森林的眾多益處，植樹造林已經成為了全人類的共識。2011年，由國際自然保護聯盟 （IUCN） 牽頭，眾多國家參與的《波恩挑戰》 （Bonn Challenge） 提出了在2020年恢復1.5億公頃已退化土地、並在2030年恢復3.5億公頃的目標。
除了保護自然生態平衡，不少研究提出要利用植樹造林來作為應對氣候變化的手段，因為森林和其所在的土壤一起存儲的碳量比大氣中二氧化碳總量還要多 [4] 。除去我們通過化石燃料排放的二氧化碳以外，人類文明發展帶來的土地利用變化，例如森林砍伐、開墾農田等，已經釋放了陸地生態系統中大約200Pg 碳 （1 Pg碳 = 1015 克碳，2018年全球化石能源碳排放量是10 Pg 碳） [4] ，而植樹造林可以讓陸地生態系統重新吸收這些二氧化碳。
最近，《科學》上一篇爭議極大的論文做了一項估算 [5] ：如果把地球上可以種樹的地區都種上樹，大約有200 Pg碳可以存儲在森林裡面 （注1） ，大約佔人類從工業革命到現在總排放量的⅓。如果真的如此，顯然植樹造林會是一個應對氣候變化強有力的武器。該項研究的作者聲稱「這是迄今為止最有效的應對氣候變化的手段」。
事實是否真的如此呢？回答這個問題，首先要從森林對氣候的各種反饋作用說起。
森林和氣候
森林主要通過兩方面來影響氣候：生物地球化學作用 （biogeochemical effects） 和生物地球物理作用 （biogeophysical effects） 。這些作用往往對氣候會產生相反的效果—— 有的使地面溫度升高，而有的使得地面溫度降低。
1. 森林的生物地球化學作用
生物地球化學作用主要是通過光合作用來降低大氣中二氧化碳的含量。每年森林淨吸收碳量 （光合作用減去呼吸作用） 大約是3 Pg碳。在化石能源排放 （目前約10 Pg碳/年 [4] ） 的大背景下，植樹造林對大氣二氧化碳濃度的影響實際是非常有限的。同時火災和森林砍伐大約會抵消掉1 Pg 碳。2 Pg碳看起來是一個不小的數字，但森林能起到的減緩氣候變化的作用實際上杯水車薪。
大家也許都做過進水出水的數學題吧？如果我們把大氣中的二氧化碳看做泳池裡面的水，那麼森林的碳吸收就是那個出水口，而人類造成的二氧化碳排放就是那個進水口。要做到大氣中的二氧化碳含量減少或者至少不變，那麼「出水」需要大於或者等於 「入水」。
我們可以做一個簡單的計算：假設一個響指間，我們在全球可以再造林的地方都種上幼苗，且這些幼苗需要大約50年的時間長大為成熟林 （實際時間可能更長） ，達到固碳能力的最高峰。所以在接下來的50年裡，平均每年的 「出水」 是2-4 Pg碳左右 （如果前述《科學》論文所稱的200 Pg碳在50年裡能被新生的森林存儲，那麼每年的「出水」就是200/50=4Pg；如果按照大部分科學家估計的100 Pg碳被存儲來算，則是100/50=2Pg） ，僅是人類目前年排放量 （「入水」） 的20%-40%, 泳池裡的水仍然會不斷上漲 [4] 。因此，僅僅依靠森林是不能減少大氣二氧化碳含量的。
最近《自然》上的一篇文章總結了利用和移除二氧化碳的十大技術手段 [6] ，其中也包含了植樹造林和可持續林業管理。與其他一些手段 （比如生物能源與碳捕獲和儲存——BECCS，或者增強風化——Enhanced Weathering） 相比，植樹造林的二氧化碳移除能力居中，不確定性也比較大。同時，森林儲存的二氧化碳被重新排放到大氣的可能性比其他手段要高很多。近年來各地頻發的大火以及乾旱造成的樹木死亡 （比如加州以及亞馬遜的大火 [7,8] ） ，以及隨著氣候變化可能升高的火災頻率和強度 [9] ，都在表明未來我們可能越來越難以維持森林這個地球上極為重要的碳庫。
2. 森林的生物地球物理作用
森林的生物地球物理作用主要是通過調節反照率和蒸騰作用來影響氣候。
植物在進行光合作用的時候吸收二氧化碳，但同時水蒸氣也從植物進入大氣。這樣的蒸騰作用能有效地降低森林的溫度，就像我們夏天往手臂上灑水一樣，一陣風過後手上能感到一絲涼意。因此，當水分充足的時候，森林的蒸騰作用能讓局地氣溫降低。
