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气候变化,正在压低森林固碳的 “天花板”

森林与人类一样脆弱、敏感,这反过来削弱了森林固碳的潜力 | 图源:pixabay.com

 

导  读

2022年3月21日是第十个 “国际森林日”。相比植树造林,“国际森林日” 更关注森林与民生之间深层、复杂的互动关系,强调人类与森林的长久共存。

在气候变化的背景下,众多研究发现,森林与人类一样脆弱、敏感,这反过来削弱了森林固碳的潜力;若保护不当,森林甚至有可能从宝贵的 “碳汇” 沦为另一个温室气体排放源。

 

撰文 | 吴雨浓

责编 | 冯灏

 

在亚马孙,森林会为自己下雨,河流会飞翔。

 

科学家发现,亚马孙地区云和雨的形成,与森林释放的有机物质有关 [1]。树木如同 “出汗” 一般,释放出有机分子,如植物碎片、花粉、真菌孢子等,并与空气中的化合物反应,产生直径在20-200纳米之间的颗粒,这些颗粒既是云的种子,也是降雨的关键因子。同时,树木的根系从土地中吸取水分,通过树叶的气孔将水分蒸发到大气中,也为云补充了水汽 [2]。

 

来自亚马孙的云,还会与赤道海面蒸发的水汽结合,撞上安第斯山脉,乘着信风一路南下,形成一条 “飞翔的河流”。每天,亚马孙雨林都会向这条 “天河” 输入约200亿升的水,这与亚马孙河的流量几乎相当 [3]。这条 “飞翔的河” 滋养了南美大陆腹地的冰川、草原和农田,也让这片南美经济发展的领先地区,更加舒适和宜居 [4]。

 

这就是自然森林的 “魔法”—— 它不单单是成千上万的树木,更是地球生态系统的关键组成部分。树木连同它们脚下的土壤和生物,承载了全球约80%的陆地生物多样性,同时,是人类应对气候变化的重要帮手。

 

3月18日,北京大学保护生态学团队在《科学》杂志上发表长文 [5] 称,与结构简单的人工林相比,天然林可以更好地支持生物多样性保护,实现地表碳存储、土壤保持、水源涵养等生态系统服务 [6]。

 

而在气候变化的背景下,森林与人类一样脆弱、敏感,若保护不当,还可能加速气候危机。以亚马孙雨林为例,连年的火灾和树木死亡,已使这片 “有魔法” 的森林,逐渐变成了净排放二氧化碳的 “碳源”。

 

保护和恢复自然森林、减缓气候变化,既是在拯救森林,也是在拯救我们自己。

 

1、森林界的 “参差”:天然林 VS 人工林
 

目前,“森林恢复” 作为一项重要的 “基于自然的解决方案” 被国际社会寄予厚望 ,即,增加森林面积以吸收和储存二氧化碳,应对全球气候变化。

 

在这一背景下,大量造林运动正如火如荼地展开。2020年1月,达沃斯世界经济论坛上,中国、美国等多国通过 “一万亿棵树” 倡议;2011年,德国政府和国际自然保护联盟(IUCN)发起 “波恩挑战”,旨在到2030年恢复3.5亿公顷的森林。

 

那么怎样的森林恢复路径,可以帮我们更高效地实现气候目标呢?

 

大体而言,森林恢复的路径可分为种植较为单一的人工林和恢复天然森林两大类。2019年,发表在《自然》上的一项研究分析了选取不同的森林恢复路径在固碳量上的区别。研究发现,天然林的固碳能力比可持续管理的农林复合用地高6倍,比人造林场高40倍 [7]。

图1 天然林,农林复合用地和人工林场的固碳潜力对比 | 图源[7]

 

这一点也与IPCC同年发布的《气候变化与土地特别报告》观点一致。该报告指出,与种植新树相比,保护现有森林是稳定全球气候更快、更好,也更 “经济实惠” 的方法 [8]。

 

除此之外,已有大量研究指出,造林并不是降低大气二氧化碳含量最有效的手段,甚至可能起到反作用,比如,在高纬度地区造林反而可能降低地表对太阳辐射的反射,造成升温 [9];再生林达到原始森林固碳能力需要几十、上百年,人工林树种单一且往往在成熟前就再次被砍伐等等 [10]。

