作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2023/3/14 17:34:27
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极端野火“定时炸弹”威胁北方森林碳汇
6载磨剑,中国团队领衔的野火研究登上《科学》

 

近日,清华大学主导的一项关于北方野火的国际合作研究登上国际科学顶刊Science(《科学》)。研究发现2021年北方森林野火二氧化碳排放创历史新高,占当年全球野火碳排放的23%。而二十年前这一比例通常仅为10%左右。

“伴随着气候变化,野火活动正在侵入更高纬度的寒带森林,北方森林碳汇正面临严重威胁。”论文第一兼共同通讯作者、清华大学深圳国际研究生院青年科学家郑博在接受《中国科学报》采访时说。

过去6年,郑博还与合作者建立了基于卫星遥感的全球野火排放监测与反演技术平台。新研究正是基于这一科研平台的一项国际合作成果,包括来自中国、美国、法国、德国等国的10余名科学家。

极端野火隐藏“碳定时炸弹”

去年年初,在通过卫星遥感数据分析全球大气成分时,郑博注意到一个现象:2021年夏季北半球中高纬度大气一氧化碳的浓度异常高。

根据经验,郑博意识到,这可能与该时段北方森林极端野火增加有关。

“二氧化碳会在大气中停留数百年,很难通过环境中的二氧化碳浓度监测评估某一种排放源如野火的排放情况。但一氧化碳在大气中的寿命要短得多,可以作为森林野火碳排放量的一个示踪物。”郑博解释。

基于这一原理,2017年以来,他与合作者建立了利用一氧化碳卫星遥感数据反演全球野火二氧化碳排放的新方法,通过反演一氧化碳排放重构野火燃烧效率的时空动态变化,可以对野火二氧化碳排放进行高精度动态监测。他们在此基础上自主研制了全球野火碳排放近实时量化追踪系统。

在这项新研究中,他们利用对流层污染测量仪(MOPITT)的对流层一氧化碳柱浓度卫星数据,对2000~2021年野火碳排放的时空格局进行了大气反演量化,发现北方森林火灾在2020年占全球火灾二氧化碳排放量10%,2021年却贡献了23%,创纪录地达到了17.6亿吨。

据介绍,北方森林是指北半球中高纬地区(北纬50°以北)的森林,主要包括俄罗斯西伯利亚和加拿大北部的亚寒带针叶林,其中西伯利亚森林南部会延伸到我国大兴安岭。

研究发现,北方森林野火不仅碳排放呈上升态势,还在侵入以往较少发生的高纬度寒带森林。例如近年来北纬60°到70°的高纬地带的野火碳排放增长速率明显加快。在2021年这一极端年份,北方森林野火碳排放相比2000至2020年平均值增加了300%以上,而在北纬50°附近野火排放只增加了70%。

“以往,全球森林野火研究更多地聚焦在赤道地区,如亚马逊、非洲、东南亚一带。我们的研究说明,北方森林野火也值得更多关注。虽然它所占面积不多,但增长的态势很严峻。”郑博说。

极端野火不仅破坏生态系统和生物多样性,还向大气中释放大量有害污染物和温室气体,威胁人群健康与全球气候。北方森林土壤中富含有机碳,野火发生时地上植被和有机土壤同时燃烧,碳释放量巨大。

“近来看到的野火碳排放增加让我担心,随着时间的流逝,北方森林可能会是一颗‘碳定时炸弹’。”论文共同作者、美国加州大学尔湾分校教授Steven Davis说。

  北方野火碳排放及森林覆盖分布   受访者供图

“助燃”风险日益增加

北方森林野火缘何趋高?

