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通过提高陆地碳的吸收减少大气二氧化碳排放率

陆地生态系统在全球碳循环中扮演着十分重要的角色，消除了大部分人为制造的CO2排放。陆地碳汇正在增加，然而它的增强机制以及对大气CO2生长速率的影响尚不明确。目前利用全球碳估算，地面、大气和卫星观测以及多个全球植被模型，我们发现大气二氧化碳增长率的暂停，以及大气中现存的CO2排放量的减少，尽管人类排放CO2的总量仍在增加。我们将观察到的下降归因于过去十年中陆地水位的增加，与大气CO2上升对植被的影响以及全球呼吸变暖速度放缓有关。大气CO2生长速率的暂停进一步证明了CO 2施肥效应和升温诱发的呼吸的作用，并强调需要保护现有的碳储存和下降最快的地区。

海洋和陆地生物圈每年会消除人类活动制造的大约45%的CO2。CO2的吸收速率不是恒定的，并且每年随着大气的变化而变化（例如，厄尔尼诺现象，火山爆发和自然气候变化不定）。二氧化碳吸收率变化最大的原因是陆地的变化。任何陆地碳吸收的增加或减少都会对大气产生影响，从而影响大气中CO2的含量，并对气候温暖产生影响。

在过去的50年里，每年海洋和陆地生物圈吸收的CO2含量已经增长了一倍。尽管近年来生态系统遭到了严重的破坏（例如干旱频发，野火不断，昆虫灾害），海洋和陆地的碳吸收量仍在增加，从而碳汇也在增加。在陆地上，报道显示了由于干旱和极端天气导致的热带水位的下降，植物死亡率的增加以及植物生产率的下降。相反，另一些报道显示作用贡献仍然是未量化的。在21世纪初，全球变暖导致植被生长显著减缓，而大气中CO2浓度持续增加，提供了一个测试各种过程在增加陆地碳吸收中所扮演角色的机会，并研究了增强碳吸收对大气CO2生长速率的影响。

在这里我们通过广泛的地面观测地球大气层中二氧化碳交换，大气中的二氧化碳观测和卫星观测植被，以及10个动态全球预测模型（DGVMS），一个基于诊断过程的建模方法，来研究长期提高陆地碳吸收的方法和影响大气CO2增长速率的因素。我们的分析表明二氧化碳吸收速率的提高源于CO2增加对光合作用的影响（二氧化碳施肥效应）。同时，在过去十年中，全球气候变暖速率下降。在最近全球变暖减缓期间陆地碳汇的持续增强导致大气二氧化碳生长速度的暂停，并且大气中残留的人为排放量的比例下降。

结论

减缓大气CO2的生长速度。残余陆地碳汇的变化影响留在大气中的人为排放的比例（空中分数），从而影响大气CO2增长速率。我们的分析表明空中分数在20世纪60年代到20世纪90年代间不断增加（每年增长1.8%，P=0.03；Fig.1b），随着陆地水位每年的变化而变化。然而，在21世纪初，尽管人为排放量持续增长（Fig,1b），空中分数开始下降（每年减少2.2%，P=0.07；Fig.1b）。空中分数的变化反映在大气二氧化碳的增长率上。自1959年测量记录的30年里，大气中CO2的增长速率从每年0.75增长到每年1.86（Fig.1a）。然而，在2002年到2004年之间，CO2增长率没有发生显著变化（Fig.1a，Fig.1）。21世纪初空中分数的下降导致大气CO2生长速率暂停（Fig.1a）。大气增长率与2002年以来大气CO2浓度和人为排放的线性模型预测显著偏离（补充Fig.1），表明全球汇聚率的非线性增加。

提高陆地碳汇率。全球模拟，来自全球碳计划中包含的动态全球预测模型集合，以及基于卫星的陆地碳循环估计，显示净残余陆地碳汇（在计算土地利用变化的净效应后，陆地生物圈中碳的年累积量）在近十年里开始不断增加，从20世纪50年代的每年1-2PgC到21世纪初的每年2-4PgC。这些由政府间气候变化专门委员会编制的关于残留陆地碳汇的模型和基于卫星测量的估计在近几十年是恒定不变的，显示了陆地吸收量由21世纪80年代每年大约1.5PgC到21世纪初每年2.6PgC（参考24条）（Fig.2），来自全球碳计划估计（补充Fig.2）。

2002年至2014年间（Fig.1a以及补充Fig.1)大气二氧化碳生长速度放缓与一个时期相吻合，在那个期间，全球植被覆盖的土地温度升高也明显减缓（Fig.3和附加Fig.3，最近报告表明海洋继续变暖）。自这个世纪以来，全球植被覆盖的地区气温以每十年增长0.1℃的，而在过去20年里，增长速度是每十年0.32℃（Fig.3）。卫星驱动的碳循环的估计表明，全球变暖速度的减缓导致温度机制下生态系统呼吸作用降低了约60％（Fig.3）。全球气温变暖减缓展示出了很明显的地区差异性（附录Fig.4）。在美国西部，气温变暖明显减缓，但是在亚洲大部分地区，美国东部地区，欧洲东部和西伯利亚地区气温仍加速变暖（附录Fig.4）。光合作用-呼吸作用模型结果表明，在过去十年中，全球范围内较低温度驱动下的呼吸作用会增加，继续刺激全球初级生产总产量（GPP，见下方解释），可能结合产生报告的全球净生态系统生产（NEP）的大幅增长。

