Nat. Geosci. | Perspective
由于树木能够通过生物量积累碳，减少人为导致的大气中CO₂的增加，植树造林已成为一种常见的气候变化减缓方案。随着全球变暖，树木生长的适宜条件向更高的纬度扩展，植树项目被引入到更高的北纬地区。然而，有证据表明，在高纬度地区，植树活动对气候变化的减缓效果可能适得其反。
在北寒带和北极地区，植树会增加地表的暗度（降低反照率），导致净变暖，从而抵消在这些生物量有限且恢复力较低的地区的碳储存减缓效应。此外，植树还可能扰乱土壤碳库，而寒冷生态系统中的大部分碳正是储存在土壤中，这一干扰会对北极的本地生物群落和人类生计产生负面影响。尽管在北方植树可能带来一定的经济收益，但这种方法在北极或大部分北方森林区域并不能有效减缓气候变暖。几十年来，人们已经认识到这一点。
然而，随着高纬度地区越来越多地推广鼓励植树的政策，本文呼吁不要单一关注生物量碳储存。相反，应以系统视角来考虑气候解决方案，并基于对一整套影响辐射平衡的地球系统过程的深入理解。这对于避免在北极及北方地区实施无效甚至适得其反的气候变暖减缓战略至关重要。自全球植树潜力在5年前首次评估*以来，世界各地的植树造林和重新造林活动显著加速。然而，这一评估所提出的大面积适合植树区域，包括功能良好的开放生态系统，引发了较大争议。这一观点引来了许多批评，尤其是来自于在开放的温带和热带生态系统（如热带稀树草原、干旱区和牧场）中工作的科学家和保护主义者的强烈反对。这些批评主要集中在两个方面：(1) 这些生态系统古老而功能完善，是现存巨型动物多样性最丰富的栖息地；(2) 干旱区正日益干旱，日渐不适合树木生长。
*Jean-Francois Bastin et al. ,The global tree restoration potential. Science 365,76-79(2019). https://doi.org/10.1126/science.aax0848
在高纬度地区，气候变暖和CO₂施肥效应的确扩展了北极地区适合树木生长的区域，并提高了部分北方地区的树木生长速率。然而，通过自然树线向北扩展来实现这一空间扩大的速度远不及预期的温度升高速率。因此，尽管适宜树木生长的区域预计会扩大，碳种植业在高纬度地区的兴趣也与日俱增。例如，阿拉斯加州政府通过了鼓励植树的碳抵消立法，并得到土地所有者的广泛采纳。格陵兰和冰岛也提出了植树倡议以应对气候变化。
然而，北方地区的植树并不是减缓气候变化的有效解决方案。下文将结合该领域的最新研究进展，概述这一观点的主要原因。一些独立证据表明，在高纬度地区植树往往会加剧气候变暖。概念图（图1）中总结了随着植树造林生命周期的推进，其减缓气候变暖能力下降的主要机制。
▲图1 | 植树造林对高纬度气候强迫的直接和间接影响及其在种植园生命周期中的相对大小。a, 种植林的建立破坏了原本完好的土壤，导致土壤碳的分解增加（1），这一过程受到雪的积累增加和雪的压实减少所加剧，从而增强了土壤的保温作用（2）。生长的树木通过根部分泌碳，加速了与根系相关的微生物对土壤碳的循环（3）。随着种植林的成熟，树木使地表变暗，减少了反射到大气中的能量比例（4）。当种植林受到干扰时，反照率增加，而生物质中的碳储存减少（5）。b, 不同响应的不同相对大小（通过CO2e量化）。生态系统中的碳库由地表（如树干、树枝、叶片和动物）和地下（如根系、土壤动物、微生物以及“遗存”的土壤碳）组成（图1）。在北极地区，大量土壤碳储存在永久冻土中，仅在土壤表层3米的深度内就估计储存了800-1,580 PgC，超过全球所有常绿植物生物量的碳储存量。这些碳储存是数万年来生物在低温环境下通过光合作用缓慢固定大气中CO₂而形成的，生态系统的呼吸作用相对较低。然而，这些“遗存”碳极其不稳定，极易受到外界干扰。因此，植树活动对完整土壤的物理破坏通常会加速有机质丰富的土壤中碳的微生物分解，在寒冷地区可能需要数十年甚至数百年才能弥补这一碳损失。植树造林后，剩余的土壤碳还会因树木扩展而加速分解。在以北方树种为主的生态系统中，因CO₂施肥效应增加的生物量碳常常被地下碳的损失所抵消。