但是，蒸騰作用在降低局地氣溫的同時，可能會帶來一個副作用，那就是改變地表徑流和土壤水分。通過蒸騰作用，植物相當於把降水「還給了」大氣。最近一些研究表明森林通過增加蒸騰 （注2） ，可能會減少全球很多地區的地表徑流或者土壤溼度 [10-12] 。對於乾旱地區 （或者未來可能變幹的地區） 來講，這可不是一個好消息。
蒸騰作用之外，森林還可以通過改變地表所吸收的太陽輻射來改變地面溫度。地表反照率是被反射的太陽輻射佔到達地面的太陽輻射的比例。和裸土、草地或者農田相比，森林的反照率要低一些。反射越少，吸收的能量就越多，從而導致地表溫度會更高 （注3） 。
著名的天文學家和科幻作家卡爾薩根對這個話題也有所涉獵。在1979年的一篇《科學》論文裡，卡爾薩根計算了人類活動在過去上百萬年 （特別是文章發表前25年間） 對地表反照率的影響，並且發現 「地球上很多地區，中東...以及歐洲和美國，都因為人類活動對局地氣候產生了影響」 [13] 。卡爾薩根通過模型計算發現從1954到1979年，砍伐森林和荒漠化導致地表溫度降低了0.2℃。
蒸騰作用和反照率，一個是負反饋 （降溫） ，而一個是正反饋 （升溫） ，到底哪個作用更大呢？綜合在一起，森林到底會使得地面溫度升高還是降低呢？答案取決於緯度和水分條件。
研究表明在高緯度地區，森林的存在實際上使得地表溫度升高 （反照率作用大於蒸騰） ，赤道地區森林能有效降低地面溫度 （蒸騰大於反照率） ，而溫帶地區夏季以降溫為主，冬季升溫，全年總體降溫 [14，15] 。森林也能顯著的改變雲的形成和降水，比如說亞馬孫雨林地區的降水很大程度上是由蒸騰作用帶來的——每天雨林蒸騰作用產生的水量和亞馬孫河每天流入大西洋的水量相當 [16] 。
3. 兩者的複合影響
森林的地球化學和地球物理作用還會複合起來影響氣候。
森林除了吸收二氧化碳和釋放水分以外，還排放一些揮發性的化學物質。這些化學物質統稱植物揮發性有機物 （Biogenic Volatile Organic Compounds, BVOC） 。BVOC 會增加空氣中的氣溶膠 （aerosol） 。這些氣溶膠能夠散射或者吸收太陽光，因此對氣候的影響很複雜。
美國著名的大煙山的名字由來就是由於森林釋放大量的 BVOC 和其形成的氣溶膠散射了更多的藍光，導致從遠處看去森林帶有一種幽幽的藍色。BVOC 也會影響臭氧的形成。在離地面較高的平流層，臭氧是保護我們免受紫外線傷害的保護傘。但在地面，臭氧是一種汙染物，會帶來各種健康問題 [17] 。森林通過釋放 BVOC帶來的環境影響還是一個重要的前沿話題，因此BVOC的綜合環境影響還需要進一步的研究。
圖1.森林的主要生物地球物理作用和生物地球化學作用。加號表示該作用會提高地表溫度。森林的反照率比裸土或者草地要低，因此會反射更少的太陽光（也就是吸收更多太陽光），導致地面溫度升高。森林通過吸收二氧化碳和蒸騰作用降低地面溫度。此外森林通過釋放植物揮發性有機物影響氣溶膠的形成。氣溶膠能影響雲的形成，從而可能反射更多的太陽光，但同時氣溶膠也可能因為吸收太陽光而提高空氣溫度。因此，氣溶膠對氣候變化的影響較為複雜。植物揮發性有機物能導致更多的臭氧的產生。此外，最近一些研究表明蒸騰作用會影響地表徑流，從而導致河流水量減少。
也許你已經發現了，研究植樹造林對氣候變化的影響是一個交叉學科問題， 包括生態學、氣候學、大氣化學、水文學以及生物氣象學。不同影響的時空尺度也會有很大差異。 生物地化作用（例如吸收二氧化碳）的影響往往是全球性的，而生物地球物理過程（反照率）的影響往往局限於一個區域。綜合量化植樹造林可能帶來的影響對政策制定和選擇綠化的具體手段極為重要。
討論森林對應對氣候變化帶來的反作用和鼓勵砍伐森林是兩回事。沒有人會否認森林對改善環境起到的關鍵作用，但我們需要認識到森林對減緩氣候變化作用有限，我們應該在紮實的科學研究結果的支持下，合理地實行適合當地自然社會環境的綠化政策，使之成為一種改善環境的有效手段。
中國在過去幾十年裡實施的植樹造林政策取得了巨大的成果，也走了不少彎路。最近《自然》雜誌上一篇關於中國退耕還林還草工程 （Grain to Green Project） 的文章引起了不少爭議。從氣候變化的角度來看，這個工程的成果如何，未來又會怎樣呢？
植樹造林在中國：成果和隱憂
植樹造林以及退耕還林還草政策已經在中國取得了肉眼可見的效果。
