造林氣候調節效應及其影響機理研究進展

黃 麟

中國科學院地理科學與資源研究所 中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室,北京 100101

近40年,全球60%的土地覆蓋變化直接源于人類活動,農業開墾、城鎮化導致森林破壞,而造林再造林使得森林面積凈增加約7%[1]。這些人類活動改變土地覆蓋狀況,改變二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、含氟化合物等長生命周期溫室氣體,硫酸鹽、硝酸鹽、聚甲醛(POM)、黑炭、臭氧(O3)等短生命周期大氣組分及其他空氣污染物的濃度,改變生物地球化學循環和生物物理過程,從而影響全球氣候變化[2]。樹木從生長到死亡,持續與大氣、土壤交換碳、氮、水分、光以及可以與氣候產生相互作用的各種化學物質[3]。樹木通過光合作用吸收CO2,通過呼吸和分解作用釋放碳,吸收多則為匯、釋放多則為源。近幾十年來,造林成為地球變綠的主要因素之一,全球近20年新增綠化面積中,約25%源自中國的植被增加量,其中造林貢獻占植被增加量的42%[4]。截至2018年,中國人工林保有面積達0.69億hm2,居全球首位,占全國林地面積的36%,人工林成為凈碳匯[5]。

1 造林應對氣候變化的急迫需求

溫室氣體“減源增匯”是緩解氣候變化最直接的手段[6],氣候變暖使得樹木生長速度加快,通過增強碳匯功能,減輕溫室效應,具有深遠的政治、生態和經濟影響[7]。全球森林是一個巨大的碳匯[8],可減少三分之一CO2排放量,即2℃甚至更高目標所需的減排力度[9]。全球中、高緯度新造林吸收的CO2超過了天然林,除了CO2增加引起的“肥料效應”外,“幼齡效應”貢獻了約25%[10-11]。因此,保留、恢復、新增和管理森林被認為是減緩全球變暖、控制升溫目標最有效、最安全、最具成本效益的一個解決方法[9,12-16],是聯合國生態系統恢復十年計劃(2021—2030年)中應對氣候危機、供水和糧食安全以及生物多樣性保護的有效措施[17]。

據最新估計,全球造林潛力巨大,可以支持9億hm2新造林并固定200億t碳,有望將大氣CO2濃度減少約25%[15]。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)建議到2030年需要每年新增森林面積2400萬hm2以應對全球變暖,特別是熱帶和亞熱帶地區[18]。由于碳排放控制的有限進展,中國、美國、英國、歐盟、非洲、拉丁美洲等50多個國家和地區承諾并制定了森林恢復[3,16]或保護現有森林[1]等各種計劃應對氣候變化。但是,“2030年全球恢復林地3.5億hm2”的“波恩挑戰”,43%國家僅承諾恢復半數可恢復的林地[15],并且以恢復單一樹種的經濟林為主[18]。

然而,造林對于氣候變化的影響非常復雜且存在極大地不確定性[3],森林相關減緩措施的碳響應尚不明確,從而引起了對于該策略有效性的質疑和爭論[12]。因此,為了更加準確、全面地認識造林的氣候效應,當務之急需要搞清楚并充分理解造林對氣候的影響是什么? 影響程度如何？不同區域造林對氣候影響的差異性？產生這種差異的機理是什么？不確定性及其產生原因是什么？通過調控造林活動能否有效減緩氣候變化？如何正確評估這種調控行為？回答好這些問題,對于科學規劃我國乃至全球未來造林活動具有重要且急迫的科學與現實意義。