CO2对光合作用和呼吸作用的影响。尽管温度上升减缓可能导致了过去十年中大气CO2增长速度的放缓，但来自动态全球预测模型（DGVM）的集合结果显示，在过去一个世纪里，大气二氧化碳浓度的增加碳吸收率的促进因素。大气浓度从20世纪初的大约290p.p.m增长到了2015年的400p.p.m，对全球GPP产生了显著影响，并对呼吸作用产生了一个不大不小的影响。动态全球预测模型刺激因素显示20世纪以来不断增长的二氧化碳浓度导致全年GPP增加约18PgC左右（误差不超过2PgC）（平均幅度在1s.d.）。由于光合作用提供的碳，增加的CO2也增加了呼吸作用。在一系列生态系统中报告了这种关联的经验证据：草地；农作物；森林。动态全球预测模型结果显示在过去一个世纪里全球每年呼吸作用增加了13PgC（误差不超过4PgC）。GPP和呼吸作用增长最多的地区位于热带，北方温带和北方地区增长较少。

植被覆盖和气候变化的影响。大气中二氧化碳通过光合作用和呼吸作用对陆地碳汇的影响远大于气候变化、植被覆盖和水可利用性的影响。气候变化的影响在20世纪80年代和90年代间尤其明显，当气温上升最明显的时候，对高纬度地区的影响最为显著。总体上来说，气候变化对全球碳吸收净值的影响尚不明确，相对于此，动态全球预测模型之间的差异幅度更小。然而，值得注意的是，温度升高间接影响寒冷地区的生长和生长季节的延长，通过卫星可观察到植被覆盖的增加。

卫星观察可发现全球植被变绿，这归因于温度变化的直接影响和CO2温室效应的间接影响。卫星观察发现碳循环模型显示在过去三十年里，地球碳汇增加了约0.66PgC.在北纬度地区这种影响更明显，在过去一个世纪温度限制逐渐消失。植被变绿对全球碳循环的影响是次要的，大气CO2对GPP和呼吸作用的影响是首要的。

由于全球气温升高对潜在蒸发率的影响，导致一些地区绿色植被的预期减少，干旱发生的次数在气温变暖情况下有所增加。我们没有使用全球气候数据检测土壤水分可用性的变化，并且只将全球碳摄取的长期变化的一小部分归因于水循环的变化。最近报告显示土壤水分可用性不符合全球变化。虽然全球变暖往往与干旱发生的普遍性增加有关，但全球降水随着全球气温的升高而增加。这表明，尽管发生了大量的区域性干旱事件，但全球范围内干旱在最近几十年的发生率几乎没有变化。

讨论

陆地生物圈不断增强的CO2吸收率低于大气中CO2的积累速度。理论和研究同时表明CO2温室效应是全球气温上升的主要原因，虽然存在其他观点。我们的结果表明CO2对光合作用和呼吸作用的直接影响远大于全球植被变绿和土壤湿度变化的间接影响。在最近几十年里，研究发现由于植被覆盖区域温度上升，陆地吸收率增加，导致了全球呼吸作用的增强。我们发现二氧化碳温室效应和气候变暖速度减慢的双重影响对减少人为二氧化碳排放的空中分数影响很大，尽管人为排放量增加。模式因素预测了由于陆地表面绿化，二氧化碳和温度对光合作用和呼吸作用的影响以及二氧化碳对光合作用和高纬度生态系统的影响，热带生态系统中陆地碳汇的最大变化。

全球变化分布。 不同强迫因素变化的影响的纬度分布（a）净生态系统生产（NEP），（b）初级生产总量（GPP）和（c）生态系统呼吸（Reco）。 阴影区域表示平均值和s.d. 来自TRENDY的动态全球植被模型（DGVM）模拟，只改变CO2（绿色）或气候（红色）。 在a-c中的虚线显示使用诊断耦合光合作用呼吸（PR）模型估计的植被变化（或吸收辐射的分数（fAPAR），蓝色）和水可用性（alpha;，黑色）的影响。 （d-i）增加大气CO2和全球气候变化对NEP（d，g），GPP（e，h）和总生态系统呼吸（f，i）的总速率对gCm2的影响的空间分布 每年。 效果是根据1901 - 1915年和1995 - 2010年15年期间的差异估算的。

重要的是要注意，土地汇点是由于碳吸收通过光合作用和通过呼吸释放之间的滞后。 尽管GPP对上升的CO2的敏感性预期随着CO2浓度升高而降低（参见方法），但是观察到的增强因此可能持续到未来，只要通过升高的CO 2对生产率的刺激继续超过来自变暖的净碳释放。 全球变暖的减缓预计将是暂时的23，但可能已经结束于2015年和2016年强大的厄尔尼诺南方涛动，随后对大气二氧化碳的增长率造成影响（参考文献36）。 未来几十年的可能继续升温37表明未来净碳排放量将进一步增加。

