青藏高原生态环境的变好，充分体现了：天在帮忙，人在努力 | 王小丹
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2024-07-19 17:38
北京
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这个地方的氧气只有内地的50%，
我经常调侃说这是神仙住的地方。
王小丹 · 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所研究员
格致论道第70期｜2021年7月5日 北京
大家好，我是王小丹，来自山地所。非常感谢格致论道讲坛的邀请，让我分享研究二氧化碳过程中的一些故事。碳大家都很熟悉，它是支撑我们新陈代谢的重要元素，可以占到生命体生物量的40%-48%，可以说生物量的一半都是由碳组成的。同时，碳还是地球系统重要的环境要素，就是大家现在关注的二氧化碳。自工业革命以来，化石燃料的排放、森林的砍伐等导致了大气中二氧化碳浓度的升高，据统计已经提高了大概30%。这张图是在美国夏威夷的一个岛上监测到的大气二氧化碳变化曲线——基林曲线，这是基林博士在1958年的时候首次监测到的。其实他当时并没有在监测二氧化碳，但他发现有这样的变化后，就一直坚持观测，到现在已经有62年的数据了。我们认为基林曲线是20世纪最伟大的科学发现之一。二氧化碳浓度的升高会带来什么样的效应呢？研究表明，大致地球表面每平方米增加了2.5瓦的热量。人类在享受社会和经济发展的同时，也在承受着二氧化碳排放引起的环境苦果。我们要积极地去面对它，就需要科技的支撑。我国已经确定在2030年达到碳达峰，在2060年做到碳中和。这是一个雄心勃勃的目标，也是一个极其艰难的目标，因为我们的生产生活水平还要进一步提高和改善。在这个过程中有两条途径：第一要减排，就是减少排放；第二要增汇，就是让自然系统能够吸收更多二氧化碳。▲地球碳库总储存量约4.2万Pg
（图片来自网络，数据来自IPCC）
这张图显示了地球几大圈层的碳库。实际上，岩石圈占了碳库的大部分，达到90%以上。但它相对比较稳定，大家关注得很少。另一个主要的碳库就是海洋，海洋库的储存量大概是3.9万Pg，1Pg相当于10亿吨。大气圈的储存量是750Pg。大家知道植物吸收二氧化碳，排出氧气。那么，怎么提高陆地系统的吸收功能呢？全球统计，陆地生态系统基本上可以吸收人类排放二氧化碳的30%。我们中国的统计是中国的生态系统大致可以吸收我们排放二氧化碳的10%-40%。那为什么我们要关注青藏高原的碳呢？我把它归纳为“静、净、近”。首先是青藏高原很安静。西藏有120万平方公里，第七次人口普查显示常住人口大概是360万，也就是每平方公里只有3个人，人类活动的强度很低，所以我们可以聆听到大自然的声音。第二是青藏高原很干净。我们经常讲蓝天、碧水、净土，所以我们能够排除其他因素对聆听高原碳过程的影响。第三是青藏高原离天很近，这样地-气的过程和辐射反馈的过程产生的影响肯定比低海拔地区要强烈。这种高耸的地形带来的地-气的效应肯定是不一般的，它的影响不仅仅在高原内部，还可能在周边其他地区产生更广泛的影响。青藏高原和碳有关的陆表生态系统中，包括了森林。这是青藏高原亚高山森林，开花的是高山的杜鹃，这里还有以云冷杉为主的亚高山树木。我们做了一个初步的估算，现在西藏亚高山的乔木和灌丛的碳库大概是9.3亿吨，土壤碳库大概是17.7亿吨，两者加起来有27亿吨，这就是西藏森林的碳库量。除了森林以外，青藏高原还有一个重要的陆表系统——草地。