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南非林波波省 –
一个半干旱地区,土壤水分异常导致碳吸收量减少。这种消极趋势预计将持续到21世纪。

从极端天气预报到农业和水资源的长期预测,预测大气中二氧化碳的增加将如何影响水文循环,对日常生活和地球的未来都至关重要。人们普遍认为,水文变化是由气候变化引起的降水和辐射变化所驱动的,随着陆地表面的调整,气温的升高和降水的减少会使地球变干。

图片来源:Julia K Green /哥伦比亚工程

哥伦比亚大学工程研究人员发现,与此相反,植被在地球的水循环中起着主导作用,而植物将在未来对大陆水资源日益增加的压力进行调节和控制。这项研究由哥伦比亚大学工程和地球研究所的地球与环境工程副教授Pierre
Gentine领导,发表在《美国国家科学院院刊》上。

全球碳排放量在2018年创下历史新高,仅在美国就增长了3.4%。这一趋势使得科学家,政府官员和行业领导者对我们这个星球的未来比以往任何时候都更加焦虑。正如联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯在12月3日举行的第24届联合国气候大会开幕式上所说的那样,“我们在气候变化问题上陷入困境。”

“我们发现植被在陆地水文反应和水压力中扮演着关键的角色,这对于正确预测未来的干旱和水资源是至关重要的,”Gentine说,他的研究重点是水文和大气科学、陆地/大气相互作用的关系以及它对气候变化的影响。“这可能是一个真正的游戏规则改变者,以了解大陆水压力的变化走向未来。”

今天在“
自然”杂志上发表的哥伦比亚工程研究证实了应对气候变化的紧迫性。虽然众所周知,极端天气事件会影响碳吸收的逐年变化,一些研究人员认为可能存在长期影响,但这项新研究首次实际量化了21世纪的影响。表明,比干旱或热浪等事件造成的干燥比正常年份更加湿润,超过正常年份不能弥补碳吸收的损失。

Gentine的团队是第一个将植被的响应与全球变暖的复杂反应隔离开来的团队,其中包括了水循环的这些变量,如蒸发蒸腾(从地表蒸发的水,从植物和裸露的土壤中蒸发),土壤水分和径流。通过将植物的反应与大气(温室气体)反应中二氧化碳的全球上升联系起来,他们能够量化它,并发现植被实际上是解释未来水压力的主要因素。

CO的人为排放2
-人类活动引起的排放-在增加的CO浓度2在地球大气层和产生对地球气候系统不自然的变化。这些排放对全球变暖的影响只是部分地受到陆地和海洋的影响。目前,海洋和陆地生物圈吸收了约50%的这些释放

“植物确实是世界上的恒温器,”里奥·勒莫提斯(Leo
Lemordant)说,他是Gentine的博士生,也是该论文的主要作者。“它们位于水、能量和碳循环的中心。当它们从大气中吸收碳来繁殖时,它们会释放从土壤中吸收的水分。这样做,他们也会冷却表面,控制我们所有人感觉的温度。现在我们知道主要是植物?不是简单的降水或温度?威尔告诉我们,我们是否会生活在一个更干燥、更潮湿的世界。

  • 解释了珊瑚礁的漂白和海洋的酸化,以及森林中碳储存的增加。

在这项研究中,Gentine和Lemordant地球表面与解耦系统模型(植被生理)和大气二氧化碳(辐射)反应,用多模型统计分析从CMIP5,最新的一组协调气候模型实验设置为一个国际合作项目的国际气候变化专门委员会。他们使用了三种方法:一种是在叶级和大气中控制二氧化碳,一种只有植物对二氧化碳上升起反应的运行,以及只有大气对二氧化碳增加的反应。

“然而,目前尚不清楚土地能否继续以目前的速度吸收人为排放,”负责该项研究的地球与环境工程副教授兼地球研究所附属教授皮埃尔·根廷说。“如果土地达到最大碳吸收率,全球变暖可能加速,对人类和环境产生重要影响。这意味着我们现在都需要采取行动,以避免气候变化的更大后果。”

他们的研究结果表明,主要水压力变量的变化受到植被生理效应的强烈影响,这是由于叶片水平的CO2增加,说明由于大气中CO2的增加对水循环产生的生理影响有多深。二氧化碳的生理反应在蒸散发中起着主导作用,对长期径流和土壤湿度的影响主要是由于大气中CO2的增加而引起的辐射或降水变化。