研究者认为这与气温上升带来的严重热浪、干旱、森林生物量增长、土壤水分亏缺严重、北极地区雷暴增多等因素密切相关。随着全球进一步变暖,引发点火的条件和助燃的风险因素也会越来越多。

郑博举例说,海水蒸发、海冰减少让北极大气湿度升高,闪电雷暴现象会增加;气温的升高会导致高纬度地区的植被生长越来越茂盛,高温热浪又将“燃料”变得异常干燥;降水减少及土壤水分亏缺也是重要的“助燃”因素。

以2021年夏季为例,研究发现北方森林火灾仅7至8月释放的碳排放量就与日本全年人为活动的碳排放量相当。与此相吻合的是,俄罗斯西伯利亚及加拿大北部森林同时出现严重土壤水分亏缺,7至8月累计水分亏缺量在大范围区域上均超过20毫米,为2000年以来第一次出现;两个区域同期气温、热浪指数以及降水和土壤湿度均处于20年以来的极值水平。

“这些都揭示了气候变暖与野火排放之间的正反馈机制以及未来的潜在风险。”论文共同通讯作者、清华大学地球系统科学系教授张强对《中国科学报》说。

他表示,近30年来,北极地区的变暖速度是全球平均速度的2倍以上。在这种“北极放大效应”下,未来北半球高纬度地区高温热浪和干旱可能会更频繁发生,类似2021年的极端野火发生的频率和强度可能持续增加。

《科学》杂志多位审稿人认为,这项关于2021年北方野火极端碳排放的发现非常重要。“它作为一个生动的案例,提醒人们注意高北纬地区不断变化的环境,以及气候-碳循环正反馈在破坏该地区碳储存稳定方面可能发挥的巨大作用。”该刊一位国际审稿人说。

“做有世界影响力的研究”

近几年,美国、澳大利亚以及欧洲国家的极端森林野火导致的生命财产损失频频见诸报道。我国近年来虽未出过极端森林火灾,但诸如2022年湖南、重庆等地的森林野火仍有发生。

那么,全球野火发生态势究竟如何呢?在既往研究中,郑博和合作者发现,尽管全球野火面积一直在下降,但碳排放量并没有下降。

究其原因,他们发现这一方面是因为发生火灾的植被类型变了,草原火灾因为人口增加和农业用地扩张在减少(如全球火灾发生面积最大的非洲),森林火灾却因为气候变化在增加。另一方面,极端森林火灾发生的频率也在快速增加,这导致树木和土壤沉积物中大量的碳被释放,同时对植被碳汇造成不利影响。

郑博是一名清华“土著”,从本科到博士一直就读于清华大学环境学院,博士期间师从该校环境学院教授贺克斌院士长期聚焦气候变化与空气污染问题的研究,特别是人为活动释放的二氧化碳定量与减排政策。2017年,在法国气候与环境科学实验室做博士后期间,他逐渐把更多注意力放在野火研究上。

在他看来,在气候变化领域,欧美发达国家的科学家长期掌握学术话语权,中国学者也应聚焦一些重要的全球性问题发声,贡献智慧,进而参与全球治理。而森林野火是一个重要的全球性科学议题。

六年来,他们建立的大气一氧化碳卫星观测反演模型,也被《科学》杂志的审稿人认为“补充验证了基于燃烧面积与火点遥感数据的自下而上排放核算方法”。这将有助于开发一个更综合的系统,能够监测和评估全球和区域火灾碳预算、火灾后土地使用通量以及火灾排放对大气二氧化碳的净影响。

自2021年回母校任教以来,郑博希望:“扎根清华,立足深圳,在国内建立的学术平台上做出更多有世界影响力的研究。”

“野火碳排放是全球碳循环的重要组成部分,每年全球野火碳排放约相当于人为源碳排放的20%。其中,以森林火灾尤为重要,不仅直接产生大量碳排放,还会干扰森林的碳汇能力,促进全球变暖。”论文共同作者贺克斌对《中国科学报》说。

他指出,随着碳中和政策的实施,人为源排放在可预见的未来将得到有效控制并迅速进入下降区间,但由于全球在持续升温,森林火灾仍将大量发生,在目前的管理体系下需要更多的关注。

  ?郑博和张强 受访者供图

《科学》3月2日举行的美国科学促进会年会上举办了专题新闻发布会,邀请包括郑博在内的四名论文作者,向全球百余名新闻媒体记者介绍该项研究成果的科学意义和价值。

相关论文信息:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0805

 
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