草地有很多的亚类，其中面积比较大的是草甸，主要分布在降水600-800毫米的湿润地区，是一个重要的碳库。另一个是高寒草原，相对高寒草甸，它分布的地方更干旱，降水大概在400毫米以下，即干旱半干旱区。它的面积大概占西藏草地面积的49%。尽管它的固碳能力比森林和草甸弱，但它是野生动物的乐园，大家喜爱的藏野驴、藏羚羊就分布在高寒草原，它对生物多样性功能的维护是非常重要的。这张很漂亮的照片是高寒湿地，它主要分布在江河的源区、山间的盆地和洼地等相对有水的地方。它的固碳效果比较好，另外也是冬春的草场。在游牧地区，牧民夏天要到很远的有牧草的地方去放牧；到了冬天、春天，青藏高原冰天雪地的时候，他们就需要找到冬季牧草，也叫做救命草，主要就分布在高寒湿地。所以高寒湿地，尤其是高寒沼泽，既是我们重要的碳库，也是冬春季节缺草的时候畜牧业发展的重要场所。那么，青藏高原生态系统的碳库这些年发生了怎样的变化呢？我们可以用归一化植被指数（NDVI）的数据来解释，NDVI指数反映出青藏高原近些年正在变绿，或者说碳库大概有5%的增加。这对于应对气侯变化是好事。这样的变化是怎么发生的呢？我们做了三个方面的分析。第一个方面就是青藏高原总体的暖湿化趋势：“暖”是指温度在升高，“湿”是指降水增加。青藏高原气侯变暖的幅度比较大，全球平均10年的气侯变暖幅度是0.2度，而青藏高原大概是0.5度。同时青藏高原的气侯变化来得比其他地方要快。我们认为这对于高寒生态系统来讲，对碳库的增加、高原的变绿起到了好的作用。第二方面是青藏高原的二氧化碳浓度提高了10%。这有什么好处呢？因为二氧化碳的浓度越高，植物的光合作用就更强，这样固定的碳就更多。我们在青藏高原上的瓦里关有一个监测数据，这个数据在世界上也是很宝贵的，已经积累了20年。
第三方面就是到了2000年以后，我们国家为保护青藏高原的生态环境做出了重大的部署，在西藏批准了生态安全屏障的建设，还在三江源、祁连山和横断山建立了自然保护区，总投入大概超过了千亿元，使青藏高原80%以上的区域得到了有效保护。这在全球来讲应该都是一项伟大的工程，其他国家都没有在单个自然地域单元投入这么大的精力和金钱去保护自然生态系统。人类活动对青藏高原碳库的增加和变绿是非常重要的。这张照片展示的是西藏的雅鲁藏布江河谷人工林，实际上是在治沙。大家早些年去西藏的时候可能会遇到飞机到了拉萨上空因为风沙返航，但是近些年很少有飞机返航了。以前一年大概有80多天会有飞机返航，现在可能不到30天。人工林在造林、固沙的同时保证了航班的安全稳定，另外也是很重要的碳库。从2000年以来，造林使得西藏的森林碳库增加了21%，将近四分之一，这很了不得。
▲左：草地围栏
右：人工草地
另外就是人工草地保护，和通过草地的围栏，使退化草地得到治理。草地覆盖度增加，固碳的量也就增加了。右图中的人工草地起到什么作用呢？它可以解决牲畜饲料的问题，减少对天然草地的影响，使天然草地得到有效的保护。总之，青藏高原碳库的提升和生态环境的变好充分体现了一句话：天在帮忙，人在努力。这是个总体的趋势，如果一定要让我给出一个量，我认为70%是天在帮忙，我们人做了30%的努力。这是有依据的，我们做了大量的模型演算。这展示了我们通过14种模型的演算结果，我们发现气候因子对生态的解释在逐步减弱，反倒生态保护、生态工程的成效对生态环境正向的贡献是增强的。这是好事，对我们应对气侯变化提供了新的思路。从另一个角度来讲，这些年为了保护生态，青藏高原的牲畜，包括牦牛、藏绵羊都在减少，大概减少了20%。前面给大家介绍了青藏高原碳的宏观格局。