The Innovation | 由木及林：碳汇的多重限制

导 读

森林是陆地生态系统最大的碳库，主要通过树木生长增加生态系统碳储量，在应对气候变化中发挥着不可替代的碳汇功能。然而，干旱、火灾等全球变化过程，深刻影响着树木生长和森林碳汇的趋势及时空格局。我们构建了一个多时空尺度评估全球变化对森林碳汇影响的研究框架，以探究森林碳汇对全球变化的响应和适应机制。

图1 全球变化对碳汇限制示意图

Nature的一项最新研究发现，亚马逊森林碳汇的减少是干旱下树木死亡、进而森林生物量降低所致，并发现植物木质部水力安全边际(HSM)这一关键性状可用于预测树木干旱死亡风险和森林生物量。然而，全球碳汇研究还需考虑不同时空尺度的主导因素差异，主要包括以下层面：

植物个体和物种尺度

植物生长和死亡之间存在生理上的权衡，即快速生长的树木往往能长成高大的树木，并在森林中贡献主要生物量，却更易受到干旱导致的水力栓塞的威胁。高温、大风、及人类活动如砍伐等因素也都更容易导致大树死亡，加剧森林碳汇下降。因此，有必要依据森林生长的关键限制因素，选择预测森林生物量的功能性状。如在亚马逊地区，水力性状是预测干旱对森林动态影响的关键因素，而在受光照和温度等其它因素限制的地区，则需关注生长（光合速率、气孔导度、叶面积指数等）及死亡（耐热性、机械抗性、生化防御等）相关因素。

森林群落尺度

树木死亡显著改变森林的物种组成及群落结构，不同地区的生物量响应会因植被类型和环境驱动因素而异，因此需要长期监测。如西藏森林长期调查数据表明：森林生物量总体增加，但2000年前后暗针叶林生物量显著下降而阔叶林增加，主要与气候变暖、火灾和森林砍伐有关。群落结构方面，长期样地调查表明：全球大树和老龄树正在逐渐消失，导致森林生物量显著下降。

生态系统尺度

植被生长的环境驱动因素及其关键阈值对预测森林碳汇至关重要。Tavares等人证明了预测长期碳固定中HSM的重要性，弥合了碳汇功能与气候变化之间基于植物生理机制的认知差距。然而，植物的HSM具有适应性特征，甚至在同一物种内因时空而不同。因此，HSM的长期监测以确定其影响树木生长的动态阈值尤为关键。

树木生长和死亡之间的权衡与生态系统的恢复能力和抵御干扰的能力密切相关，生态系统碳汇功能的环境阈值确定更加复杂和困难。一方面，超过个体树木生长阈值的环境驱动却不一定达到整个森林生态系统的阈值；另一方面，当环境驱动超过生态系统的阈值时，森林可以建立新的平衡，通过物种组成或资源分配的转变维持或促进生态系统功能；此外，生态系统的环境阈值随森林类型和演替阶段不同而发生改变。

区域与全球尺度

多时相、大尺度遥感图像（Landsat和MODIS等）与高分辨率激光雷达（地上）和探地雷达（地下）数据相结合，可将区域监测数据上推到全球尺度，实现几十年地表变化和碳动态的近全球覆盖。野外实地观测验证的大规模遥感数据可深入了解植被在自然灾害中受到干扰及恢复的过程，为基于过程的未来碳汇建模和预测提供支持。随着遥感数据、新算法和过程模型的快速积累和发展，森林生物量的估算和预测可以在多个时空尺度上得到显著改进。

研究技术方法

传统方法根据树木的胸径、高度、木材密度和群落统计数据估算生物量，而多源遥感等新技术可在大范围内更精确、有效地估算生物量。如激光雷达（LiDAR）数据可跟踪大面积树木死亡率；基于树木结构参数（叶、枝、干和根）和异速生长方程可确定单株立木生物量。LiDAR可提供三维森林结构的精确量化及单株立木的精确定位和识别；探地雷达（GPR）则可实现地下生物量的计算；大规模的机器学习模型可提高单个树木分割和树木结构估算的效率和精度，这些技术都将极大的推动森林碳汇精准监测。

