Science：与多个国家团队合作，南京大学张永光等揭示CO2施肥效应明显下降

来源：iNature

二氧化碳（CO2）浓度升高推动植被生产力提高（即CO2施肥效应（CFE），这对气候变暖保持了重要的负反馈作用，但CFE的时间动态尚不清楚。

2020年12月11日，中国，美国，德国，英国等多个国家的研究团队合作，南京大学张永光作为通讯在Science 在线发表题为“Recent global decline of CO2 fertilization effects on vegetation photosynthesis”的研究论文，该研究使用多个长期的基于卫星和地面的数据集，发现从1982年到2015年，全球大多数陆地区域的全球CFE下降了，这与养分浓度变化和土壤水的可用性密切相关。当前的碳循环模型也显示出CFE趋势的下降，尽管这比全球观测的结果要弱得多。通过增加大气中二氧化碳的量来强迫陆地碳汇的趋势不断下降，这意味着对气候系统的负面反馈减弱，社会对未来减缓气候变暖战略的依赖性增强。

总之，陆地光合作用的增加可能不会像模型预测的那样快，可能会减少陆基减缓气候变化的潜力，进一步加速全球变暖，并加剧实现气候目标所需的努力。该研究发现还强调了在当前的碳循环模型中需要更好地表征生物地球化学和水文对植被的影响，以便对未来几十年的陆地碳预算做出更可靠的预测。

在过去的六十年中，陆地生态系统已占全球碳汇的一半以上，因此大大缓解了气候变暖。基于全球过程的模型将增加的土地碳汇的部分原因归因于大气CO2浓度增加的施肥效应驱动的植被生产力的提高，即CO2的施肥效应（CFE）作为气候系统中的负面反馈。β因子首先由Keeling引入，通常用于表征植物对增加的CO2浓度的响应。为了比较整体分析和实验测量的结果，使用了原始β（β=∂GPP∂Ca）的近似形式，其定义为增加100-ppm响应于大气中的二氧化碳浓度（Ca）。

GPP的增加源自对CO2的增加提供响应而直接促进的光合作用，但它们也被一系列间接响应所修饰，包括节水，因为在大气CO2浓度增加时导度气孔收缩和营养限制。在野外实验中通常会观察到增强的GPP和净初级生产（NPP），例如自由空气CO2浓缩（FACE）实验和顶室试验。

然而，鉴于大气中二氧化碳与植被生产力的其他环境驱动因素的协变关系，在全球尺度上碳和水循环中CFE的指纹图谱更加难以捉摸。阐明CFE的这种指纹是一个涉及检测和归因方法的科学问题，需要统计方法和长期数据，以便可以凭经验消除非CFE驱动因素的影响，或基于过程的模型来使用CFE可以通过故意的阶乘模拟来隔离。

基于过程的陆地碳循环模型表明，CFE占叶面全球增长趋势的70％左右，即全球绿化，占当前陆地碳汇的60％。这些模型预测，尽管受到气候变化的不利影响，CFE到本世纪末仍将引起土地碳储量的增加。光合作用，NPP和生态系统碳周转时间对增加的CO2的响应会带来一连串的不确定性，尤其是在养分和水的供应日益受限的情况下。因此，在GPP上准确量化CFE的时间动态对于减少基于地球系统模型得出的未来陆地碳储量和气候预测的不确定性至关重要。

使用巴罗站（阿拉斯加，71°N）的长期CO2浓度测量进行的研究发现，大气CO2的季节性幅度对CO2浓度增加的敏感性降低了，这表明在北部高纬度地区GPP对CO2的响应下降。如果这种下降趋势在全球范围内普遍存在，那么陆地植被碳汇对增加的二氧化碳的响应将减少，这将对全球碳预算以及缓解政策为实现未来气候目标而做出的努力产生重要影响。因此，及时了解全球GPP上CFE的时间动态是了解CFE对陆地碳汇趋势的影响的第一步。

该研究使用了1982年至2015年收集的三个长期卫星数据集：先进超高分辨率辐射计（AVHRR NIRV）的最新开发的植被指数（NIRV），AVHRR的NIRV与中分辨率成像光谱仪（ AVHRR + MODIS NIRV）以及NIRV与太阳诱导的叶绿素荧光（SIF）的融合（NIRV + SIF），它们是GPP的代理（以下称为卫星GPP代理）。该研究还使用了涡流协方差（EC）通量塔，光利用效率（LUE）模型和陆地碳循环模型合集（TRENDY v6，趋势和驱动因素）的长期GPP时间序列来证实区域规模的CO2碳汇。

该研究发现从1982年到2015年，全球大多数陆地区域的全球CFE下降了，这与养分浓度变化和土壤水的可用性密切相关。 当前的碳循环模型也显示出CFE趋势的下降，尽管这比全球观测的结果要弱得多。 通过增加大气中二氧化碳的量来强迫陆地碳汇的趋势不断下降，这意味着对气候系统的负面反馈减弱，社会对未来减缓气候变暖战略的依赖性增强。

这些结果表明，陆地光合作用的增加可能不会像模型预测的那样快，可能会减少陆基减缓气候变化的潜力，进一步加速全球变暖，并加剧实现气候目标所需的努力。该研究的发现还强调了在当前的碳循环模型中需要更好地表征生物地球化学和水文对植被的影响，以便对未来几十年的陆地碳预算做出更可靠的预测。