森林和气候变化：强迫因子、反馈机制及森林气候效应外文翻译资料

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英文文献翻译

英文题目Forests and Climate Change: Forcings , Feedbacks, and the Climate Benefits of Forests

中文题目 森林和气候变化：强迫因子、反馈机制及森林气候效应

森林和气候变化：强迫因子、反馈机制及森林气候效应

Gordon B. Bonan

摘要

世界森林通过物理、化学和生物过程影响气候，从而影响行星能量、水文循环和大气成分。 森林-大气之间这些复杂且非线性的相互作用可以抑制或放大人为气候变化。热带、温带和寒带造林和再造林通过碳固存减轻全球变暖。生物物理反馈可以增强或减弱这种负面的气候强迫。热带雨林通过蒸发冷却减缓气候变暖，但北方森林的低反照率是一种正的气候强迫。温带森林的蒸发效应尚未明了。来源于这些和其他过程的净气候强迫尚未为人知。森林承受着全球变化的巨大压力。跨学科科学综合了众多相互作用的森林气候服务对全球变化影响的知识，这些知识是识别和理解至今尚未探索和理解的地球系统的反馈机制和森林减缓气候变化潜力所需要的。

在热带、温带和寒带地区，森林覆盖4200万平方公里，占据30%陆地表面（图1A）。这些森林为自然系统和人类提供了生态、经济、社会和审美服务（1），包括各种生物的避难所，食物、药材、林产品供应，水文循环调节，土壤资源保护，休闲娱乐的需要及精神需求和审美价值。此外，森林通过能量、水、二氧化碳和其他化学物质的交换影响气候。

森林存储了45%陆地碳（图1B），贡献了50%的陆地净初级生产量（2）且每年能吸收大量的碳（图1C）。上世纪90年代，森林碳摄入贡献了每年2.6PgC的陆地碳汇。33%的人为碳排放来自化石燃料和土地利用变化（3）。森林的低地表反照率可以掩盖雪的高地表反照率（图1D），这有助于通过增加太阳能加热使地球变暖。森林通过蒸散保持水循环，通过云和降水的反馈冷却气候。相比于农作物，森林蒸散占可用能量比例普遍较低，且针叶林的比例低于落叶阔叶林（图1E）。

一直以来，人们认为森林影响气候。从美国北部的欧洲殖民地开始，人们就相信开垦森林获取耕作地、木制品及居住地改变了气候（4）。如今科学家们有一系列的方法来研究森林和大气之间的耦合，包括涡度相关系统，自由空气的二氧化碳富集系统，卫星传感器和数学模型。据了解，森林和人类对森林的利用提供了重要的气候强迫和反馈（3），也就是气候变化可能会影响生态系统的功能（5），而森林可以减缓气候变化（6）。然而，缺乏的是将许多森林相互作用的气候服务与全球变化的影响相结合的科学来提出减缓气候变化政策。

因此，本文阐述了在热带、温带、寒带森林中生物圈和大气的相互作用。重点为生物地球物理过程（反照率和蒸散量）（7）及其与生物地球化学过程（碳循环）的比较（8），还有通过生物地理过程（土地利用和植被动态）产生的森林大气耦合变化（9）。

图1.陆地生态系统影响气候的生物地球化学（碳）和生物地球物理（反照率和蒸散）过程（SOM）。（A和B）分别是非植被（绿色）和森林（蓝色）生物群落的地理范围和总碳存量（包括植物和土壤）（2）。（C）是热带、温带、寒带森林的净生态系统生产力（NEP）（47）。单个显示的标志分别表示湿润常绿热带森林、三种类型的温带森林、三种类型的北方森林的净生产力。垂直柱状图显示不同森林类型的平均净生产力NEP。（D）表示的是非森林（绿色）和森林（蓝色）生物群落分别在雪盖和没有雪盖情况下的卫星监测得到的直射光反照率（48）。同时展示的还有单个森林生物群落。（E）表示的是小麦、玉米、温带落叶林、北方叶松针叶林和稀树草原有他们平衡速率标准化的蒸散与冠层阻力的关系（49，50）。所示为单个数据点和每一植被类型的平均值。

气候模式生态学

森林对气候大尺度的影响很难通过观测直接确立。通过仔细验证的气候数据有时能揭示生态的影响，例如叶子的出现对春季蒸散量和气温的影响。涡动相关系统和现场实验提供了局地尺度剖析森林大气的相互作用的方法，同时遥感科学的进步可以帮助将这方面的认知扩展到更大的空间尺度。然而更多时候，我们对森林如何影响气候的认知都是通过大气模型和数字地球的陆面过程参数化来理解的（10）。成对的气候模拟，其中一个作为参照来与另一个改变植被的模拟比较，从而表现出对气候的生态影响。

