为森林“把脉”应对气候变化

英国《自然》周刊8月18日一期刊登题为《我们必须掌握森林科学——趁现在还来得及》的文章。全文摘编如下：

 

森林是我们在碳问题上的最大希望之一。

 

森林如何应对气候变化？人类对此的认知极度匮乏。以“碳施肥”现象为例——如果二氧化碳在大气中的浓度增加，植物会吸收更多二氧化碳。这是大自然迄今为止拯救我们免受气候变化最糟糕影响的主要机制之一，但我们对其未来的轨迹知之甚少。事实上研究人员并不完全了解气候变化与各种森林变化过程的相互作用。复杂而尚未解决的问题包括：气候变暖如何影响森林健康，气候变暖如何影响森林的碳汇功能，以及气候变暖是否会改变森林提供的生态系统服务。森林是我们的生命维持系统，我们应该更认真给森林把脉。

 

本周《自然》杂志上的六篇论文对这些问题提供了重要见解。这些论文还强调了一些必须克服的挑战，以便充分了解森林在应对气候变化方面的潜力。这些挑战不仅存在于科学本身，还涉及森林科学家如何合作、如何获得资助（特别是在数据收集方面）以及如何培训。

 

了解植被多样性

 

森林科学是多种学科的混合体。生态学家和植物科学家测量世界各地数以千计森林地块的树木生长、土壤养分和其他参数。物理科学家利用无人机或卫星的遥感数据监测森林高度和地上森林生物量等因素。实验科学家通过人为改变实验地块的温度或二氧化碳水平等因素，研究森林在变暖的世界中可能的反应。由此产生的一些数据被另一个群体吸收：建模者，他们创建了动态全球植被模型（DGVM）。这些模型模拟了碳循环和水循环如何随着气候变化而变化，为更广泛的地球系统和气候模型提供信息，从而为政策制定提供依据。

 

不同的DGVM对森林吸收人为产生的二氧化碳的持续时间做出了不同的预测。造成差异的一个原因是，模型对森林变化过程的假设很敏感。有许多影响因素——包括温度、湿度、火情和营养物质——一般都是单独研究的。然而它们之间是相互作用的。

 

例如，并非所有的DGVM都考虑了土壤磷缺乏对碳施肥的抑制效应。亚马孙河流域中东部大部分地区磷含量较低，研究表明，在DGVM中引入磷限制因素会降低碳施肥效应。本周，巴西玛瑙斯国家亚马孙研究学院的海伦·费尔南达·维亚纳·库尼亚和她的同事报告了一项实验，证明了在古老的亚马孙森林中，土壤乏磷是如何限制碳吸收的。

 

位于安克雷奇的阿拉斯加太平洋大学的罗曼·戴尔和他的同事说，模拟北方针叶林随着气温上升向北扩散的模型也缺少关键驱动因素。他们报告说，一种白云杉出人意料地向北迁移至北极苔原。要解释这一点，就有必要考虑到冬季的风（有助于长距离的扩散）以及深厚的积雪和土壤养分（促进植物生长）。

 

提高模型复杂度

 

模型通常基于少量的“功能性树木类型”——例如，“常绿阔叶”或“常绿针叶”。这些树木被选为地球上6万多种已知树种的代表。然而，生态学家发现，若要了解一棵树对气候变化的反应，单个树种的生物学特性很重要。

 

今年5月，英国牛津大学环境变化研究所的大卫·鲍曼和他的同事报告称，在过去的35年里，澳大利亚北部24块潮湿的热带土地上的树木死亡率翻了一番（预期寿命减半），显然是空气越来越干燥造成的。但这是81种主要树种的平均死亡率：树种之间的死亡率差异很大，这种差异似乎与树林的密度有关。

 

密歇根大学安娜堡分校全球变化生物学研究所的彼得·赖克和他的同事报告说，温度和降雨的轻微变化会导致北方针叶林南部不同树种的生长和存活率不同。繁荣的树种罕见。

 

模型未能同时考察多种因素，所以科学家正在作出挑战模型假设的研究结论。对于温带森林来说，春天来得更早了，大多数模型认为，生长季节因此延长，所以木质树干的生物量会增加。然而，弗吉尼亚州皇家前线史密森保护生物研究所的克里斯汀娜·安德森-特谢拉和她的同事在温带落叶林并没有发现这种情况发生的迹象。建模者都非常清楚，需要提高模型的复杂度。但他们需要更多数据。

 

保证资金连续性

 

要想模型获得全面、有价值的数据，需要进行持续、长期的观察，而这取决于能否获得长期资金。保证连续性对遥感和地面作业都是一个问题。前者可能耗资数亿美元，但其长期数据集的价值是巨大的，意大利佛罗伦萨大学的乔瓦尼·福齐里领导的团队证明了这一点。该团队利用20年的卫星数据表明，世界上近四分之一的原始森林已经达到了急剧衰退的临界点。相比之下，基于实地的数据收集作业成本很低，但在财务上也很艰难。

 

全球森林地球观测站（ForestGEO）是从事地面作业的重要机构，它隶属于总部位于华盛顿特区的史密森热带研究所。ForestGEO监测世界各地750万株树木，其工作量是巨大的。例如，目前，ForestGEO正在对马来西亚半岛某地块进行第八次普查（五年一次），内容包括确定35万棵树的种群（当地约有800种树木），并测量每个树干的周长。每年需要16名技术人员来测量所有的树木。由于ForestGEO的资金不到位，在巴布亚新几内亚、越南、文莱和厄瓜多尔等国的类似普查作业受到了阻碍。

 

澳大利亚为鲍曼提供了北昆士兰地块49年的连续数据，这是罕见的，但今后能否保持，也是未知数。自20世纪70年代中期以来，澳大利亚公共研究资助机构CSIRO一直在监测——最初是每两年一次，最近变成每五年一次。2019年，由于CSIRO的资金短缺，对相关地块的监测改为每50年一次，科学家不得不寻找新的资金来源。

 

如果没有资金的连续性，像ForestGEO这样的机构就无法保障研究人员掌握必要的技能，也无法在资助周期之外收集数据。ForestGEO负责人斯图尔特·戴维斯说:“我们培训了一些人才，但因为工作不稳定，人才就流失了。”

 

不同的森林研究小组正试图解决这些问题。ForestGEO正在跟热带森林科学联盟协调，促进数据共享，并鼓舞熟练技工和科学家的士气，他们当中许多人生活在低收入和中等收入国家，负责大部分的数据收集工作。

 

但我们还需要更有想象力的资助机制。例如，资助遥感卫星的空间机构可以与其他资助机构合作，加强地面数据收集能力。期刊也可以采取措施，鼓励长期数据收集。

 

此外，还需要更多的跨学科合作。美国能源部正在资助一个名为NGEE-Tropics（下一代生态系统试验-热带地区）的项目。该项目的建模者将与从事观察和实验的研究人员合作，以建立一个完整的、包含丰富变化过程的热带森林模型。此举令人鼓舞，可以进一步推广。

 

我们需要记住，森林科学的大厦依赖科学家几十年来从森林中获取的长期数据。我们克服气候变化的机会很小，但如果我们忘了监测地球的基本工作，我们克服气候变化的机会就会越来越小。