2 造林的氣候效應研究進展

2.1 造林對林內小氣候的影響研究

由于地形地勢、氣候背景、土壤理化、林分特征、保護及經營措施等差異,森林的水分、氣體、熱量交換存在顯著地時空差異,從而影響林內的光照、溫度、濕度、降水等小氣候因子。森林小氣候研究源于歐洲,在我國始于建國初[19],利用平行對比或垂直梯度開展林內、外的太陽輻射、空氣/土壤溫濕度、風速、蒸發量、降水、CO2濃度等觀測[20- 22]。近幾十年,人工林小氣候特征、水熱交換、輻射能量平衡、降溫增濕、防風固沙等成為以造林為主的生態保護修復工程生態效應評估的研究熱點[23- 26]。一般而言,人工林可降低林內氣溫和土壤溫度,但這種降溫存在區域、季節、晝夜差異[24]。因此,不同區域、林分類型、生長時期、演替階段的人工林,林內水熱環境對氣候變化的響應和反饋作用不同,混交林優于純林,復層林優于單層林,常綠林優于落葉林,高郁閉度優于低郁閉度,成熟期優于建群期[24,27]。

熱帶、亞熱帶、溫帶濕潤區的人工林,林冠強烈吸收和反射太陽輻射,降低地面長波輻射和林內光照強度[20,25,28],枝葉阻截、磨擦平流、亂流渦旋體削弱空氣熱量交換強度,使得林內氣溫和土壤溫度降低、日較差縮小、溫度變幅減弱[20,28],由于林內風速及亂流交換減弱,蒸騰蒸發氣體可停滯在近地面層空氣中,使林內空氣濕度和雨季土壤濕度增加[20,25,28]。與天然常綠闊葉林對比,人工林的降溫增濕效應較弱,干季降溫明顯、濕季增濕明顯[24],不同樹種人工林的降溫保濕效應亦有差異[23]。相反地,干旱半干旱區人工林的降溫、增濕、阻風效應受水分條件限制,荒漠草原地區營造片狀防護林使得白天凈輻射增大,地溫和氣溫升高,空氣相對濕度降低[29]。比如,塔里木盆地人工林引起地表反射率降低、凈輻射增加、潛熱通量占比增加、湍流交換減弱,具有白天升溫、夜間降溫作用,降溫效應與樹種和覆蓋度關系密切[30- 31]。黑河流域中游干旱區的農田防護林,夏季林內氣溫比林外低,冬季林內氣溫比林外高[32]。黃土高原混交、灌木、草地等不同退耕還林還草模式,夏季高溫天氣均可顯著削弱光照、降低風速和局地范圍溫度、提高空氣相對濕度[33]。

2.2 造林對區域氣候的調節效應研究

造林影響局地小氣候,進而影響光合呼吸、植被生長、水分蒸騰、輻射能量平衡等生態過程,從而對區域氣候系統產生影響,特別是夏季最高氣溫及其日/年際變化[22,34]。一般認為,造林使白天的地表溫度降低、夜間升高[5]。也有模擬試驗認為,造林的降溫作用被夸大,幾十年時間尺度可能降溫,但是更長時間來看則會使地球升溫[35]。造林在不同氣候帶、緯度、區域具有增溫或致冷效應[36- 37]。熱帶森林極具致冷作用,其降溫效應可能是目前估計的兩倍[35,38]。寒帶、高緯度地帶造林具有增溫作用[39],特別是積雪覆蓋時[40],或因水汽增加而增強溫室效應時[41]。北中緯度地區大規模造林也使地表溫度提高[37]。溫帶造林可能引起降溫,也可能增溫,亦有研究認為對溫度影響不大[36,38,42-43]。干旱區造林會導致凈增溫,因為白天的降溫被夜間的增溫所抵消[5,36]。

森林水平降水的生態意義更大,有研究表明林內氣溫達20℃以上、相對濕度90%以上可能出現水平降水,以霧露水和葉尖吐水現象為主[28]。植被恢復導致晚春土壤水分虧缺、加劇夏季干旱[44],春季土壤水分損失越快,大氣濕度水平越高,有利于云的形成并增加降水[45]。熱帶造林增加降水的概率較高[46],撒哈拉和澳大利亞北部半干旱區造林也會使降水增強[47]。模擬試驗得出大規模造林改變了全球環流和降水模式,大氣環流對地表水分的重新分配有助于增加下風向區域的降水量[45],比如北中緯度地區大規模造林改變了亞馬遜等遠離造林區域的降水量[37]。也有研究認為,土壤水分不足導致水分蒸發減少,較低潛熱可能抑制云和降水[45]。此外,由于林層對氣流的阻擋和磨擦作用增強,迫使氣流分散、消耗動能,降低水平風速并削弱近地面空氣湍流交換,可使風速減弱40%—90%[25,29]。過去30年造林及其生長導致植被生物量增加、地表粗糙度增加從而引起風力減弱,對歐亞大陸風力減弱的貢獻率25%到60%[48],特別是中國[49]。