 

北京大学保护生态学团队在《科学》上最新发表的这项研究,则进一步剖析了天然林和人工林各自的 “优劣”,为选择森林恢复的科学路径提供了依据。

 

研究团队认为,当前大量以生态系统服务为目标的森林恢复项目,抱有 “凡林皆可” 的假定,通过种植一种或少数树种来构建简单的人工林,但 “人工林与天然林同等有效” 的假定目前还没有得到严格的科学检验。为填补这一空缺,该研究汇总分析了来自全球53个国家地区、264个野外研究的近2.6万条数据,对人工林与天然林在地表碳存储、土壤保持、水源涵养、木材生产这四个关键生态系统服务和生物多样性上的成效进行了对比。 

图2 人工林(与天然林相比)在生物多样性与生态系统服务各个维度的评估A-数据来源分布及数据量;B-人工林与成熟天然林相比的相对成效(上图),林龄较老或处于废弃状态的人工林与天然林相比的相对成效(下图);C-人工林与恢复的天然林相比的相对成效,包括木材生产 (下图);D-恢复的天然林与全球主要单一树种人工林在木材年均产量上的对比 | 图源[11]
 

研究发现,天然林在保护生物多样性与地表碳存储、土壤保持、水源涵养这三项生态目标上的价值都比人工林要更高;但是,人工林在木材生产功能上的成效明显优于天然林。因此,可以通过高效利用人工林实现木材生产的目标,来减少有更高生态效益的天然森林被砍伐,从而间接地提供生态益处。

 

该研究团队还发现,世界各地有许多林龄较老或处于废弃状态、不再用于木材生产的人工林,将其恢复成天然林,可以更经济地带来生态红利。 

图3 华方圆给出的对比照片,可以直观看出自然森林与人工林景观的巨大区别。A-四川省大相岭省级自然保护区中的天然林;B-四川省洪雅县境内的柳杉人工林 | 图源[11]

 

2、气候变化,正在压低森林固碳 “天花板”
 

某种意义上说,“森林恢复” 是人类的 “亡羊补牢”。

 

尽管为时未晚,但 “十年树木,百年树人”,现实中“树木”的周期,远远超过十年。

 

研究发现,即使在水热条件优越的热带和亚热带,再生森林也需要大约66年的时间,才能恢复到原始森林地表生物量平均水平的90% [12]。 而在新栽树苗长成森林的过程中,树木个体之间对阳光、水分和养料的竞争,也会进一步限制森林固碳的能力 [13]。 

 

那么,当前自然森林的固碳能力究竟是怎样的呢?

 

森林的长期固碳能力取决于其能否将碳以生物质的形式保存下来,在科学研究中,也通常使用地表生物量来衡量森林储存碳的水平。而各种自然扰动,如飓风、火灾和干旱,都可能降低森林的长期固碳能力。全球气候变化,更加剧了这种自然扰动对森林的侵蚀。

 

IPCC《气候变化与土地特别报告》指出,如果全球温升1.5℃,野火风险将持续升高;若温升达到3℃,则植被破坏和野火损失的风险将达到很危险的水平 [14]。

 

气候变化影响自然扰动,进而干扰森林的过程异常复杂,《自然·气候变化》2017年刊登的一项研究 [15] 建立了一套分析框架,综合评估非生物性(火灾、干旱、风、雪和冰)和生物性(昆虫和病原体)两大类共六种影响因子对森林的干扰效应。

图4 气候变化对森林干扰因素的直接效应、间接效应和交互效应的分布。文献中支持该影响因子的观测结果的数量,反映为图中箭头的宽度和百分比,表示该影响因子的相对突出程度。中央显示的是所有影响因子的总结果。直接效应指气候变化直接影响干扰过程,间接效应描述了气候变化通过对植被和其他生态系统过程的影响对干扰过程的影响,交互效应指该影响因子受到其他影响因子变动的影响,继而影响干扰过程 图源[15]

 

