海陸聯動,「探脈」碳循環與氣候互饋作用—新聞—科學網

2021-01-14 科學網

 

由林光輝擔任首席科學家的「973」項目—「碳循環關鍵過程及其與氣候系統耦合的研究」即將驗收。談起項目特色，這位清華大學地球系統科學系教授不假思索地脫口而出：一個耦合，一個連接。「耦合就是把碳循環和氣候系統的相互作用聯繫在一起；連接就是建立陸—海之間動態的、多維的、時空上的碳交換。」他特別強調「『碳』是氣候變化的最重要的變量之一；目前的地球系統模式都把碳加進去了，但對於動態的『碳循環』過程考慮得很不夠。」

研究碳循環相關的陸地、海洋及其界面的關鍵生物地球化學過程與機理是減少氣候預測不確定性和建立新一代碳循環模型的基礎。立項之初，這個集結了清華大學、中科院植物所、北京師範大學、西北農林科技大學、中科院寒旱所、天津科技大學等單位的專家就決心自主研發碳循環模式及碳循環—氣候耦合模式，揭示海陸碳循環—氣候的互饋作用，服務國家決策和國際談判。

海陸協同，追蹤碳循環

從1750年至2011年，因化石燃料燃燒和水泥生產、毀林和其它土地利用變化等人為活動估計已累積釋放5550億噸碳，其中已有2400億噸累積在大氣中，有1550億噸被海洋吸收，而自然陸地生態系統累積了1600億噸。但這一循環中仍有很多關鍵過程並未得到清楚了解。例如，在陸—海—氣碳交換中，河流和濱海溼地起著重要作用，但其固碳潛力卻一度被忽視。

「眾多研究表明，這些覆蓋面積佔近海海岸區域不到1%的濱海溼地生態系統，每年可固定約3億噸CO2，相當於抵消全球交通工具碳排放總量的1/3。」林光輝說，此次研究的重點之一便是這些潮間帶的生態系統，特別是紅樹林、鹽沼和海草床等「藍碳」在調節CO2濃度方面的作用。

「一腳踩在陸地，一腳踏入海中。」生活在熱帶海岸潮間帶的「兩棲植物」—紅樹林是保護我國海岸線、維持近海生物多樣性的森林衛士。研究人員通過在福建雲霄和廣東湛江高橋、雷州等地已建的紅樹林生態系統碳通量觀測網監測發現，紅樹林溼地固碳能力相當於陸地森林生態系統的兩倍多，同時濱海溼地每年的碳交換率和碳匯能力也顯著高於內陸溼地。

然而，全球範圍內作為重要碳匯之一的紅樹林面積正在以每年約1%~2%的速度遞減。林光輝表示，幸運的是，與全球情況相反，當前我國紅樹林面積在以每年2%~3%的速度增加，這與國家重視和呼籲保護與恢復紅樹林有很大關係。他表示，相關研究對開發我國海岸帶藍碳潛力，用於抵消工業CO2排放提供了很好的科技支撐。

此外，研究人員還對海—陸碳循環方面的一些「黑箱」進行了探索，如利用微生物基因序列從不同角度研究土壤碳庫，基於陸地模型整合了甲烷和氧化亞氮等溫室氣體通量過程，研究了我國乾旱荒漠區典型生態系統的碳匯，系統探究了黃河、長江、珠江等三大河流碳通量的影響因素和時空變化規律，驗證河流—河口—陸架的耦合模型使得陸地—河流—海洋碳循環得以完整對接，等等。

「現在都是通過數據說話。這些新研究有助於對當前全球碳循環進行收支估算，促進不同生態系統的連接，加強中國在這一領域的國際話語權。」該項目參與者、西北農林科技大學副教授朱求安表示。

研發耦合器，建立「訂製聊天室」

「耦合器就像一個通道或『聊天窗口』。它可以讓模塊在保持獨立的同時，建立起相互之間的聯繫」。該項目地球系統模式開發專家、清華大學地球系統科學系劉利副教授解釋說，比如大氣和海洋是兩個相對獨立的自然界子系統，但大氣的降雨和海洋的蒸發，使得這兩個獨立的子系統之間發生物質交換，「耦合器可以讓它們之間相互協作」。