3 造林調節氣候的生物地球化學機理

造林直接或間接地影響氣候,主要取決于地表與大氣之間生物地球化學效應和生物物理效應的相對強度[36,50-51]。在高緯度地帶受輻射因素影響,在熱帶受水汽循環控制[38]。除了影響陸氣之間CO2、水分和能量交換,造林還會釋放生物揮發性有機化合物(BVOCs),影響氣溶膠、O3和CH4等氣候強迫因子[51-53]。

3.1 造林對CO2變化的影響

造林增加植被覆蓋[1]、植被碳固定[54-55]以及表層土壤碳儲量[56],是減緩氣候變化的有效措施[43,54,57]。雖然木材和土壤有機質中碳固定對氣候的影響是百年尺度的[58],但是森林植被的CO2通量很大、隨時間變化劇烈,樹木在多個時間尺度上與大氣交換CO2、CH4和N2O等溫室氣體,呈現明顯的瞬時、日、季節變化規律。雖然樹干是CO2和CH4的凈源[59],然而,樹木吸收CO2所產生的冷卻效應顯著超過樹木通過釋放CH4所產生的增溫效應[3]。因此,恢復或增加森林有助于吸收人為活動排放的CO2。極受爭議的干旱半干旱區,造林使得30cm深度表層土壤有機碳和全氮儲量分別顯著提升了131%和88%,造林前土地利用類型、造林樹種是最主要影響因素,其中,荒地造林后土壤碳、氮儲量的增幅要顯著大于農田和草地造林,營造落葉闊葉樹種的增幅顯著優于常綠闊葉和針葉樹種[60]。因此,干旱半干旱區造林容易,但要維持其生長較為困難,大氣CO2濃度增加刺激植物生長加速,但土壤養分供應限制卻降低其碳匯潛力,這種限制影響在熱帶地區較小、在寒冷區域較強[58]。此外,隨著氣候變暖,更高的樹干生產力、更快的樹木更新率和更短的碳截留時間,將降低森林碳蓄積能力,從而影響利用造林應對全球氣候變化的效果[18]。

3.2 造林對CH4變化的影響

百年尺度,CH4引起的輻射強迫是CO2的32—45倍[61]。但是,當前對于森林是CH4源和匯的關注較少。了解森林CH4通量動態、森林與大氣之間CH4交換,開展森林CH4計量,對于減緩全球氣候變化速度具有重要意義,應納入全球CH4預算[62]。森林CH4動態受土壤水分與養分、自然干擾、森林管理措施等因素影響[63]。森林土壤作為大氣CH4的重要陸地匯,其CH4吸收量可能會隨著降水量的增加而下降[64],隨著土壤狀況變化,可能變成更大的匯,也可能變成源[65]。基于排放量或衛星估算的熱帶森林CH4源差異,亦引發了對于森林CH4源的重視[66]。樹干是森林CH4收支的重要源,樹木通過根-干-皮連續體將土壤中、樹干心材中、內部微生物及非生物光化學過程產生的CH4輸送或橫向擴散到大氣中[67-68]。山地[69]、濕地[70-71]、漫灘[72]森林的樹干皆排放CH4。但是,樹干CH4排放量不確定且存在爭論[66-67,72]。從熱帶到寒帶森林的樹木CH4排放具有區域差異,亞馬遜雨林樹木CH4排放量是溫帶濕地森林和熱帶泥炭沼澤林的200倍[71],溫帶山地森林樹干CH4排放抵消了生長季土壤CH4匯,可能短暫地將森林變成CH4源[70]。樹木CH4排放增強了濕地森林CH4源、降低了山地森林CH4匯[67],可能會削弱森林對氣候的正面效應[68]。雖然缺乏數據估計森林CH4排放對全球CH4收支的貢獻,考慮到全球龐大的樹木數量及造林面積[73],即使單株樹木的排放量低,在全球尺度也可能是巨大的排放量。