这里未考虑的其他因素可能有助于残留陆地水槽的变化，包括营养沉积38，漫射光39的变化和臭氧浓度40。据报道，养分沉积增加了森林生长，特别是在高N沉积区域，主要是美国东北部，西欧和中国东北部。最近的研究估计了N-沉积对全球森林生长的影响，每年约为0.3％38。然而，很少知道N沉积对分解过程的影响，最近的报道表明N沉积抑制来自森林土壤的呼吸41。建模研究42,43表明近几十年来由于人为N沉积导致的全球年度陆地摄取量增加约0.2-0.24PgC，这比我们对由于所观察到的馏分变化所引起的碳摄取变化的估计值低一个数量级的吸收的光合有效辐射（fAPAR）（图4）。还报道了漫射光变化，并且估计在1960年至1980年间全球每年增加摄取量为0.44PgC 39。效果的臭氧对陆地碳循环的影响是不确定的，因为对臭氧的植物特异性敏感性以及冠层结构的影响尚不清楚44。最终，有许多因素影响碳循环，特别是在区域尺度上。然而，我们的分析表明，二氧化碳和温度很可能是推动全球长期变化的主要因素。

尽管空降分率下降，导致大气二氧化碳生长速度暂停，但关于气候变化速度和幅度的最终结果在很大程度上取决于未来的排放途径。 通过燃烧化石燃料，水泥生产和土地利用的二氧化碳排放量继续跟踪接近所有情景预测的高端24。 到目前为止，生物圈增加的碳吸收已经减缓了大气二氧化碳的生长速度，我们的结果支持近期净陆地CO2吸收特别强的假设45。 然而，如果没有有效减少全球二氧化碳排放，未来的气候变化仍然是一个严峻的现实。

方法

全球碳循环数据。我们使用来自全球碳计划1的全球碳预算数据，结合来自卫星遥感和分布式地球观测网络，多重预测DGVM和诊断建模方法的各种观测数据集。全球碳计划1数据集是基于一系列数据，算法，统计和模型估计的综合，对全球碳预算所有主要组成部分的估算的汇编。该数据集提供了全球排放的长期估计，以及来自10个DGVM的残留陆地水库的估计。长期大气CO2浓度由国家海洋和大气管理局（NOAA）地球系统研究实验室（http：// www.esrl.noaa.gov）提供。使用来自全球碳计划1的化石燃料燃烧，土地利用变化和水泥生产的年度排放1与NOAA大气CO 2浓度数据结合以计算年度空中分数。

诊断大气CO2生长速率的变化。我们使用两种方法来检查大气CO2随时间的生长速率的变化：作为排放，大气CO2浓度和全球CO2吸收的函数的生长速率的统计线性模型46。 Rayner等人的研究表明，生长速率可以模拟为大气CO2浓度的线性函数，大气生长速率与该线性模型的偏差是生物圈水槽强度变化的指示。这是一个信息丰富的方法，因为它包含大气CO2浓度和全球CO2汇之间的物理联系，从而允许研究该联系的变化。通过检查这个线性模型的残差，我们确定了2002年到2014年的一个重要的残余偏差，表明大气CO2浓度，排放和全球CO2汇之间的关系的结构变化（补充图1）。第二种方法，奇异频谱分析（SSA），用于提取生长速率和空中分数的潜在时间动力学。

使用线性建模检查大气CO2的变化。 生长速率可以建模为大气CO2浓度的线性函数46。 大气生长速率与该线性模型的偏差是生物圈的汇强度变化的指示。 这种方法比作为时间的函数的简单线性模型更有信息，因为其结合了大气CO 2浓度和全局CO 2吸收之间的物理链接，从而允许研究该耦合的变化。

正式地，全局CO 2吸收可以被描述为CO 2浓度或等效地CO 2质量的线性函数。 因此，我们写Fsink=B(M-M0)其中M是大气中CO 2的质量，M 0是大气中CO 2的背景或平衡质量。 方程（1）可以简化Fsink=BM F0其中B具有每年的单位，并且起到过量碳对土地和海洋摄取过程的反向停留时间的作用。 鉴于 GRco2=Ffcoel Fuuc-Fsink其中GRCO2是大气CO2的生长速率。 我们可以将公式（2）代入公式（3）得GRco2=Ffcoel-BM-F0使用来自化石燃料燃烧和土地利用变化（Fanthro）的排放的观察以及大气CO 2浓度和生长速率，可以使用标准统计技术估计B和F 0。

这样构造的模型基于全球二氧化碳汇的比例响应，保持了大气二氧化碳浓度，排放和大气二氧化碳生长速率之间的关系。 因此，可以通过检查观察到的和预测的生长速率之间的残差来分析全局汇点的强度的任何变化。 我们使用该模型，

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