土地利用变化对陆地生态系统碳循环具有显著影响。全球范围内，土地利用变化带来的碳排放主要来自热带森林砍伐和退化，对全球温升具有重要贡献。而生物能源作物种植等基于土地利用的碳中和措施作为负排放措施，可固定二氧化碳带来降温效应。但这两者的生态系统作用机制和效应尚不明确，亟需通过数据分析、模型模拟等手段解答其中的关键科学问题。

 # 土地利用对生态系统和气候的影响 #

根据全球碳收支研究，土地利用变化是第二大碳排放源，2009至2018年间每年向大气排放约1.5 Gt C，而每年陆地碳汇能力约为3.2 Gt C。土地利用主要通过生物地球化学和生物物理过程对生态系统和气候产生影响（表1）。研究团队从“热带森林退化的升温效应”和“基于土地利用的碳中和措施固碳潜力和气候效应”两个方向出发，提出关键科学问题，探讨了热带森林退化和生物能源作物种植通过生物地球化学和生物物理过程对气温的影响。

表1. 生态系统中的生物地球化学过程和生物物理过程

# 问题1 #

热带森林退化的多过程作用机制是什么？

产生的生物物理效应是什么？

造成东南亚热带森林砍伐和退化的重要因素之一是油棕种植。油棕种植近年来侵占了更高生物量密度的森林（被砍伐或清除），导致碳排放增加。造成非洲森林退化的主要原因之一是火灾叠加边缘效应（图1）。人为砍伐造成森林破碎化，形成大量边缘森林。由于高温、干燥等原因，边缘森林生物量降低、死亡率升高，森林出现退化；火灾通过直接作用（侵入森林的距离）影响干森林的边缘效应，通过直接和间接作用（增强局地环流）影响湿森林的边缘效应，加剧边缘森林退化。

图1. 森林边缘效应及其森林退化机制示意图

研究团队发现，2010年约四分之一的热带雨林发生退化，造成6.1±2.0 Pg C总碳亏缺，进而造成的热带地区生物地球化学温升为0.026±0.013°C，带来的生物物理温升为0.022±0.014 °C，两者升温效应相当。

# 问题2 #

生物能源作物种植的固碳潜力多大？

如何对气候产生反馈作用？

生物能源碳捕获与封存是IPCC未来低温升情景中主要的碳去除措施之一。但该措施涉及到大规模的特定生物能源作物种植，在现实中尚未广泛实施。因此，研究团队选择桉树、杨树/柳树、芒草、杨柳稷四种代表性生物能源作物，运用地球系统模式模拟了生物能源作物种植的固碳潜力以及对气候的反馈作用。

结果表明，到2100年全球生物能源作物种植可带来34~112 Pg C累计净碳去除量。在不同种植情景下，四种生物能源作物均通过生物物理过程为全球陆地带来额外的平均降温效应，但区域差异性较大（图2）。生物能源作物种植的生物地球化学与生物物理的叠加效应，可使得全球陆地平均气温降低0.04~0.51℃，但由于部分区域的生物物理升温效应较强，仍有13%~28%的陆地为净增温。此外，大规模生物能源作物的种植还会通过生物物理作用增加全球陆地平均降水。

 图2. 四类生物能源作物种植情景引起的气温变化（种植区分布如图a中红色区域所示，四类生物能源作物通过生物物理效应产生的温度变化如图c-f，相应的纬向平均值如图b所示）

研究团队通过数据分析和模型模拟，探究了土地利用对生态系统碳循环的影响机制及其对气候的反馈作用，以期为制定有效的气候变化减缓策略提供重要参考。在未来制定相关策略时，应综合考虑不同区域的固碳潜力、可持续性及其生物物理效应，进行合理规划，推动与其他固碳措施的协同实施。

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