研究发现,随着气候变暖,除冰雪之外,全球范围内其他五种干扰的发生频率都可能增加。更温暖和干燥的气候条件将助长火灾、干旱和虫害,更温暖和潮湿的气候条件则增加了风和病原体对森林的威胁。各种因素之间广泛的相互作用可能会放大干扰、增加森林对气候的敏感度,例如,干旱和风的干扰明显推动了昆虫和火灾干扰的出现。

 

而令人担忧的 “未来”,正从研究预测变成现实。

 

今年3月初, IPCC报告《气候变化2022:影响、适应与脆弱性》显示,气候变化引发的干旱、火灾、虫害爆发和人类活动都在加剧树木死亡 [16]。

 

报告提及,1945到2007年,在非洲和北美的三个区域,气候变化造成的树木死亡高达20%。1984到2017年,美国西部野火面积增加了900%,其中半数可归因人类活动造成的气候变化;北极、澳大利亚、非洲和亚洲部分地区的野火面积也在持续增加。全球火灾季节都在延长。

 

联合国环境署2月也指出,气候变化使得过去几乎不会出现野火的潮湿热带森林也开始燃烧。2002到2016年间,每年平均有4.23亿公顷土地被烧毁,面积大体相当于整个欧盟 [17]。野火直接导致森林死亡,使得固定在树木中的碳被释放出来。

 

与此同时,森林的 “破碎化” 也造成了森林退化,进一步降低了森林的固碳能力。

 

《自然·通讯》2015年发表的一项研究指出,距离森林边缘1.5公里以内的森林,储存生物量平均比森林内部低15%;若将范围压缩到距离森林边缘500米,该范围内森林储存的生物量比内部要低25%。基于此,研究团队认为,IPCC可能将热带森林的碳储量高估了近10% [18]。

 

即使没有自然干扰,气候变化仍将削弱森林固碳的潜力。以北美地区的森林为例,通过研究在不同气候状况下地表生物量随年限增长的变化,可以发现,即使不考虑自然干扰对森林的影响,在高排放情景 [19] 下,到2080年,北美森林储存地表生物量的平均水平仅为当前的78%;而如果考虑自然干扰的破坏,实际情况可能更糟 [20]。

 

可以说,气候变化正在 “想方设法” 压低森林固碳的 “天花板”。

 

3、热带原始森林会是救命稻草吗?
 

那么,就没有自然森林可以帮我们了吗?

 

作为全球碳循环和水循环的关键节点,热带森林理应是地球的宝贵 “碳汇”。


 

当前,全球陆地吸收了人类产生的二氧化碳排放量的30%左右 [21],而陆地植被固定的碳中约有40%-50%储存在热带森林中 [22]。

 

早在2011年,《科学》杂志发表的一项里程碑式的研究就认为,1990到2007年间,热带森林吸收了人类二氧化碳排放总量的15% [23]。

 

不过,随着自然扰动的增加、树木的死亡和退化,热带森林也正悄悄变成 “碳源”。

 

2020年3月,《自然》杂志发表的一项研究称,热带森林吸收大气中二氧化碳的能力,在20世纪90年代已经达到顶峰,此后一直在下降[24]。 

 

今年2月发表的一项研究也指出,过去五年(2015-2019年),热带森林年平均碳损失是21世纪初(2001-2005年)的2.1倍 [25]。

图5 四个分组的条形图(从左到右)分别显示了2001-2005年、2006-2010年、2011-2014年和2015-2019年四个时期的平均年度森林碳损失 图源[25]

 

其中,森林破碎仍是碳损失的重要原因。一项使用高分辨率(30米)森林覆盖卫星地图的研究发现,热带森林中19%的区域处于距森林边缘100米以内,整个热带地区有大约5000万个森林碎片。这种边缘效应造成了总量约103亿吨碳排放,相当于每年排放3.4亿吨,约为当前每年热带森林砍伐造成碳排放的31% [26]。

 

热带森林的整体情况不容乐观,科学家对不同森林区域的研究结论也 “喜忧参半”:

 

最受关注的亚马孙雨林,近年来不断传来坏消息。越来越多的研究认为,气候变化和毁林导致亚马孙雨林面临连年火灾和树木死亡,已使 “地球之肺” 从二氧化碳的清道工沦为排放器 [27-29]。  

