前沿佳文·基于观测驱动的湿地甲烷排放敏感性分析及预测(总第89期)

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导读

湿地是大气甲烷的主要来源，占甲烷排放总量的30％至40％。湿地甲烷的排放取决于温度、地下水位深度以及有机物的数量和质量。全球变暖将对驱动甲烷生成的这三个因素产生影响，这引发了人们对天然甲烷生成与气候变化之间的互馈关系的质疑。迄今为止，众多地表模型研究结果表明湿地甲烷排放对气候产生了大规模响应，然而不同研究结果之间存在很大差异。本研究中，作者综合甲烷通量的大气反演模型以及温度和降水的观测数据，提出了一个新的全球湿地甲烷排放量的估算值。

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湿地甲烷排放对气候驱动因素的响应

湿地甲烷排放的时间变化通常与区域尺度的气候驱动因素有关。与此相反，作者在全球范围内同时研究了五个气候区及全球尺度湿地甲烷排放与气候的依存关系（图1）。结果显示，在所有气候区中，甲烷排放均与近地表的气温高度相关，同时，在较为温暖和干旱的气候区，甲烷排放与降水的关系通常比温度更紧密。综合对多个气候变量的探索性分析结果，作者选择了平均气温和降水作为关键气候驱动因素。

为了确定全球尺度湿地甲烷排放对温度T和降水P的二维响应，作者排除了湿地面积以及在整个像素上观察到的排放绝对量的影响，将每个像素和每月观察到的排放量除以同一像素整个时间段内的排放平均值（以下称为标准化排放量En）。结果表明，湿地甲烷排放的T和P依赖性受背景气候控制，在各个气候带中驱动因子不同（图1）。寒冷地区主要对T敏感，如图1的颜色图案中的水平条纹所示（A和B），较暖的地区对P更为敏感（图1，D和E中的垂直条纹），温带气候区同时出现了温度和降水的共同限制（图1，C）。图1F所示的全球响应表明，排放物对寒冷气候（低于5°C）中的T和对温暖气候（高于10°C以上）中的P的强烈敏感性，该结果与区域尺度的研究发现一致。

图1 湿地甲烷排放对气候因子的响应

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甲烷排放响应气候因子变化的敏感性分析

为了量化甲烷排放对主要气候驱动因素的敏感性，以往研究中多采用控制单一变量变化的方式进行敏感度计算，然而自然条件下各变量往往是同步变化的。因此，作者通过感兴趣量相对于自变量的全导和偏导来表征其灵敏度。分析表明，在恒定降水水平下仅增加温度将显著增加寒冷气候地区的湿地甲烷排放，略微降低温暖地区的排放，并且在温带产生积极影响（图2，A至D）。由于气候带之间的补偿，全球通量对变暖表现出略为正的内在敏感性（ISET），而对变暖的表观敏感性（ASET）却可以忽略不计（图2，A至D）。LSMs在寒冷气候地区平均产生相似的结果，但在气候较暖地区的排放量和对气象因子的响应规律方面都具有很高的不确定性（图2，A至D）。LSM对气候变暖地区温度升高的较高敏感性最终导致在全球范围内对温度略有正敏感性（约2％/°C；图2，C和D）。关于降水，INV和LSM都显示出相似的结果，所有气候区的排放都有明显的表观和内在变化，全球敏感度约为每月6至10％/ cm（图2，E至H）。值得注意的是，对降水的内在敏感性要比表观的敏感性大，尤其是在较冷的气候区。

图2  甲烷排放响应气候因子变化的敏感性

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变化气候情景下湿地甲烷排放预测

湿地甲烷排放的未来趋势将取决于气候驱动因素P和T的变化以及它们之间的协变量。为了研究这些气候驱动因素的未来演变，作者利用CMIP5气候模型进行了四个代表性浓度路径（RCP）模拟 。该模拟基于两个相反的假设：（i）假设没有适应性，因此假设排放对气候驱动因素具有恒定的响应，或者（ii）考虑到湿地甲烷排放量完全适应预测气候。除了考虑气候变化对排放率的影响外，还考虑了由于湿地面积的潜在扩大而导致的排放变化。

仅考虑气候对当前湿地地区排放率的影响时，在情景RCP8.5下，2100年的排放显著增加，中位数介于140％（假设完全适应）和160％（不适应）之间；RCP2.6情景下，直到2040年排放量都有小幅增加，之后呈现出相对稳定的趋势，相对于2000年的排放量，到2100年达到约120％（无适应）。考虑到湿地面积的扩大，使用RCP8.5，2100年的排放量估计为2000年排放量的150％（适应）至180％（无适应）之间。这些结果表明，气候变化下的湿地扩张可能占2100年湿地总排放量的20％。 

图3 不同浓度路径湿地甲烷排放预测结果

分析结果显示（图4），到本世纪末，在RCP6.0和RCP8.5情景下，热带湿地排放的份额已大大降低，而这在很大程度上是寒冷气候区的排放增加的补偿结果。热带气候带对全球排放的贡献将从目前约为68％下降至60％，而较冷的地区的贡献将几乎翻番（从目前的约16％到本世纪末约28％）。温带和干旱气候区的排放对全球排放的贡献几乎保持稳定，并有略微下降的趋势。本研究结果中预测准确性受到模拟湿地面积不确定性的限制，因此，在基于此方法的后续研究中，建议通过耦合湿地面积动力学模型来提高模拟的准确度。   

图4 基于MACC反演并以甲烷排放不适应气候为假设前提的湿地甲烷排放模拟结果

结语

本研究中基于反演模型的自上而下的方法为过去、当前和未来气候下甲烷排放的观察驱动评估提供支持。结果突出了关键气候驱动因素P和T之间短期和长期协变量在预测湿地对全球甲烷预算的贡献方面的相关性。在RCP 8.5气候情景下，P和T的预期长期正协变，将可能导致甲烷排放量增加约40％~60％，而考虑到湿地面积增加时，增加幅度可达50％~80％。这一发现强调了将全球变暖限制在2°C以下，对于避免自然湿地甲烷排放驱动的气候反馈有重要作用。

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推文期数：2020204

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