大气模型需要在陆地表面的能量通量、水分和动量作为边界条件来解答大气物理和动力学数值方程。始于1960年代末和70年代的第一代陆面参数化运用了没有明确表示植被能量交换的大部分空气动力学公式[在线支持材料（SOM）]。可以利用的土壤水分调节潜热通量，并且当需要这一部分调节作用时，水分循环被简化为土壤水分的“水桶”的模式。在这种方法中，降水量填充土柱使水分增加至指定的田间持水量，超过此值降水将以径流形式流走。

到了上世纪80年代中期，陆面参数化的第二代，包括了水文循环和植被对能量和水分通量的影响。这些模型明确描述植物冠层辐射传输，冠层之上以及冠层之内的湍流过程，以及蒸散量的物理和生物控制（图2A）。积雪、土壤水分廓线，植被对水文循环的影响也包括在内（图2B）。在20世纪90年代中期，在第三代模型中，植物生理学理论进一步提出蒸散量的生物控制。模型把光合作用的生物化学过程和气孔导度的生理过程连接在一起。叶片的光合作用和导度扩展到植被冠层中是依靠与光的可用性相关的氮和光合作用能力的最佳分配。这些模型模拟已经被植被通过反照率、湍流通量和水循环常规地证明了气候的生物地球物理调节作用（10）。

当代模型有能力超越了水文气象学并在生物地球化学和生物地理的建模中有所提升 10）。许多模型模拟碳循环（图2C）和植被动态（图2D）。在这些模型中，生物圈和大气形成一个耦合系统，通过气候影响生态系统的功能，生态系统再反馈于气候。世界上大部分的自然植被已被用于农耕（图3）。因此一些模型还包括了土地利用变化。

图2.当前一代的气候模式将生物圈和大气作为一个耦合系统。陆面参数化表示的是陆地生态系统的生物地球物理学、生物地球化学、生物地理学过程。（A）表示地表能量通量及（B）表示水文循环。这些为核心的生物地球物理过程。许多模型还包括（C）碳循环和（D）植被动态，使得植物生态系统应对气候变化。一些模型还包括（E）土地利用和（F）城市化，代表着人类对生物圈的改造。

热带森林

气候模式的模拟结果表明，与牧场（SOM）相比，热带森林维持高蒸散速率，降低表面温度，增加降水。研究最多的地区是在亚马逊河流域，大规模森林到牧场的转换形成了一个温暖、干燥的气候。由森林的低反照率引起的地表变暖被强烈的蒸发冷却抵消。在热带的非洲和亚洲也有类似的结果，热带雨林气候的影响通过大气遥相关可以延伸到温带。不过森林和大气之间的相互作用是复杂的，小尺度的、各种各样的森林砍伐可能产生的中尺度环流，增强云和降水。

在巴西亚马逊的通量塔测量证实：尤其是在干燥的季节，与牧场相比，森林反照率较低，有更大的净辐射，更大的蒸散量，造就了一个又浅，又冷，又湿的边界层（11，12）。观测表明，森林蒸腾在干旱季节持续（11），这在二氧化碳通量（12）和植被卫星监测（13，14）中也能看得到，程度相比于许多模型更高。

热带森林包含了陆地生物圈碳量的25%（图1b），占33%的陆地净初级生产力（NPP）（2），每年能吸收大量的碳（图1c）。在90年代，尤其在热带地区，采伐森林每年释放1.6PgC碳量（3）。大气的分析表明，热带森林的碳平衡或碳汇，意味着在不受干扰的热带生态系统碳摄取的补偿作用。

这些过程之间的净平衡可能是一个正面的效益，通过蒸发冷却和碳固定缓解全球变暖（8）。然而，更完整的森林-大气相互作用的分析仍是需要的。热带森林的生物地球化学和生物质燃烧对大气化学和气溶胶的影响可以改变云层和降雨（16）。气候年际变化调节森林-大气耦合。在温暖、干旱的厄尔尼诺的年份，从生物圈释放到大气中的碳造成了高大气CO₂增长比例（3），尤其是在热带地区（17）。干旱使得热带森林更容易在土地清理过程中燃烧（18）。然而，热带森林生产力可能比预期的更能抗干旱（14）。

在一个逐渐变暖、人口愈加稠密的二十一世纪，热带雨林的未来岌岌可危。热带雨林容易受到气候变暖、干旱的气候的影响，这可能通过正反馈即减少蒸发冷却、释放二氧化碳，及引发的森林枯死加剧全球变暖。在上世纪90年代，全世界的热带天然林损失每年高达152000平方公里（1），亚马逊森林以每年25000平方公里的速度在远离我们而去（19）。在未来，土地利用压力可能持续存在，当林中空地达到一个临界值时，亚马逊地区可能转变为永久干燥的气候。

