科學家為全球森林“稱重”

　　 研究顯示，全球樹木正在經歷一次快速生長，并且正吸收數十億噸溫室氣體。這意味著樹木正在削弱全球變暖。

　　紅杉樹能儲存大量的二氧化碳。圖片來源： National Geographic Creative

　　在美國切薩皮克灣西面的一片森林中，Geoffrey Parker用卷尺測量了一棵鵝掌楸幼苗的“腰圍”。他在野外記錄簿上草草記下讀數，用藍色粉筆給這棵樹做上記號，然后走到下一棵樹干。Parker在每棵樹上花費約10秒鐘，包括拉卷尺、測量、記錄。從1987年起，他和其他人在馬里蘭州濱水市附近的史密森環境研究中心（SERC）試驗地記錄了30多萬棵樹木測量結果。

　　這片1070公頃的試驗地長滿了鵝掌楸、橡樹和其他落葉樹。一些粗壯的樣本已在這里矗立了上百年。其他的則只有十年樹齡，仿佛剛從最近被砍伐過的土地上長出。為密切關注這些樹木的生長，研究人員每隔3到5年會進行一次測量。

　　所有這些耐心的記錄能幫助回答關于氣候變化的兩個重要問題：樹木正在吸收多少二氧化碳？它們的能力是否會隨著時間的推移而衰退？Parker團隊和其他人的研究顯示，全球樹木正在經歷一次快速生長，并且正在吸收數十億噸溫室氣體。這意味著樹木正在削弱全球變暖。不過，Parker說，沒人能保證樹木將繼續保持這一勢頭。“我認為，這有點像一些優秀運動員使用的表現增強劑：它能提升表現，但不會是長久之計。”

　　失蹤的碳匯

　　上世紀90年代，研究人員在試圖追蹤人類通過燃燒化石燃料釋放的所有碳時遇到了一個謎題。測量結果顯示，約四分之三的二氧化碳在大氣和海洋中積聚。剩下的據推測在陸地被捕獲，但沒人知道它去了哪里。這個問題就是人們所熟知的“失蹤的碳匯”。

　　通過光合作用將二氧化碳從空氣中分離出來的全球森林是一個可能的隱藏地。目前，它們共同持有約6500萬億噸碳，而且看上去它們可能正在吸收消失的碳匯是合理的。

　　不過，生態學家對于森林是失蹤碳匯的承認有點姍姍來遲。該研究領域的沉默在很大程度上來自先驅生態學家Eugene Odum所做的工作。他在上世紀60年代提出，不受干擾的生態系統會快速達到一個平衡，此后它們通過呼吸、死亡、腐爛喪失的碳和通過光合作用獲得的碳在數量上是一樣的。由于沒有太多相反的證據，Odum的范式統治了幾十年。“在數學上，如果某事處于平衡狀態，會很方便。”來自法國伊維特河畔吉夫氣候科學與環境實驗室的Sebastiaan Luyssaert說，“我們很滿足于它，因為它讓生活變得更加簡單。”

　　不過，隨著生態學家分析來自森林研究試驗地大網絡的長期數據，這一情況開始發生變化。很多測量結果來自3個項目：亞馬遜森林資源網絡（RAINFOR）、非洲熱帶雨林觀測網絡（AfriTRON）以及包括SERC森林和全球61個其他試驗地的史密森尼森林全球觀測臺（ForestGEO）網絡。

　　從上世紀90年代末開始，RAINFOR和AfriTRON網絡的科學家開始報告稱，完好無損的熱帶森林正在增加生物量，而這同Odum的假設相矛盾。在切薩皮克試驗地，史密森學會生態學家Sean McMahon和他的同事分析了22年的有效數據，并且發現所有年齡段的樹木都在以超出預期2～4倍的速度生長。樹木生長記錄得到了在北美和歐洲20多處地方的高塔上所測二氧化碳數值的支持：這些“通量塔”顯示，很多森林正在吸收的二氧化碳要高于其排放值。

　　研究人員推測，一些因素起到了作用。由于樹木需要二氧化碳進行光合作用，因此這種氣體在大氣中的累積能為植物提供肥料，使其生長得更快。同時，二氧化碳使地球變暖，而這會延長樹木的生長季并且加速參與生長的依賴于溫度的過程。目前，科學家正在探究哪個因素所起的作用最大。

