土壤水分驱动土地碳吸收量的逐年变化

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由加州理工学院领导的、发表在4月1日出版的《自然》杂志上的一项新研究解决了这一争论，它表明，就陆地生态系统吸收二氧化碳的多少而言，土壤水分确实处于主导地位。然而，该研究也得出结论，土壤中的水分数量会影响地表附近的温度和湿度，进而影响植物的固碳能力。

参考文献：

Vincent Humphrey et al. Soil moisture–atmosphere feedback dominates land carbon uptake variability, Nature (2021). 

https://phys.org/news/2021-04-soil-moisture-year-to-year-carbon-uptake.html

编译：倪晓萱、李颖

地球上的陆地生态系统吸收了人类活动产生的大部分二氧化碳排放，有助于减缓全球变暖。平均而言，在某一年，植物和土壤吸收或固定了大约30%的人类排放量。但从一年到下一年，这个数字可能高达40%，也可能低至20%。气候科学家们的目标是确定产生这种变化的确切原因，以便他们能够解释这种变化，并创建最准确的模型来预测未来的气候。

但在气候建模界，对于这种所谓的年际变化究竟是什么原因造成的，一直存在着重大的争论。一方认为，这些变化主要是由大气特性驱动的，如地表附近的温度和空气湿度。另一方则说，土壤湿度要重要得多。

由加州理工学院领导的、发表在4月1日出版的《自然》杂志上的一项新研究解决了这一争论，它表明，就陆地生态系统吸收二氧化碳的多少而言，土壤水分确实处于主导地位。然而，该研究也得出结论，土壤中的水分数量会影响地表附近的温度和湿度，进而影响植物的固碳能力。

"土壤水分是驱动力，温度和湿度是杠杆，"加州理工学院前博士后学者、新论文的主要作者Vincent Humphrey说。

为了分析土壤湿度的重要性，研究人员使用气候模型进行了模拟，这些模型充分整合了关于地球陆地、海洋和大气的已知信息。他们模拟了两个不同的世界：一个具有正常地球条件的参考星球，以及一个从未经历过土壤湿度极端情况的假设世界--没有干旱也没有洪水。在参考模拟中，他们看到了土地对碳的吸收随时间的变化。但在假设世界的情况下，年与年之间的变化基本消失了。当研究人员从不允许土壤的水分出现异常时，植物总是固定了大约相同的人类排放比例。

图1. CTL和实验A中的碳通量

注：四个ESM（CCSM4、ECHAM6、GFDL和IPSL）在耦合模型试验（CTL）和无（试验A；ExpA）土壤水分异常的情况下模拟的全球平均NBP（平均中心和去趋势）中的IAV。正的NBP表示碳的吸收。b、 两个实验中总体平均NBP、GPP和呼吸与干扰（ReD）的标准差。c、 全球平均NBP方差变化的驱动因素。在规定的季节土壤水分条件下，全球平均NBP方差减小的主要原因是GPP方差减小。GPP和ReD通量不适用于IPSL模型。

"在这里我们有了证据，"Humphrey说。"我们可以自信地说，土壤湿度在我们看到的土地吸收碳量的年复一年变化中起着主导作用。"

但研究人员也意识到，在没有干旱或洪水的假设世界中，温度升高或湿度降低的事件比参照物少得多。他们发现，这是由于一组被称为土地-大气反馈的过程，当土地特征强烈控制地球表面附近的大气时。

为了理解这一点，Humphrey建议，试想有一次你走进公园里的一小群树，感觉温度立刻下降了。这种情况的发生是因为树木通过蒸腾过程释放了大量的水分。这将太阳的能量导向汽化水，而不是让它加热周围的环境。在干旱期间，当周围没有那么多的水供植物蒸腾时，更多的太阳能量会进入加热和干燥空气。

"我们的结果表明，由于这些土地-大气反馈，土壤湿度会显著影响近地表温度和大气湿度，"论文合著者、加州理工学院（由美国宇航局管理）环境科学与工程教授、喷气推进实验室研究科学家Christian Frankenberg说。他补充说，研究发现，如果土壤干燥，热浪等极端事件就会变得更加有害，因为植物无法完成土地表面的再湿化和冷却工作。"如果有充足的土壤水分，这就会减弱一些极端事件的发生。"他说。

科学家们对这些土地-大气反馈对全球碳吸收的影响的重要性感到惊讶。结果发现，土壤湿度变化的直接影响只占年际变化的四分之一。令人惊讶的是，75%的影响是间接的，是温度和空气湿度变化的产物。这意味着，在干旱期间，植物无法固定碳，并不是因为土壤中的水分减少了，而主要是因为大气层由于干旱而迅速变得更热、更干燥。

"这最终调和了我们这个领域内人们的不同观点，"Humphrey说。"直到你知道土壤湿度影响了温度，这就是为什么你看到当他们两个都有影响时你会觉得结果之间有冲突。这最终使辩论降温。每个人都是对的。"

《自然》杂志的新论文题为 "土壤水分-大气反馈主导土地碳吸收变异"。

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