极端气候与碳循环外文翻译资料

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极端气候与碳循环

摘 要：陆地圈是全球碳循环的重要组成部分，其碳平衡受到气候的强烈影响。持续的环境变化被认为会增加全球陆地碳的吸收。但越来越多的证据表明，极端气候，如干旱或风暴，可能导致区域生态系统碳储量减少，从而有可能会导致陆地碳吸收不是如预期那样增加。本文，我们探讨了极端气候对陆地碳循环的机制和影响，并提出了一个途径，以加深我们对极端气候对陆地碳收支影响的理解。

1 引言

在过去的五年里，陆地生态系统吸收了25 - 30%的人为二氧化碳（CO₂）排放。大量吸收是通过森林生物群和土壤中的碳积累而进行的。造成碳汇植被净增长的机制包括CO₂和氮的输入，还有北方地区生长季长度的逐渐增加。总的来说，这种陆地汇减少大气中的二氧化碳含量的人为增加，并为气候和碳循环系统提供了负反馈。弄清楚二氧化碳净吸收和负反馈发生在哪个生态系统、能发展到什么程度以及持续时间至关重要。

为了解决这些问题，碳–气候模型实验已经开始，最近的是耦合模式相互比较计划（CMIP5），其结果是用在当前的政府间气候变化专门委员会（IPCC）的评估中。在CMIP5比较中，国家的最先进的地球系统模型是碳循环与气候耦合得出的。在所有这些模型中，二氧化碳、气候变化和氮沉降（较少的模式）的综合效应导致了植被生产力的提高，促进了温带和寒带地区碳汇的增强以及上述对气候变化的负反馈。然而，对未来生态系统反馈和反馈强度的预测是有很大的不确定性。最近的研究表明，极端事件的发生，例如热浪、干旱、风暴、和相关的扰动可以部分抵消碳汇的作用甚至导致碳储量的净损失，从而释放CO2到大气中。因为极端事件可以触发生态系统的即时和时间滞后响应，如死亡、火灾、虫害，它们对碳通量和碳储量的影响是非线性的。因此，即使极端气候的频率或严重程度小的转变可以大大削弱碳汇，对气候变暖产生相当大的正反馈。

从这个角度出发，我们研究极端气候对陆地生态系统碳循环的不同影响。我们从极端天气影响的概念性处理开始，对极端天气引发的关键生态系统机制进行了分析，做了对碳循环的不同生态系统类型敏感性估计的第一次尝试。最后，基于多时相地球观测数据和地球系统模型模拟得出的极端级数的一组量度，我们提供了过去30年极端气候造成的碳循环偏差相对大小的第一个估计。

我们认为，极端气候有可能对区域和全球的碳循环产生重大影响。为了获得对未来碳循环反馈的标志和量级的可靠估计，需要更好地理解和描述极端气候本身和极端气候引发的生态系统碳循环过程。为此，我们提倡进行新一代的生态系统控制实验，致力于研究极端事件，有针对性的长期碳循环观测，并具有高分辨率气候和生物圈模型。

2 极端气候与生物圈

气候和极端天气的研究在气候学和水文学方面有着悠久的历史。这研究形成了一个普遍适用的用于定义极端气候的统计框架。然而，极端气候统计的定义并不一定适用于评估对生态系统及其碳循环的影响，如下面的实验所示。考虑一年的总和，假如499mm观察作为一个统计的极端，如果过去100年的年降水量一直510mm 500mm之间（虽然具有相当大的季节性变化），但这1–11mm或0.2–2%的差异事实上在其生态系统的影响是可以忽略的。同样，在真实的世界中，如果在高纬度地区每月平均冬季气温是在 -30℃ 和 -40℃之间，而 -25℃ 又是极端气候的临界值，但它远远低于任何引起生态系统响应的临界阈值。

因此，需要有对极端气候在陆地生态系统相关的具体定义，预测极端气候时，不仅仅考虑气候驱动。因此，它已经表明，极端气候事件的定义应为“一个事件或罕见的或不寻常的气候周期对生态系统的结构和/或功能改变的典型或正常的变异范围的界限”。这个定义一般包括一系列对单个变量来说不是极端的气象事件，但对于组合变量来说是极端的（多元极值或复合事件），比如热浪和干旱的结合，或者是干旱之后的极端降水。

为了进一步强调影响的观点，我们重申对生物圈有关极端气候的定义：“在规定的时间内，在一定的地区，起源于单一或多元异常气象变量，生态系统的功能（如碳吸收）高于或低于规定的极限值”。这样一个概念，确定极限的重点首先是生态系统的诊断，然后需要将极端生态系统的影响归因于气象变量的即时和滞后效应（参见“卫星时期碳循环的极限”部分）。