　　無論原因是什么，所有加速生長的因素都在對全球碳循環產生重要影響。2011年，由美國森林管理局研究人員Yude Pan和Richard Birdsey領導的一個國際團隊認為，全球樹木在1990～2007年間固定的碳足以解釋全部消失的碳匯。“最饑餓”的碳吸收者是溫帶森林，尤其是在那些廢棄的農田讓位于快速生長的幼樹的地區。高緯度北方針葉林吞食了較少量的二氧化碳，而熱帶森林總的來說沒有吸收碳，因為熱帶森林砍伐釋放的二氧化碳和森林吸收的幾乎一樣多。該團隊預測，如果森林砍伐停止，地球上的森林能吸收人類活動排放的約一半二氧化碳，而這會極大地減緩全球變暖。

　　來自天空的幫助

　　由于研究人員一次只能通過卷尺測量全球森林的一小部分，因此他們正在飛到天空獲得更加廣闊的視野。一些飛機和衛星配備有基于激光的雷達系統，能測量樹頂的高度。隨后，科學家可利用森林的平均樹冠高度和樹木種類預估一個地區的生物量。

　　加州斯坦福卡內基科學研究所生態學家Gregory Asner介紹說，安裝在飛機上的雷達能在1小時內收集3.5萬公頃的數據。目前，其基于雷達的森林生物量預估值的不確定性同地面研究相比已降低到10%左右，盡管其他人認為兩類預估值的不確定性都很大。

　　從一個真正全球的角度來看，科學家一致認為，沒有什么比衛星更重要了。雖然現有地球觀測衛星缺少從飛機或地面上所獲得觀測結果的精確度，但它能填補那些數據較少或不存在的地區。美國宇航局（NASA）于2014年7月發射的“軌道碳觀測者2號”（OCO-2）衛星將很快提供幫助定位失蹤碳匯的第一手數據。該衛星利用譜儀在百萬分之幾的精度內測量二氧化碳濃度，從而使科學家得以標明碳正在被釋放和吸收的位置。相同設備開展的分離測量能決定有多少光合作用正在一個特定位置發生。

　　盡管OCO-2無法直接測量樹木的生物量，但它將為科學家提供足夠數據，使其確定有多少碳正在進入和離開不同的生態系統。NASA希望在今年年末發布來自該衛星的初始結果，但在這些數據能解決森林碳匯是否正發生改變的問題之前，還需要至少好幾年的時間。即使那樣，OCO-2的測量結果也無法回答碳是否正在進入樹木、土壤或其他地方。因此，OCO-2首席科學家David Crisp認為，屆時仍將需要地面觀測。

　　明天的森林

　　其他試圖預測未來碳匯的科學家正在將時鐘前撥，開展一些將現在的森林暴露于未來條件中的試驗。一種策略是將二氧化碳用管道輸入一片森林，使二氧化碳濃度從目前的百萬分之400提高到百萬分之550左右。這是在本世紀結束前預計達到的水平。

　　果然不出所料，在美國和歐洲開展的試驗中，被注入額外二氧化碳的樹木生長得更快。不過，這種效果通常不會持續。領導其中一項試驗的田納西州橡樹嶺國家實驗室生態學家Richard Norby表示，一種解釋是增強后的樹木或許很快耗盡其他的關鍵營養物質比如氮。

　　目前，來自美國、英國和巴西的研究人員正在巴西瑪瑙斯構建希望能在明年開始的二氧化碳富集試驗。參與RAINFOR和AfriTRON網絡的利茲大學和倫敦大學學院生態學家Simon Lewis介紹說，此項試驗將提供關于熱帶地區樹木的重要信息，但不會代表該地區所有森林的未來。他表示，瑪瑙斯附近地區擁有比亞馬遜其他地方更為貧瘠的土壤，因此樹木生長得較慢，并且“需要更長的時間見到效果”。

　　與此同時，研究人員正嘗試利用其他方法預測未來。約20個團隊建立了試圖模擬地球氣候和植被的地球系統模型，包括模擬碳如何在海洋、大氣和陸地之間移動。這些模型目前以一種簡化的方式代表森林，但對未來有著不同的解釋。一些模型預測，接下來的幾十年里森林將繼續吸收大量碳，而其他模型認為，森林將受到干旱和高溫的脅迫并且枯死，從而向大氣中釋放碳。

　　從單獨的樹木測量到衛星數據，再到計算機模擬，正在興起的關于森林的見解都將在各國如何決定管理其資源方面起到一定作用。這對全球氣候談判也有重要意義，因為一些碳減排計劃依賴于此獎勵那些將碳持續“鎖”在森林中的國家。為實現這一工作，研究人員將需要找到追蹤不斷變化的森林碳數量的可靠方法。Muller-Landau表示，現有的森林生物量預測不確定性程度“無法精確地提供很多信心”。在她看來，對于碳計量而言，“有一些可驗證的東西至關重要”。