 

更不容乐观的是,森林的自然退化已经取代人类活动造成的毁林,成亚马孙雨林碳排放的最主要因素。研究发现,2010-2019年期间,巴西亚马孙地区累计释放了4.45亿吨碳,吸收3.78亿吨碳,为二氧化碳净排放。而由于森林退化的面积超过毁林面积,与森林退化(73%)相关的森林地表生物量减少,是毁林(27%)的三倍 [30]。 

 

不过,与亚马孙雨林消逝的希望不同,非洲山地森林正带来新的可能性。

 

2020年刊登在《自然》杂志上的一项研究 [31] 发现,非洲的山地热带雨林比亚马孙雨林储存了更高浓度的碳。

 

百余名科学家参与了这项研究,他们测量了7.2万根树,记录树干的直径、树种和树高,获取了跨越11个非洲国家的244个结构完整的非洲热带森林数据,并与亚马孙的321个森林地块进行比较。

 

他们发现,截至2015年的30年间,非洲热带山地森林地上生物量的碳储量一直很稳定,约为每年每公顷0.66吨碳,与亚马孙森林碳储量的长期下降形成对比,亚马孙地区森林的退化、死亡是造成这种差异的主要原因。研究还指出,尽管在2010年以后,非洲山地森林的碳汇也开始下降,但相比亚马孙地区的森林来说有所延迟。

 

来自英国利兹大学和伦敦大学学院的论文共同作者西蒙·刘易斯接受采访时称,考虑到山地森林面临包括高海拔、强风、陡坡、低温、长时间的云层浸泡和土壤渍水等通常被认为会限制树木生长的挑战,这一研究结果令人惊喜 [32]。

 

 “非洲的树木寿命更长,因此有更多时间积累碳。” 刘易斯还提到,有研究 [33] 表明,非洲的低地森林也是一大重要森林碳汇,这可能意味着,面对近几十年来的气候变化,非洲森林整体都保持着很强的 “韧性”。

 

4、森林保护,行则将至
 

呼吁保护非洲的原始森林、发起刚果盆地募捐倡议,是去年11月在英国格拉斯哥举办的COP26气候大会的关键行动之一。

 

该倡议旨在筹集5亿美元,在未来五年,用于保护约占全球热带森林面积10%的刚果盆地森林、泥炭地等重要碳汇 [34]。 作为回报,刚果民主共和国也承诺公布所有伐木合同的审计结果,加强对破环森林的非法合同的审查。不过今年2月,有媒体质疑,相关承诺并未落实 [35]。

 

也是在COP26期间,包括中国在内、覆盖全球森林面积90%的141个国家签署了《关于森林和土地利用的格拉斯哥领导人宣言》,承诺共同努力到2030年阻止和扭转森林减少与土地退化。

 

可以说,保护森林已是全球公认的、应对气候变化的优先事项。而政策干预的有效性也早已有所显现。例如,保护现有森林方面,巴西通过立法、建立监测体系等方式,成功在2004年到2012年间降低了亚马孙的森林砍伐。而近几年的政策松动,再次导致相关砍伐率的上升 [36]。 森林恢复方面,中国近几十年来的退耕还林等政策也起到了明显效果 [37],中国南方地区采取的,在农业活动的边缘地区精细化造林的措施,也产生了短期的碳储存 [38]。

 

2021-2030年,是中国逐步转型、完成 “碳达峰” 气候承诺的十年,是全球应对气候变化、减缓温室气体排放的关键十年,同时也是联合国 “生态系统恢复的十年”。

 

如不采取减排措施、应对气候变化,森林与人类都将面对更多未知的风险和伤害;而保护现有森林、选择更科学高效的方式恢复森林,或许可以帮我们解锁一个更乐观的未来。让森林肆意地为自己下雨,让河流继续飞。

 

致谢:感谢加利福尼亚大学伯克利分校博士生冯艳蕾对本文的讨论。


作者简介 

吴雨浓,中外对话气候变化战略传播官。

 

参考文献:

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