与他的博士生朱莉娅绿工作,Gentine想了解水文循环(干旱和洪水,长期干旱趋势)的变化是如何影响大陆的能力来捕获一些二氧化碳的排放量的2。这项研究特别及时,因为气候科学家预测未来极端事件的频率和强度可能会增加,其中一些我们今天已经看到,并且降雨模式也会发生变化,这可能会影响能力地球的植被吸收碳。

该研究强调了植被在控制未来陆地水文响应中的关键作用,强调大陆碳和水循环在陆地上是紧密耦合的,必须作为一个相互联系的系统来研究。它还强调,水文学家应该与生态学家和气候科学家合作,更好地预测未来的水资源。

为了确定植被和土壤中储存的碳量,Gentine和Green分析了由政府间气候变化专门委员会定义的净生物群落生产力,它是一个地区碳的净增益或损失,等于净生态系统产量减去像森林大火或森林砍伐一样,骚扰造成的碳损失。

“生物圈的生理效应和相关的生物圈-大气相互作用是预测未来大陆水压力的关键,以蒸散、长期径流、土壤湿度或叶面积指数为代表,”Gentine说。“反过来,植被水的压力在很大程度上控制了陆地碳的吸收,进一步强调了未来碳和水的循环是紧密耦合的,因此不能孤立地评估它们。”

研究人员使用来自GLACE-CMIP5(全球陆地大气耦合实验 –
耦合模型比对项目)实验的四个地球系统模型的数据进行了一系列实验,以分离NBP的减少,这些减少严格地归因于土壤水分的变化。他们能够分离长期土壤水分趋势变化的影响以及短期变化(即洪水和干旱等极端事件的影响)对土地吸收碳的能力的影响。

Gentine和Lemordant计划进一步理清各种生理效应。“植被反应本身确实很复杂,”Gentine说,“我们想要分解生物量生长和气孔反应的影响。”我们目前正在研究的极端热浪事件也有影响。

“我们看到NBP的价值,在这种情况下,土地表面的碳净增益实际上几乎是土壤水分的这些变化的两倍,”格林说,该论文的第一作者。“这是一个大问题!如果土壤水分继续以目前的速度降低NBP,并且土地的碳吸收率在本世纪中叶开始减少

加州大学欧文分校地球系统科学教授詹姆斯·兰德森说:“这项研究强调了进一步研究植物如何应对大气中二氧化碳浓度上升的重要需要。”他没有参与这项研究。“植物对陆地气候有很大影响,我们需要更好地理解它们对二氧化碳、气候变暖以及其他形式的全球变化的反应方式。”

  • 澳门百老汇官网网址,正如我们在模型中发现的那样 –
    我们可能看到在大气中CO的浓度大量增加2和全球变暖和气候变化的影响水涨船高“。

Gentine和Green指出,土壤水分变化显着降低了目前的土地碳汇,他们的结果表明,变化和干燥趋势在未来都会减少。通过量化土壤

水变化对陆地碳循环的重要性,以及由于这些土壤水分变化的影响而减少碳吸收,研究结果强调了实施植被对水分胁迫的响应的改进模型的必要性。地球系统模型中的陆地

  • 大气耦合可以限制未来的陆地碳通量并更好地预测未来的气候。

“基本上,如果没有干旱和热浪,如果在下个世纪没有任何长期干燥,那么大陆将能够储存几乎两倍于现在的碳,”Gentine说。
。“由于土壤水分在碳循环中扮演着如此重要的角色,在土地吸收碳的能力方面,与其在模型中的代表性相关的过程成为最重要的研究重点至关重要。”

植物如何应对水分胁迫仍存在很大的不确定性,因此Green和Gentine将继续致力于改善植被对土壤水分变化的响应。他们现在专注于热带地区,这是一个有许多未知数的地区,以及最大的陆地碳汇,以确定如何通过土壤湿度变化和大气干燥来控制植被活动。这些研究结果将为改善热带地区植物水分胁迫的代表性提供指导。

“这项研究非常有价值,因为它突出了水对于生物圈吸收碳的重要性,”Woods
Hole研究中心的副研究员,全球环境变化,碳循环专家Chris
Schwalm说。没有参与研究的敏感性和建模框架。“它还揭示了地球系统建模的不发达方面,例如与植被水分胁迫和土壤湿度有关的过程,这些过程可以在模型开发过程中作为目标,以便在全球环境变化的背景下获得更好的预测能力。”

(来源:哥伦比亚大学工程与应用科学学院)

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