3.3 造林對其它化學物質變化的影響

森林亦會向大氣釋放異戊二烯、O3等BVOCs[53,74],在氧化作用下產生二次有機氣溶膠(SOA),這些化學物質既影響空氣質量,也影響氣候變化,通過充當云凝聚核(CCN)影響云的形成、輻射平衡和氣候,其凈效應可能會使地球變暖,也可能致冷[52,75]。異戊二烯能夠與空氣中的氮氧化物發生反應形成具有強大致暖作用的O3,可以延長大氣CH4的壽命,又可以促使生成氣溶膠粒子、阻擋入射光而產生冷卻效應[52]。大氣異戊二烯的90%以上源于陸地植物,且不同植物的異戊二烯排放速率存在數量級上的差異[75]。熱帶和溫帶的樹木會釋放大量的異戊二烯,亞馬遜雨林是大氣倍半萜類異戊二烯的最大來源,除了光合作用驅動這種次生代謝產物并從雨林冠層釋放,土壤微生物也是一個來源[76]。高緯度北方森林主要釋放萜烯,萜烯可以形成氣溶膠,阻擋陽光,促進形成云粒,達到冷卻氣候的效果[3]。受病蟲危害的森林也會釋放萜類等植物揮發物作為一種防御手段[77]。O3破壞光合作用,阻礙植物生長和生物量的積累,降低植被吸收大氣中CO2的能力,進而加劇全球變暖[78]。

4 造林調節氣候的生物物理機理

近幾十年,造林在恢復植被、增強碳匯、緩解氣候變化的同時,由于植被的生理、物候和結構變化影響陸表與大氣之間的能量、水汽和動量交換等生物物理過程[34,38],加上通過大氣化學和氣溶膠產生的額外作用[6],可能增強或減弱甚至抵消其碳匯效益。因此,同時考慮碳調節和生物物理效應,造林也可能加劇氣候變化[35,39,53,79]。然而,氣候政策多考慮CO2等溫室氣體方面,而忽略了生物物理過程對氣候的影響。造林改變反照率、粗糙度,引起蒸散量增加,這些生物物理反饋使得近地層溫度、濕度等發生變化,為減緩全球陸表變暖的貢獻率為12%[39]。植被生物物理反饋主要受葉面積控制,葉面積通過改變反照率和冠層阻力影響蒸散量,從而調節吸收的太陽輻射量[79-80]。葉面積增加導致寒區地表反照率降低而產生增溫,導致干旱區蒸散量增加而產生致冷[79],進一步反饋到云量、大氣循環和水循環變化[37,39]。這種生物物理反饋在極端干熱或寒冷潮濕年份可能放大5倍[79]。同時考慮碳調節和地表能量收支,中國亞熱帶濕潤區造林的致冷效應是僅考慮碳調節致冷效應的1.3—1.5倍,而中溫帶干旱區造林的致冷效應則為僅考慮碳調節效應的近一半[26]。因此,僅考慮碳效應會導致熱帶造林氣候調節效應的低估和寒帶、溫帶的高估[35-36,43]。

造林影響輻射和湍流能量通量進而改變地表溫度的氣候調節效應區域差異顯著[5]。熱帶造林增加蒸發蒸騰和湍流從而致冷,有助于減緩氣候變暖,而北方造林減少地表反照率從而加劇變暖[6,39]。高緯度地帶造林對地表溫度的影響是蒸散發增加、大氣環流變化、短波透射率減少引起的致冷效應,與長波比輻射率增加、反照率下降引起增溫效應之間的平衡結果[39]。在北高緯度地區,由于反照率較低從而增強太陽輻射吸收,造林具有增溫作用,特別是積雪覆蓋時[37,41]。中緯度地區輻射平衡和潛熱變化共同控制著局部地表溫度響應,氣候模式試驗表明,北中緯度地區大規模造林導致氣溫和能量梯度的變化,增加了對太陽輻射的吸收,提高了地表溫度,溫暖了北半球,改變了全球環流和降水模式,進而改變了亞馬遜等遠離造林區域的降水量和生產力[37]。歐洲造林由原始的闊葉林轉變為更具經濟效益的針葉林,針葉林吸收更多的陽光并釋放較少的水分,改變了地表與大氣之間能量、水汽交換狀態,改變了云量,大致抵消碳匯作用從而引起區域增溫[81-8-2]。