自然干扰及人类活动

森林生物量动态不仅受正常气候年份中植物生长-死亡权衡的影响，还受到自然极端扰动的影响。越来越多证据表明，热浪、干旱、大风、洪水、冰冻等极端事件以及野火、虫害和山体滑坡等连锁灾害的高频发生，将引起树木的大规模死亡，导致全球多地的植被生物量突然下降。人类活动（砍伐、造林和保护天然林）对森林生物量动态的影响也不容忽视。因此，全面评估自然和人类活动对森林生长和死亡的影响，对于更好地了解森林碳动态至关重要。

总结与展望

随着全球变化加剧，极端气候事件频发，科学系统的综合监测和模型模拟，以及新技术手段应用为定量评估和准确预测森林生物量和碳汇功能提供了支撑。我们希望这一基于全球视角的综合研究框架能为植物生理学家、生态学家、水文学家、地理学家和气候学家以及行业管理者提供更多思路，促进跨学科合作和应用，从生态系统与全球变化相互作用机制上理解森林碳汇的动态变化，促进生态系统模型模拟的发展和应对气候变化的森林碳汇能力提升。

责任编辑

黄佳聪   中国科学院南京地理与湖泊研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00091-7

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第四期以Commentary发表的“From tree to forest: Multiple carbon sink constraints” (投稿: 2023-05-11；接收: 2023-06-18；在线刊出: 2023-06-20)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100463

引用格式：Liu H., Zhang L., Ma Q., et al. (2023). From tree to forest: Multiple carbon sink constraints. The Innovation. 4(4),100463.

作者简介

刘 慧，中国科学院华南植物园副研究员，博士生导师。主要从事植物生理生态适应机理、地理分布格局和演化规律方面的研究。共发表SCI论文54篇，近5年在Nature Ecology & Evolution、Science Advances、New Phytologist等期刊发表SCI论文36篇。获中国科学院基础原创类骨干、中国科学院青年创新促进会、珠江科技新星等人才称号。

Web：https://people.ucas.ac.cn/~huiliu

张 林，中国科学院青藏高原研究所研究员，博导。主要从事生物地理与生态学过程相关研究。在Nature Ecology & Evolution、Journal of Biogeography、Plant Diversity等期刊发表论文80余篇，参编专著3部。

Web：https://people.ucas.ac.cn/~zhanglin

马 勤，南京师范大学地理科学学院副教授，主要从事森林生态系统结构和功能遥感监测方面的研究。重点关注人工林固碳、城市绿地生态效应、植被受火灾、干旱扰动的影响及其恢复过程。主持了国家自然科学青年基金项目以及美国联邦和地方项目2项，发表SCI论文20余篇。

Web：http://dky.njnu.edu.cn/info/1213/6313.htm

赵 玮，中国科学院地理科学与资源研究所。主要从事生态系统碳水循环、气候变化与植被遥感以及生态模型模拟方面的研究，重点关注基于综合监测的生态系统评估，森林、草原、湿地碳汇，生态保护和修复成效，社会-生态系统管理以及大数据支撑可持续发展目标。主持和参与国家及中国科学院研究课题10项，发表SCI论文20余篇，参编专著2部。

陈一平，中山大学百人计划副教授，主要从事激光雷达遥感、三维点云智能处理、遥感图像处理与可持续发展的研究与应用。IEEE TGRS副主编，JAG期刊编委，The Innovation青年编委。近五年主持包括国家自然科学基金等项目11项，授权国家发明专利14项。在ISPRS JPRS、CVPR、TGRS、TITS等期刊发表论文80余篇，部分入选ESI高被引论文。任ISPRS激光雷达工作组联合主席，获2023年度中国遥感应用协会青年女科学家奖特等奖，中国测绘学会科学技术奖二等奖（排一）及IEEE JSTARS期刊最佳审稿人奖等。

Web：https://sges.sysu.edu.cn/teacher/1184

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