实际上要把这个问题讲清楚，我们还必须要更深地理解碳的构成。气象观测可以观测到大气中二氧化碳的浓度，很多数据就是通过上图中的设备长期监测到的。在2010年的时候，我们在西藏申扎建了野外台站，主要就是为了监测二氧化碳的变化。这个站已经运行了10年，现在还有很多科学家在站上积极开展相关的工作。它的海拔接近4760米，按照我现在掌握的情况，这是目前全球从事生态观测的海拔最高的站。这个地方的氧气只有内地的50%，我经常调侃说这是神仙住的地方，相当于是半空中了。当然单点的工作是不够的。在整个青藏高原，从东边的若尔盖一直到西边的阿里地区日土县，从南边的亚东到北边的可可西里，我们部署了从点到线再到面的监测网络。总之，我们的目的就是要把碳的故事讲清楚。上面图片中的这些仪器，现在正大概以每秒10次的频率传输数据，这个时间分辨率是很高的。因为青藏高原的条件艰苦，我们部署这样一个监测网络已经很不容易了。这些网点就像给青藏高原装了听诊器一样，随时能够监测到地表的呼吸。这张照片展示的是雪山、湿地和草地之间的美景，涡度相关静静地守护在高海拔地区，传递给监测者大地的呼吸。这就是我们架设在可可西里的通量塔，最左边的蔚蓝色就是卓乃湖，那是藏羚羊生产的地方。在装机器的过程当中，我们用手机拍到了一只棕熊，它就跟在我们后面，一直跟着了几公里，后面可能体力跟不上，它就离开了。更要命的是遇到野牦牛，野牦牛的力气很大，它会横向攻击，对汽车来说是致命的。当时从两边过来两只野牦牛，我们很快地前车往前走，后车往后倒，避免了野牦牛的攻击。同时这也反映我们对青藏高原的保护使得野生动物的数量增加了。以前藏羚羊的数量是7万多，现在已经达到了25万。这表明野生动物得到了保护，环境在日趋变好。除了建立观测体系以外，我们建了室内的实验室。我们有个小伙子为了建这个实验室，在这个高海拔地区呆了8年。我也想鼓励咱们年轻人多到这里，只要坚守你的梦想，就会有成果。上图是我们近期的一个很重要的成果。以前我们总是认为气侯变化可能使冻土融化，会带来二氧化碳的排放。现在通过遥感手段、地面监测和实验室的分析，我们得出了一个重要结论：现在青藏高原总体来讲，每年吸收的碳是1.3亿吨，是我们原来预想的4倍。这不但对中国，而且对全球都是一个了不起的贡献，凸显了我们对青藏高原的保护在应对气侯变化上的成效。当然，如果未来气侯继续变暖，这个数字还会不会变？我们团队还有其他的科学家团队在青藏高原开展了一些模拟增温的实验：就是把植被围起来，围起来以后里面的温度就会升高。通过这些年的工作，我们有了新认识：在草甸等土壤含水量比较高的地方，增温对固碳是有利的；在土壤含水量比较低的区域，温度持续上升可能会造成植物的凋亡，带来不利的影响。这是我们对未来预估的一个比较重要的结论。前面我们对碳的理解是要从天上到地表，其实在青藏高原的高寒生态系统中，碳的分布更重要的是在地下。这是在高寒草原上拍摄的一张照片，大家可以看到地下的根系。地下根系的生物量其实是地上的8到10倍。另外，因为青藏高原的温度低，土壤有机质的分解速度慢，所以它的固碳能力就比较强。最新研究数据表明，青藏高原上草地的碳储量是366亿吨，相当于中国15年的人类碳排放量。▲左：青藏高原草地碳储量高达366亿吨
右：科学家积累的土壤碳库的资料