長期以來，我國沒有自己的耦合器，地球系統模式發展只能依賴國外耦合器。劉利與同事不斷攻克技術難題，做出了我國首個自主設計研發的地球系統模式耦合器C-Coupler1，填補了我國耦合器軟體的空白，把我國耦合器研究推到世界先進水平。

「C-Coupler是國際上一個新的、獨立的耦合器家族，不同耦合模式配置可共享同一分量模式及耦合器，這是C-Coupler的重要特色。這有點類似『私人訂製』，可以根據模塊的多少定製所需要的交互平臺。」劉利說。據悉，當前C-Coupler1已逐步在國家海洋局第一海洋研究所、清華大學等單位的模式發展中應用，並構建了多個耦合模式，如區域風浪流耦合模式，並被用於颱風相關研究。據透露，新一版的C-Coupler即將在明年上半年亮相，將進一步提高我國自主創新的耦合器水平。

與耦合器類似，林光輝向記者表示，此次項目成果的另一個特點就是「研究數據完全共享，與國際接軌，使相關數據獲得了國際認可」。例如，項目建立的中國紅樹林生態系統碳通量觀測網是中國碳通量觀測網和全球碳通量觀測網的重要組成部分；創建的集生態數據管理、可視化和在線分析為一體的FluxDATAONE數據共享平臺可促進學者之間的長期合作；TRIPLEX-GHG相關模型參加了包括全球碳計劃和北美碳計劃模型比較在內的多項國際研究合作計劃，P-Model被選為歐洲太空局實時全球生態系統生產力監測項目的模型，可對美國航天局的全球MODIS GPP產品進行新的重要補充。

「水晶地球」，預測未來發展

「有人認為，水晶球佔卜可以看到過去或預言將來。利用地球系統模式，我們也可以預估未來50到100年後的地球氣候、碳循環等的變化情況。」林光輝比喻說，全球許多國家，包括我國正在開發或完善的地球系統模式（ESM）就是這樣的「水晶球」，如果做好了就可以預測未來地球碳循環的可能變化。

項目組已將C-Coupler加入到清華大學牽頭發展的公共集成地球系統模式（CIESM）中，在大氣、海洋和陸面分量模式中耦合了碳循環模塊，開展了工業革命前控制試驗和20世紀模擬試驗。研究表明，在空間分布上，CIESM能較好地模擬出海—氣CO2通量平均態。

研究發現在大氣CO2濃度達到600 ppm（百萬分之一）時，海洋碳匯加強速率減緩；在大氣CO2濃度達到800 ppm時，海洋碳匯達到峰值。同時，海洋碳匯在全球平均溫升達到4.0℃之前，有加強趨勢，之後加強速率減緩。預估結果還表明，全球海洋及赤道太平洋、南大洋海氣CO2通量在21世紀上半葉將快速增加，在大約2070年左右穩定；全球海洋碳匯在21世紀末為每年36.8億~45.7 億噸碳。

「現在，這個項目結束了，但相關研究並沒有終止。」林光輝說，「這類創新性的研究不可能一次性地把問題全部解決完，所以培養年輕有潛力的下一代是項目的核心目標之一。」據悉，5年來，項目組已經通過現場實踐「練兵」、參加國際研討會、申請國內外基金等多種方式對年輕人才進行全方位、多層次的培養。

創新同時意味著挑戰。由於受到諸如土地利用變化、養殖等人為活動的幹擾以及強烈的時空動態變化，對精確的紅樹林碳平衡數據仍需進一步研究。此外，作為當前氣候預測與全球變化研究面臨的最具挑戰性的任務之一，陸海間碳運輸和轉化的量化及模擬仍缺乏可靠的技術方法，對其過程及機理還需要進一步深入研究。「現在，初步的『水晶球』原型有了，但很多核心技術還要繼續完善。」林光輝說。

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