有明确的证据表明，极端事件不仅影响碳循环（例如，通过降低植被生产力或在火灾事件中破坏碳储量），而且可以引发滞后反应。例如，一个异常温暖的时期，一年后，土壤中异养生物的呼吸作用增加，抵消了生态系统的碳吸收；冻土增加了系统对与异养生物呼吸作用的敏感度，并导致了夏季干旱森林中的树木的死亡率增加；除此之外，在许多情况下，会出现严重的干旱。我们对于极端事件对生态系统碳循环的滞后反应和遗留影响知之甚少，它可能涉及在不同的地方和时间多个协同和拮抗机制的共同作用，因此，人们提出了一个分级的框架。这些机制包括减少植物对非生物胁迫的反抗（例如，通过渗透剂或抗氧化剂，或者改变膜稳定性），害虫和病原体（例如，通过改变的次生代谢产物）及其对植物的影响作用；（2）改变凋落物和孢子的数量、质量和时间；（3）对土壤的物理和化学特性的影响（土壤有机质组分，团聚体的稳定性，疏水性）；（4）植物、微生物和动物物种组成的变化（例如真菌增加，因为真菌比细菌更耐旱）以及碳和氮循环的相关变化，它们会反馈到（1）-（3）。

未来的研究应该在生态系统尺度的综合研究中专注于这些机制，并为极端气象事件对碳循环的预期影响提供一个基准。除了上述在生态系统尺度上的机制，我们也应该正视在碳循环中大量滞后反应对社会和经济系统的影响，例如，如果由于低产导致食品价格不断上涨，加上被大风把植物连根拔起的风险，应该提倡植树造林。

3 依赖生态系统的过程及其影响

极端气候导致的一系列相互关联的影响，有可能改变不同时间尺度上生态系统的碳平衡。（图1）。热浪和干旱的影响说明：这类极端气候对CO2通量产生直接影响，因为光合作用和呼吸作用都受到温度和土壤水分的限制。此外，这些因素在叶子、生态系统和区域尺度上的协同作用如下。干旱导致植物气孔关闭，叶片蒸腾减少和蒸发冷却，加剧了高温（强短波辐射）的影响。同样，在区域尺度上，在干燥的土壤条件下土壤水分–温度反馈有较高的可能性引起热浪。此外，土壤干旱，意味着更低的土壤水势和土壤水力传导系数，通常会导致叶子和大气之间更大的梯度，对于植物来说，进一步加剧了高温液压系统的压力。因此，木质部的高张力会引起茎段的栓塞和部分液压传导的失败，甚至可能是导致植物死亡的一个因素。这目前被认为是干旱时植物死亡的主要原因，与其他与碳水化合物的代谢和虫害相关的假设机制相互依存。植物的死亡可能是炎热和干旱的一个滞后影响，至少会影响几十年的碳平衡，并可能导致与当地和地区的水文和气候的反馈相关的植被变化。干旱的进一步影响包括火灾风险的增加和病原体和虫害暴发的滞后反应，后者也与生态系统对森林风暴的敏感性有关（图1）。

虽然不同的极端气候事件触发机制可以从概念上描述为上面的部分，但其具体的影响高度依赖于生态系统的类型。我们把极端气候对森林、泥炭地、草地、农田的影响在表1中总结作了总结。

3.1 森林和泥炭地

森林的特点是每平方米有大量的碳储量，它们易受狂风、暴风雪、霜冻、干旱、火灾和病原体或虫害暴发的影响。此外，鉴于树需要很长的时间去再生，因此，由于极端事件而减少的森林生物量需要很长时间恢复。因此，极端气候对森林碳平衡的影响既可能是即时的又可能是滞后，而且可能长期存在。极端气候的影响部分地取决于多年前发生的事件。因此，评估极端气候对森林碳储量的影响需要一个明确界定的时间范围，在这段时间内，可以评估即时的和滞后的损失或收益。此外，任何依赖于森林生物量和森林土壤长期碳储量的减缓气候变化政策，必须防止未来极端事件对碳库存的减少。

虽然森林可能受到各种极端事件的影响（表1），但从全球范围上看，干旱是影响碳平衡最普遍的因素。例如，在欧洲2003年发生的热浪事件，降水（和土壤水分）赤字，温度不是减少在温带和地中海森林生态系统水份和碳通量的主要因素。严重并且经常性的干旱被认为是近期树木数量加速减少和森林死亡率上升的一个主要原因。除了最广泛研究的中纬度森林带外，干旱也是高生产力的热带森林生理机能和碳循环的相关驱动因素。亚马逊森林在2005年和2010年的严重干旱中估计分别失去了1.6 Pg C和2.2 Pg C。土壤条件和生根方式对于恢复力和抵抗力起着重要作用。

暴风雨和热带气旋经常导致严重的森林破坏，造成严重的树枝和树叶损坏。暴风雨被认为是最重要的自然因素。1999年，影响欧洲森林的洛塔尔超级风暴减少欧洲森林的生物量约为16 Tg C，相当于欧洲约30%的生物群落净生产量。同样，亚热带森林易受风灾和热带气旋的影响。在2005年1月，一个飑线横越亚马逊流域，导致大范围的林木死亡，并把相当于全流域年平均23%生物量送到地面上。