水資源匱乏的干旱半干旱區造林,由于缺水導致能量必須通過顯熱和長波上升來消除,因此,可利用土壤水分決定了造林對氣候的影響[37]。有研究認為可能需要50至80年的碳蓄積,才能抵消其生物物理效應導致地表變暗的增溫效應,有研究則認為受到人工林生長速率及其導致地表反照率變化量的影響[50]。撒哈拉和澳大利亞北部半干旱區造林,地表粗糙度增加、反照率下降,蒸散發增強、地表致冷、改變緯向溫度梯度,區域低空急流的減弱和轉移,水分滲透和降水增強[47]。美國西南部造林引起反射率變化也對氣候產生負面影響[83]。僅考慮地表能量平衡,中國中溫帶干旱與半干旱區造林引起的凈輻射增加程度大于潛熱通量的增加程度,因此地表對大氣供熱表現為增溫效應[36]。同時,造林導致黃土高原土壤水分和徑流減少[84],且在一定程度上引發了西南地區的干旱[45,85]。

5 當前亟待深入研究的內容

綜上所述,需要進一步明晰造林氣候調節效應差異及其影響因素,更加積極有效地應對全球氣候變化。當前亟待深入研究的幾個方面：

(1)造林對局地、區域乃至全球氣候影響的認識不夠全面系統,受到太陽輻射、混合空氣、蒸發蒸騰和土壤性質的影響[86],造林的隔熱調節作用產生的日較差幅度差異極大[87],即環境溫度很高時的冷卻效應、環境溫度很低時的致熱效應,當前研究多在一個或多個站點或局地尺度開展對比觀測,但在區域、國別甚至全球尺度缺少全面系統的認知,難以在應對氣候變化的造林活動中提出有針對性的策略。此外,造林對空氣或土壤溫度的調節效應研究已取得較為廣泛的認識,但是對降水、成云、風等氣候因素的影響仍存在極大的認知差異與不確定性。

(2)森林生物地球化學環境比已知的復雜得多,還不足以對其溫室氣體平衡和輻射氣候強迫形成確切地認識[67]。樹木在多個時間尺度上與大氣交換CH4和N2O等溫室氣體,但這些氣體通量的大小、模式和驅動因素仍不清楚[59]。比如,目前對于森林CH4通量不清楚、源匯之間復雜重疊以及個體間的極端差異[67],排放的來源、時間和空間模式以及數量仍不明確,產生、氧化和運輸導致樹干CH4排放的生物地球化學途徑知之甚少[7-2],底層微生物生產和氧化過程的復雜性、森林CH4通量與環境控制的關系不明晰[63]。

(3)當前研究很少涉及造林對BVOCs排放和SOA形成的影響,這限制了對造林如何與氣候相互作用的理解[5-2]。同時,由于缺乏相關的森林排放數據,目前所掌握的信息仍然不夠充分,難以說明森林源BVOCs究竟具有什么效應。目前還不清楚,哪些森林植物能夠排放大量的異戊二烯等BVOCs？排放量是多少？時空變化差異如何？需要進一步測量不同區域、不同森林類型的葉和冠層尺度BVOCs排放量,以確定其地理差異的成因[75]。

(4)過去乃至當前對于森林與氣候變化相互反饋研究聚焦以CO2為核心的溫室氣體通量方面,長期的碳水熱通量觀測在輻射能量平衡、生物物理過程方面的研究較為薄弱,造林的生物物理效應以模型模式模擬和衛星遙感反演為主要手段,尚未形成天空地融合的系統研究,有待揭示更多現象,且當前獲得的相關理論知識有待更為深入的驗證。