右图展示的是山地所三代科学家从80年代开始积累的土壤碳库的资料，我也有幸参与其中。现在我要把整个青藏高原的碳库从量的时空变化，再到模拟实验整个建立起来。后来者如果继续做相关的工作，就可以在我们样品的基础上深入开展。为了把碳的故事讲清楚，我们还开展了垂直的监测。左图是我们站上的一个地下5米深的观测。这个监测体系既可以监测二氧化碳浓度，也可以监测水分和温度。我们等间距设置了5米深的检测，和右图中地上的检测同步起来，叫做垂直观测体系。总体的认识是：从有机碳的角度来讲，在植物根系30公分的根层里，对有机碳的影响比较活跃；在更深的地方，气体的量是比较少的。除了监测量以外，我们还需要进一步监测根系的生长。左图是我带的研究生，在冬天还在无人区里监测根系的生长。我们用微根窗来看根系的生长过程，因为只有了解了根系的生长过程，才知道碳变化的机理在哪里。我前面谈的是通过遥感监测来看整个高原碳的变化，以及地表和地下的监测。其实要认识这个问题，在我从事的短短20多年时间里是完全不够的，因为高原正在经历着前所未有的变化。这是我们今年在野外考察时拍摄的照片。实际上青藏高原这个地方广泛分布着冻土。冻土里有一部分是水，在夏天是水，冬天就会变成冰。冰和水的比重是不一样的，变成冰的时候它会膨胀，变成水它就会变小，然后就引起了热熔滑塌。现在热熔滑塌在高原上比较普遍，实际上它在整个北半球的北极地区也是广泛分布的，专业上叫做热熔喀斯特，这个问题可能接下来要引起大家的广泛关注。在这个过程中我们怎么去计量对碳的排放量？计算的量是不是准确？可能是我们要面临的新问题，也是下一步要开展的研究。▲上：冻胀草丘
下：肥力岛
另外，还有冻胀草丘的问题。我们原来发展的一些碳的模型和计量方法，都是基于均质下垫面的，例如草地和森林。但是青藏高原有很多这种冻起来以后形成的丘状体，通过测量后我们发现，丘状体里的碳含量是比较高的，而且在这种丘状体上端的植被群落的生长和平坦的地方也是有差异的。类似这样的问题，会不会影响碳的估算精度，这也是值得研究的。此外，还有在西藏西部因大风汇集起来的肥力岛。因为藏西8级以上的大风一年大概可以达到100天以上，风一吹，土壤中的细颗粒就会发生迁移，就会在有植被的地方堆积起来。在这种情况下，会引起地表碳的分布不均匀。我们用传统的模型和计算方法来计算碳行不行？精度怎么样？这也是需要我们进一步提高的。随着高原冰川的退化和隆升以后，地表的砾石会增加。这里给大家分享一个很小的故事，我在上研究生的时候去到阿里，发现老百姓在捡这些石头。我心想，把石头捡走，风一刮不更把土都吹跑了嘛。大概在2006年的时候，我就认为这个石头肯定对碳有好处，于是我就做了一个小实验。我把这些砾石按照不同的覆盖程度做了一个测定，发现砾石的覆盖程度在40%左右的时候，下面土壤里的碳会更高，当然砾石含量再高就不行了，但如果减掉了砾石就更不行了。后来我们也做了一些分析，从机理上给出一个回答：砾石可以调节温度。白天温度高的时候可以使土壤的升温慢一点；夜间空气温度降低的时候，下面的热量就会释放得慢一点，土壤相对的温差就要小一些。另外，从水分上来讲，一方面降水时砾石可以减缓对土壤的冲刷，可以使水慢慢地渗透到土里面。另一方面，土里水的蒸发也会受到砾石的阻挡，于是就会蒸发得缓慢一些。这在青藏高原，包括西北的干旱区都是一个共性的现象。当然还有一个问题，砾石有物理的压力作用，它可以在区域的孔隙里保持二氧化碳的浓度。综上，我们可以从机理上解释，为什么在有砾石的地方可以固碳，不需要去搞去石工程，是没有必要的，这也回到了应用上的问题。我们团队的这些工作也得益于老一辈科学家的传承。左图是我的老师钟祥浩先生，他是一位70岁的劳模，也还在上高原。我们年轻一代需要在前人的基础上，持之以恒地传承创新，为科研事业做出贡献。
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