在1997至2009年间，全球火灾排放的2 PG C/yr的平均年排放量的一半来自森林生态系统，其中20%来自热带森林的森林砍伐和火灾，16%来自林地火灾，15%来自于MODIS卫星时代（2001 - 2009）的森林火灾。在亚热带、地中海、北方森林和林地，极端气候可能会促进火灾和虫害的爆发，但并不容易证明是直接联系，因为存在许多因素，包括人类行动，可能会引发害虫和火灾。然而，与厄尔尼诺事件有关的气候异常已被证实是导致热带森林火灾的原因，影响亚马逊热带雨林和热带南亚洲，后者在1997–1998事件中贡献了66%的二氧化碳的增长率。

泥炭地有大量的碳储量，就像森林一样，但它们在地下，大多被高水位所保护，这就限制了分解作用。从全球范围上看，热带泥炭地中含有约90 Pg C，尤其易受干旱和火灾影响。北半球的泥炭地含有500 Pg C，易受水文极端事件影响，如干旱和暴雨，这可导致分解作用、CO2的立即释放和溶解有机碳输出造成的碳损失，从而导致这一季度净生态系统生产力的损失。

总之，森林（和林地）生态系统可能受到所有极端气候的影响，伴随着许多重要的过程和间接影响，如图1所示。由于巨大的碳储量（现存量）和碳通量受到极端气候的强烈影响，所以森林是对极端气候最敏感的生物群落。然而，许多过程（例如，死亡）不会导致碳立即释放到大气中，而是通过分解作用释放（方框1，图2）。如果极端气候之后紧接着森林的快速再生，那么在每一个恢复周期中产生的碳会随停留时间的增加而增加（例如，通过地下运输或木炭形成），整个过程可以是碳中和的，或者甚至可能导致碳的长期沉降，但这种说法还没有被证实。

3.2草原和无树平原

草原容易受干旱影响，而与森林形成鲜明对比的是，草原受到其他极端事件（如风暴）的作用很小。而火灾通常是草原和无树平原的内在因素，不能被视为极端事件。然而，火灾的确限制了无树平原（如坦桑尼亚的林地）树木的生长，从而限制了地表以上碳储量的增长。Marcolla等人发现由于草原对气候的年际变化有较强的适应能力，导致阿尔卑斯山草原的碳平衡年际变化受到抑制。虽然干旱事件的持续时间可能是一个关键因素，但无论是有人管理或者是无人管理的草原，均具有植物生长恢复潜力大的特点。总的来说，这种强大的恢复能力使草原明显与森林区分开来，并解释了为什么在全球范围内，草原往往能在极干旱的年份出现。然而，一旦干旱引起植被的损失后，大雨造成的侵蚀使得草原开始退化，更频繁的极端事件可能导致半干旱草原向干旱草原转化，特别是存在过度放牧的时候。

3.3 农田

对于碳循环对气候极端事件的响应，农田生态系统至少有三个不同于其他生态系统的特点。首先，农田系统都是人为管理的，可以在短时间内实施干预措施（例如，灌溉）。第二，对于一年一熟的作物，通过收割和农业管理，如耕作、粪肥/残渣管理和灌溉，土壤—植被系统会定期恢复。第三，作物覆盖的类型和持续时间是可变的，土壤可以长时间裸露。因此，无论是即时还是更长时间，农田系统对极端事件的响应受到人类干预的高度调节（例如，通过改变品种或栽培方法）。因此，自然和人类的干预是评估极端事件对农田碳平衡的影响程度最大的不确定性之一。极端事件的副作用也很可能导致农民主动干预。增加灌溉可提高根系生物量、微生物活性和侵蚀速率，从而导致土壤有机碳储量增加或减少。定期收割和土壤处理使农田系统相对于森林或草原，更不可能受到极端气候长期的影响，但不能排除病原体种群动态的遗留效应。此外，在其发展的关键阶段，作物品种可能会受到一个非常特殊的压力源的影响，而它在余下的时间里是不重要的。例如，如果花粉温度在春季的短暂授粉期中达到37℃，水稻花粉就会变成不育。一般来说，极端事件是在作物的特定时期产生影响，与植物在生长阶段的敏感性有关。还要注意的是，在极端气候条件下，作物产量与碳吸收量可能会分离。例如，比利时的一个小麦地，由于异常温暖的冬季而导致有高的碳吸收量，但在成熟期时遇到不利的天气条件，因此没有高产量。

4 卫星运行周期中的碳循环极值

卫星使我们能够评估土地植被的状况。例如，吸收光合有效辐射的部分（ FAPAR）经常作为植被活动的时空指标。在FLUXNET倡议中，现代机器学习的方法让我们将 FAPAR变为总初级生产力的稳健估计。如今，这些连续的全球数据流形成了一个用来检验过去的三年，并量化极端气候对全球生态系统碳循环影响的基础。zscheischler等人以这个影响为导向搜索策略，盘点三十年来 FAPAR的极端异常事件，并强调大的时空连续的事件。把10%作为阈值来定义 FAPAR的极端事件，他们估计，在1982—2011年，全球每年减少的GPP量为2.7 Pg C（用5％和1％作为阈值，全球每年减少的GPP量为分别为1.9 Pg C和0.7 Pg C）。在亚洲北部，GPP有最显著的减少（64 Tg C/yr）。此外，最易受伤害的地区是非洲东部（55 Tg C/yr）、东亚（53

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