6 研究展望

盡管面積不斷增加,我國人工林單位面積蓄積量僅為天然林的36%,質量較差、結構不盡合理、生產力偏低、生態功能弱[88]。面對未來氣候變化與適宜發展空間的制約以及人類對生態服務需求的日益旺盛,我國規劃21世紀中葉森林覆蓋率達到世界平均水平(30.6%),如何可持續地發展人工林？需要營造什么樣的森林？何種規模和成本的造林是有效的[85]？造林是否能夠達到預期生態效應？需要重點關注幾個方面：

6.1 系統地生物地球化學機理研究

需要對不同立地條件、林分特征、干擾和管理等人工林影響溫度、降水、成云、風等開展系統深入研究,通過長期、快速、高頻率的大規模測量,在時空維度拓展溫室氣體通量、BVOCs的大小、模式和驅動因素觀測,解析其產生、傳輸的生物地球化學途徑及非生物光化學過程,辨別傳輸過程在不同個體、物種和生態系統之間的差異,加強對森林釋放化學物質及其與大氣相互作用的監測,對造林引起溫室氣體平衡和輻射氣候強迫形成系統地認知。

6.2 深入開展生物物理機理研究

造林對氣候影響的生物物理效應主要通過站點對比觀測、耦合模式模擬或空間替代時間方法來評估。然而,站點分析難以擴展到區域及更大空間范圍,基于陸氣耦合模式通常假設全面造林或毀林情景,高估了其對氣候的生物物理調節效應[37,45],預測結果在現象、數量、空間分布等方面存在極大不確定性。因此,造林生物物理效應的大小仍然是科學界爭論的焦點,跨學科發展涵蓋生物地球化學和生物物理過程的生態模型、陸面模式、氣候模式,亟需對造林的生物物理氣候效應進行深入觀測和研究[34,79]。

6.3 推動可持續地有效人工林管理

有限國土空間使得未來造林空間受限,需要加強人工林管理以增強造林減緩氣候變化功能的可持續發揮。大面積幼齡林是持續地碳匯,管理能增加更多碳吸收。當然,管理同時引起地表反照率與粗糙度、BVOCs排放、蒸騰和顯熱通量等變化,從而導致其獲得的碳匯效益被增強、減弱甚至抵消[81]。IPCC全球模型模擬結果與UNFCCC國家溫室氣體清單中關于林業土地利用變化CO2凈排放量的差異,約80%源于森林管理產生的誤差[8]。森林管理能否減少大氣CO2與大氣頂部輻射不平衡,既不增加近地面氣溫也不減少降水量,目前難以確定[55]。因此,通過森林管理實現緩解氣候目標需要權衡利弊[89]。

6.4 恢復具有完整結構地人工林

我國人工純林占比近60%,安徽、湖南等省甚至超過70%,林分結構簡單,大面積集中成片,抗逆性差、穩定性低,生態系統功能脆弱。完整的森林景觀對于穩定陸地碳儲量、保護生物多樣性、調節水文狀況和提供其他生態系統服務至關重要。維持并盡可能地恢復具有完整生態功能和景觀結構的森林,以遏制生物多樣性危機、減緩氣候變化、實現可持續目標,應當是全球和各個國家生態環境戰略的一個核心組成部分和急迫事項,也是旨在促進重新造林策略的一個重要部分[90-91]。因此,未來造林目標應是低質低效人工林的提質增效,以及盡可能恢復具有相對完整結構、景觀和功能的人工林。

6.5 多重生態系統服務權衡與協同

氣候變化背景下,造林的氣候調節效應是否可持續[18]？水土保持、碳固定效應顯著[54-55],但干旱半干旱區造林加劇地下水枯竭、威脅原生物種、導致生物多樣性減少[9-2],增加水分蒸散、減少徑流量、影響水沙關系[84],甚至對糧食安全存在不利影響[85,93]。此外,我國木材供應缺口長期保持1—1.5億m3,木材產品供給和生態調節服務之間存在顯著權衡關系。因此,造林重點需從注重面積擴展轉向人工林質量及其綜合生態系統功能提升,從木材產品供給、碳匯、水土保持、防風固沙等單項生態功能向多重生態服務轉變。