自從1978年以來，三北防護林計劃在中國北方十三個省、市、自治區種下了660億棵樹。NASA 的衛星數據顯示，儘管中國的植被面積僅佔全球的6.6%，但是2000-2017年間中國的葉面積 （leaf area） 增長卻佔到同期全球增長的25% [18] ，其中一大部分 （42%） 是森林的增加帶來的。這些森林主要分布在黑河騰衝線以東的地區。
從1982年到2016年，中國北方地區的植被覆蓋增加明顯，並且主要是由較為矮小的植被 （short vegetation） 帶來的 [19] 。中國政府計劃在2050年以前在黃土高原再投入588億元用於退耕還林還草。截至2019年，中國的森林覆蓋率達到了22.96% [20] 。
維持植樹造林的成果需要看未來氣候變化的趨勢。在某些水資源缺乏的地方 （比如黃土高原） ，植樹造林可能已經到達極限。2016年，《自然-氣候變化》發表的一篇關於黃土高原植樹造林的研究論文就是關於這個話題。研究人員發現黃土高原能承載的植被可能已經到達了上限。而人類活動 （比如地下水開採） 或者氣候變化帶來的乾旱化 [21,22] 可能會使得這些森林的固碳能力在未來大大下降 （注4） 。最近《自然》的一篇新聞報導表達出對中國植樹造林的擔憂，特別是在乾旱半乾旱地區。
選擇合適的植物和治理手段相當重要。在乾旱缺水的地方，灌木或草才是更適合的植物。一系列研究表明在乾旱半乾旱地區植樹造林需要適度 [23] ：過少的植被會導致水土流失和生態系統惡化，而過多的植被 （40~50%以上） 也會影響生物多樣性和水土保持。總體上來講，植樹造林的其他環境影響 （地表能量平衡，水資源，大氣環境） 的研究還不夠完善，特別是在乾旱半乾旱地區。隨著政府在這方面投資的進一步加大，相關的科學研究需要進一步跟上。
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文中注釋
注1： 原文中估算適宜種樹的區域實際上也過於樂觀： 一些氣候不適宜種樹的地區（比如溫度或者水分條件不適合，或者火災過於頻繁）也被計算在內。 但本文假設在這樣樂觀的情況下，到底有多少二氧化碳可以被固定。 另外多篇針對該文章的評論指出該文畫出的再造林面積僅佔從工業革命以來砍伐森林面積的39%，因此200 Pg碳的數字過高，合理的數字應該在80-100 Pg碳左右。
注2： 通過二氧化碳施肥效應（ CO2 fertilization），植物會減少單片葉片的蒸騰量，但會長出更多的葉片。研究表明二者綜合的結果是植物的蒸騰作用會隨著二氧化碳濃度升高而升高。
注3： 這裡的地表溫度是指森林冠層頂部的溫度。 讀者也許會奇怪，為什麼我走進森林裡面反而感到更涼快呢？ 那主要是因為森林冠層吸收或者反射了大部分的太陽光，從而使得森林底部相對於空曠的草地來說溫度較低。 但同樣的原理使得森林冠層頂部溫度更高。
注4： 取決於未來氣候變化的情景，在最壞的情況下，植被生產力會下降36%。 當然在最好的情況下，如果地區水分充足，同時人類利用水資源的總量不大幅度上升，那麼植被生產力最大可以提高43%。
參考文獻
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[16]https://www.ted.com/talks/antonio_donato_nobre_the_magic_of_the_amazon_a_river_that_flows_invisibly_all_around_us?language=en
[17]https://www.guokr.com/article/441478/
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[20]http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=306645&do=blog&id=1074315
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[23]http://www.forestry.gov.cn/main/65/20190620/103419043834596.html