科学家解读当前林业管理与气候变化关系

2014-2-27 10:05 来源: 中国科学报
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林地采伐能减少物质腐烂的碳排放。图片来源:ROBERT CANIS

  管理森林碳封存及减缓气候变化的最好方法仍在热议中。树木能吸收空气中的二氧化碳,木材能取代化石燃料及混凝土和钢铁等碳密集材料。在过去数十年里,世界森林吸附了约30%的年度全球人为二氧化碳排放。而森林蓄积和森林采伐同时增加,将为人们更多了解树木是如何吸收碳的争取时间。

  《自然》杂志撰文指出,人们对森林中的碳循环已较为了解,但是仍然存在许多知识缺口。新观察结果对长期接受的理论提出了质疑:例如数据显示,未收获的森林吸收的碳多于释放的碳,而这与生态学原则相悖——自然森林中的碳流动处于平衡状态。成熟森林的碳汇行为归因于大规模的环境变化,这违反了奥德姆框架理论假设的稳定条件。

  无论如何,空气中更高的二氧化碳浓度正加速全球树木生长,而工业、农业和化石燃料燃烧排放的氮为欧洲、中国和美国东部森林土壤提供了肥料。

  全球驱动

  为了更好地判断应如何培育森林以便减轻气候变化,法国农业科学院农村经济和社会学中心(CESAER)的Valentin Bellassen及同事提出,人们必须更好地理解这种原位碳汇行为的诱因和未来。在获得更多信息之前,Bellassen等人建议,林业管理应该优先考虑双赢策略——通过保护树木免受动物侵害到取代死亡或低生产率森林等方法,增大森林蓄积和森林采伐。

  迄今为止,有关气候变化对森林影响的大部分讨论集中在森林火灾、虫害、干旱和暴风等局部毁灭性事件发生率的升高上。在过去10年里,欧洲发生的4场大型风暴摧毁了4.1亿立方米的木材;2010年一场俄罗斯森林大火的影响范围高达2.3万平方公里;自2004年以来,树皮甲虫大流行影响了13万平方公里、杀死了加拿大不列颠哥伦比亚省4.35亿立方米的树木。

  在当地,这些事件产生了大规模的社会—经济和生态学影响。例如,1999年一场暴风袭击欧洲,摧毁了该地区1/3的年度森林碳封存,并使法国和其他受影响国家的木料价格减半。不过在过去数十年里,此类事件在全球尺度上无关紧要。即使太平洋厄尔尼诺现象和拉尼娜现象带来的气候震动对于全球平均大气二氧化碳记录而言也只是地区性干扰现象。

  另一方面,大气记录和森林调查显示,在过去50年中,森林吸纳了更多二氧化碳。实验和模型研究确定,目前全球森林碳汇主要受大气二氧化碳浓度和氮沉降的驱动。法国原子和替代能源委员会气候科学和环境实验室的Sebastiaan Luyssaert表示,这种相互矛盾的解释似乎不太可能,因为亚马逊和刚果盆地等地区要同时被影响。而这样的巧合将会留下烟灰痕迹并增强冰川冰芯样本空气泡中的二氧化碳浓度,但这些都未发现。

  预测结果模糊

  全球森林碳汇规模随着二氧化碳水平的提高而扩大。工业和农业活动,以及化石燃料燃烧释放出的含氮化合物能为数百公里外的森林施肥。欧洲和北美的温带森林碳封存率与它们在氮沉降中的暴露程度有关。对于全球森林碳预算而言,温度和降水等其他改变气候的因子,以及森林管理策略的变化(例如在砍伐之前让树生长更长时间),似乎是第二位的,尽管它们在局部范围非常重要。

  Luyssaert等人表示,对于这些驱动因子是如何塑造森林碳汇的量化理解仍然缺乏。对它们在本世纪将如何变化的预测仍存在不确定性。Bellassen说:“预测结果显示,随着工业排放的下降,二氧化碳可能超越氮沉降成为温带地区碳汇的压倒性原因。而这一论断备受争议。”原因之一是,诸如树木加速生长寿命变短等生理性条件的限制,以及成熟林地土壤肥力下降等因素通常会在模型中缺失。

  因此,相关研究模型十分混乱。不同模型对2100年森林碳平衡是正值还是负值就持有不同意见,更不必说其量级大小了。即使不同模型进行了相同的假设,例如当前排放没有变化和不进行森林管理等,它们也会得出完全不同的预测结果。

  模型假设温度和二氧化碳浓度提高将增大光合作用,即二氧化碳吸收速度大于呼吸作用的排放速度,结果显示生物圈每年将吸收超过10拍克碳(Pg C)。这一数字是目前陆地碳汇的5倍,与当前化石燃料燃烧和森林采伐的二氧化碳排放相匹配。但如果呼吸作用占主导地位,有人预测生物圈将变成每年6 Pg C的碳源。

  三条出路

  碳汇的未来轨迹会影响缓解气候变化的森林管理策略。如果世界森林保持净吸收量,那么森林保护将会更吸引人。保留成熟林地将能吸收与更年轻林地几乎同样多的碳。Bellassen等人表示,因为收割腐烂残余物和根茎会立即增加二氧化碳排放量,木材产品用量的增加需要数十年时间来补偿,因此避免林地收割将能产生额外的气候收益,至少在短期内如此。

  相反地,如果成熟林地变成碳源,那么增加收获可能是最好的缓解选项。林地收割将减少腐烂带来的损耗,同时促进木材取代化石燃料。Luyssaert和Bellassen提到,系统地加强森林碳汇持续性预测,应遵循3个安全策略。

  首先,相关研究能够进行比对和不确定性处理,因此科学家将能更清楚地陈述他们的假设。地球系统模拟社区将能定义和报告一套国际公认的性能质量标准,这主要基于复制大型数据集的趋势,其中包括与理解森林碳汇中氮和二氧化碳影响有关的相互作用。

  要提供这些数据集,需要大范围遥感技术与频繁的本地监测点监控相结合,例如,国家森林调查规划、国际通量观测研究网络等监测网和二氧化碳富集研究等控制实验相结合。另外,许多研究假设未管理林地处于碳平衡状态,这过高评估了林地收割的气候效益。其他人则假设原位森林沉积将永远持续,这低估了收获的气候益处。

  第二,对木头的最高碳效益使用将被鼓励。收获更多的木材将是一个很好的气候变化减缓策略,但是必须有针对性地使用这些木材才有效果。例如,建筑木材可以代替钢铁或水泥,用作墙骨或墙体,然后能恢复、循环利用和燃烧。

  第三,那些既能增加木材生产数量,也能提高森林碳储量的林地管理技巧应被优先考虑。当与其他的森林使用不冲突时,无论全球碳汇如何变化,更换死亡或低生产率林地、保护新苗、优化肥料使用,以及在造林工程中增加固氮物种等方式将有助于减缓气候变化。

  目前的森林管理与科学讨论相比更像一次冒险。遵循“不后悔”策略,人们能够在学到更多的同时争取时间。无论如何,世界森林的未来不能寄托在抛硬币上。