夏建阳教授课题组在JAMES上发现全球陆地变绿增加生态系统碳储量的不确定性和涌现约束

2023年5月，华东师范大学生态与环境科学学院博士生边晨昱为第一作者，导师夏建阳为通讯作者在Journal of Advances in Modeling Earth Systems (JAMES)发表题为“Uncertainty and Emergent Constraints on Enhanced Ecosystem Carbon Stock by Land Greening” 的研究论文。该研究首次将溯源性分析(Traceability analysis)与涌现约束(Emergent Constraints)结合，对比了40个全球模型中陆地变绿对生态系统碳储量的影响，揭示了模型中全球陆地变绿对生态系统碳储量模拟结果的不确定性来源，并基于观测数据约束了模型结果的不确定性。该研究指出了自1980年以来全球陆地变绿对生态系统碳储量的积极影响，强调了植被结构变化对模拟生态系统碳循环及预测未来气候的重要性。

由于大气CO2浓度升高、全球气候变暖、人类活动等原因，1980年以来植被活动显著增强，全球陆地呈现出明显的“变绿”现象。全球陆地变绿（即植被叶面积指数增加；图1）意味着植被能有更多的叶片用来进行光合作用，然而全球变绿的环境驱动因素也同时降低了生态系统碳滞留时间。因此，在全球气候变化的背景下，全球陆地变绿是否意味着生态系统能够储存更多的碳尚不明确。

图1 全球气候变化和CO2浓度升高等原因显著增强植被活动 （图为浙江省天童国家森林公园常绿阔叶林 （29°48'N, 121°47'E）；拍摄人：孙焕法）

本研究首先基于第五（CMIP5）和第六次（CMIP6）国际耦合模式比较计划以及TRENDY三个模型比较计划的数据，分析了40个模型中叶面积指数（LAI）和生态系统碳储量的关系（图2），发现尽管35个模型中叶面积指数与生态系统碳储量之间存在显著的正相关关系，但不同模型模拟结果间存在巨大差异。基于溯源性分析框架进一步分析发现，在全球超过60%的植被格点上，叶面积指数对总初级生产力的影响是导致模型间模拟差异的主要来源（图3）。

图2 不同模式比较计划（a）CMIP5、（b）CMIP6、（c）TRENDY及每个模型（d）叶面积指数对陆地生态系统碳储量的影响。

图3 40个全球模型间叶面积指数对生态系统碳储量模拟差异的不确定性来源。

通过进一步构建叶面积指数和总初级生产力及生态系统碳储量之间的涌现关系，集合多套遥感观测数据，对40个模型中全球变绿对碳储量的影响进行约束（图4）。约束后的结果有效降低了模拟结果中全球变绿对碳储量影响的不确定性，在不同模型比较计划中模拟结果的不确定性降幅约为40%~70%。基于40个模型的约束结果表明单位叶面积增加能够使得全球生态系统碳储量增加0.75±0.46 kg C m-2。

图4 集合多套遥感观测数据对多模型涌现关系进行约束。（a）多模型间涌现关系；（b）多模型模拟结果不确定的概率分布曲线。

此外，本研究发现全球变绿对生态系统碳储量的影响很大的空间异质性，特别在热带森林地区具有最高的模型间差异和最大的偏差（图5）。总而言之，该研究首次将溯源性分析方法与涌现约束相结合，在探讨模拟结果不确定性来源的基础上进一步对模型结果进行约束，有效地估计了全球陆地变绿对生态系统碳储量的积极影响并降低结果的不确定性。同时，该研究也强调了植被结构变化对模拟生态系统碳循环及预测未来气候的重要性。

图5 不同植被群落中全球变绿对生态系统碳储量影响的模型间差异（a）及模型与约束结果的偏差（b）。

作者简介：

华东师范大学生态与环境科学学院博士生边晨昱为第一作者，夏建阳教授为通讯作者，康奈尔大学骆亦其教授，澳大利亚联邦科学与工业组织（CSIRO）王应平教授、Jürgen Knauer博士，中国科学院地理科学与资源研究所张选泽副研究员，英国埃克塞特大学Stephen Sitch教授、Pierre Friedlingstein教授，中山大学袁文平教授，美国大气研究中心（NCAR）Danica Lombardozzi教授，法国气候与环境科学实验室Daniel S. Goll教授，加拿大环境与气候变化部Vivek Arora教授等参与本项研究。