北方（寒带）森林

气候模型模拟表明，相比于没有林木的地区，通过局部通量测量（21）和卫星地表反照率显而易见的冰雪季节地表反照率低，，会造成较为温暖的气候（图1d）。因此，在年平均气温上，北方森林具有所有生物群落最大的生物物理效应（7）。北方森林的损失形成了冰川的正反馈（22），而在6000年前的全新世中期森林扩张中放大气候变暖效应（23）。

北方森林在将经辐射分为显热与潜热通量方面是不同。相比于落叶阔叶林，针叶林夏季蒸发率（定义为潜热通量占可用能量的比例）低，有较高的显热交换率和产生深层大气边界层（21）。通量塔测量说明了，在火烧后引起的物种组成的潜在变化影响了气候（24）。沿着阿拉斯加80年火灾年代序列，与80岁黑云杉（云杉）的森林相比，以草类为主的3年的焚毁地点和一个15年的白杨森林每年的净辐射减少31%，主要是在春季和夏季。与80年代的站点相比，全年感热通量下降超过50%，主要是在春季和夏季。在夏季，白杨林有最高的潜热通量、最低的感热通量和最低正午波文比（定义为显热通量与潜热通量的比值）。

虽然成熟的森林年碳收入低，但是北方生态系统在土壤、多年冻土、湿地中存储了大量的碳（2），对北半球陆地碳汇贡献较大（3）（图1C）。来自于反照率增加的气候强迫可能抵消碳排放强迫，因此北方森林砍伐降低气温（8）。从北方火灾的气候强迫的综合分析中能得到相似的结论（25）。长期强迫是火灾后地表反照率增加和燃烧过程中排放的温室气体辐射强迫之间的平衡。平均超过80年的火灾周期，来自地表反照率的负强迫超过了较小的正生物地球化学强迫。然而在火灾后第一年，来自温室气体排放、臭氧、沉积在冰雪中黑碳和气溶胶的正生物地球化学强迫超过了地表反照率的负强迫。

北方森林易受全球变暖的影响。树木可以扩展到冻土带，但是沿着南部草原交错带枯死。在主要的北方森林中，可能会有常青树和想落叶树的转变。西伯利亚的森林在某些地区可能会崩溃而在北方形成常绿林。火灾或昆虫爆发的干扰增加，将森林转变到一个更年轻的年龄阶层。来自于森林年轻化的气候强迫与生物群落变化相当。

温带森林

在美国东部、欧洲和中国东部，许多温带森林已被清除用作农耕（图3D）。农田比森林反照率高（图1D），还有许多气候模型模拟发现与农作物相比起来，树木会使表面空气温度变暖。树木对积雪反照率的遮蔽影响在寒温带气候中很重要（SOM）。美国东部森林的研究发现，与作物相比，树木由于其较低的反照率也保持温暖的夏季气候，由于作物的蒸发冷却和大气的反馈对云和降水的影响增强（26）。作物对蒸散量的影响在通量塔测量中能被看出。与森林相比，浇灌作物在生长季节蒸发冷却多，这些植物产生较少的蒸发阻力（图1E）。

虽然全球气候模型发现，美国东部的温带森林使夏季气温较高（26），美国七月气候的中尺度模型模拟发现，与作物相比，树木增加蒸散量和降低地表空气温度（27，28）。云量改变产生的大气反馈影响了这些模拟中温度响应的幅度。通量塔测量分析表明，与草地相比，由于树木更强的气传导率和蒸发冷却，在北卡罗来纳州的针叶林和落叶阔叶林具有比草田低的表面辐射温度，但此结论不一定适用于农田（图1E）。

年际气候变化影响生物圈-大气耦合。在西欧，土壤湿润时，森林和农业用地有可比的表面辐射温度，在干旱地区反应则不同。由归一化植被指数表明，尽管地表温度和感热通量随干旱增加而增加，但是森林仍保持绿色植被。农田植被绿度下降至50%，表面温度高于森林13℃，感热通量在旱情加重的情况下比森林大。对干旱的不同反应源于树木的深根和对深层土壤水的获取。

温带森林有20%的世界植物生物量和10%的陆地碳（图1B）。成熟林的固碳率高（图1C），但由于砍伐，在美国历史上温带森林一直是碳源。再造林和火灾控制的社会经济趋势把这些森林转变为碳汇。在欧洲有类似的趋势（3）。

温带森林的净气候强迫高度不确定。源于冬季低反照率和夏季蒸散量的竞争，影响了年平均温度（7）。森林覆盖率减少导致较高的反照率可以抵消碳排放，使温带森林的净气候效应可以忽略不计。或者树木减少导致蒸散量的减少可能会扩大全球变暖（8）。

温带森林的未来和气候服务是高度不确定的。因为恢复成熟林，在美国东部的森林碳汇可能会下降（31）。这些森林面对来自气候变化、大气中的CO₂含量增加和氮沉积的不确定压力（5）。在未来落叶和常绿树之间的平衡的变化似乎成为可能。温带森林特别容易受到人类土地利用的影响。过去几十年的趋势一直是弃耕造林和

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