这可能是由于树木根系加深渗透到更深的土层，使根系相关微生物在获取养分时，利用树根分泌物中新固定的碳分解土壤中的“遗存”碳。这一过程（激发效应）与地面生物量的增加相互作用，使新固定碳逐渐占主导地位（图1），从而导致土壤碳库的表观平均年龄逐渐降低。此外，与开阔地相比，森林对雪的截留作用和风对雪的堆积作用有所减弱，有效地隔绝了土壤，提高了冬季土壤温度，从而抵消了夏季树荫增加带来的降温效应。这导致永久冻土层上方的季节性解冻层（活动层）加深，使土壤碳在冬季的微生物分解能够在较低的速率下持续进行。以上这些机制共同作用，从植树项目开始便加速了土壤碳的流失，这一过程可持续数十年。尽管几十年后树木生产力的增加可能最终与地下碳的损失持平，前提是期间没有发生干扰，但任何气候减缓项目都应充分考虑到这种临时性强迫增加的时间因素。对于当前进行的北方植树活动而言，这种“交易成本”将主要集中在未来的20至40年，也正是目前最需要有效减缓气候变暖的关键时期（图1中的浅灰色窗口）。
随着树木生长变高，地表颜色变暗会显著降低直接反射回大气的能量比例（反照率），从新雪约75%的反射率降至针叶林约10%的反射率（图2a）。简而言之，当短波辐射（如太阳光）照射地表时，部分能量被反射回大气，而另一部分被吸收并以长波辐射（热量）形式散发出去，具体比例取决于地表颜色。反射回去的部分不会引起大气变暖，因为它以光的形式返回大气，而不是以热量形式散发。
在高纬度地区种植树木时，单就地表变暗对大气辐射强迫的影响而言，就足以抵消因碳储存增加带来的气候减缓效应。高纬度系统对高大、颜色深的植被尤为敏感，因为这些区域的雪和日光具有显著的季节性变化。在春季地面仍有积雪时，太阳能输入量非常高（春末和初夏的日照几乎是半连续的），因此反照率对高纬度地区的辐射强迫影响尤其重要。虽然这种反馈对冻原等开阔植被向森林转变的影响较为明显（图2a），但反照率反馈同样会削弱大多数基于北方森林区重新造林的气候减缓方案的效果。此外，随着冬季降水越来越多地以降雨形式出现，预计21世纪整个北极地区的积雪深度将减少，这将进一步加剧高大植被对反照率变化的敏感性。
▲图2 | 北方植树造林带来的气候风险实例。a, 南格陵兰（红框）因种植林建立导致的反照率减少。b, 俄罗斯的北方森林火灾。c, 格陵兰南部科贝峡湾的景观，分别为（2011年左）和一年后（2012年右）发生蛾害（Eurois occulta）后的情况随着树木进入成熟期，受气候变暖影响加剧的野火（图2b）、干旱和虫害暴发（图2c）会显著威胁到高纬度生态系统碳储存的持久性。一般来说，北方树种，尤其是年龄结构均匀的单一树龄林，在达到特定年龄后极易受到此类干扰（图1中的“干扰窗口”），而生物量主要集中在地下的本地苔原植被则受到更多保护。从2018年至2020年，北极火灾几乎占过去二十年西伯利亚北极地区烧毁总面积的一半。由于野火的规模和强度不断增加，即使没有人为种植园的存在，未来数十年火灾导致的碳损失量可能仍会增加。因此，在高纬度系统中依赖活生物质储存碳是一项风险较高的策略。过去40年中，高纬度地区极端天气事件的频率和强度显著增加，平均气候变暖速度为全球平均的四倍。根据本世纪末的气候变化预测，其他决定树木生长的因素也将受到严重影响，特别是土壤湿度的下降，这已抑制了北方大部分地区的气候变暖和二氧化碳施肥引起的加速生长。因此，尽管植树初期可能带来短期碳储存增加，但从长期来看，高纬度生态系统的碳储量可能会达到与植树前相似甚至更低的水平，同时对干扰的敏感性也更高，从而降低了碳储存的可预测性。图1中的“干扰窗口”显示了不同干扰时间对地上碳储量的潜在影响路径。如果干扰发生较晚或没有发生，地面碳储量可能最终达到补偿地下碳损失的水平（长虚线）。然而，如果干扰较早发生，生态系统碳储量可能永远无法达到初始水平（短虚线）。此外，干扰事件之间以及与其他气候反馈机制之间的相互作用，例如野火与永久冻土融化的正向相互作用，可能进一步加剧碳损失。需要注意的是，不同类型的干扰会带来不同的后果。例如，昆虫暴发或干旱对地面生物量减少和反照率增加的影响可能比火灾引发的林分替代效应小。此外，即使植树后生态系统碳储量回到植树前的水平，反照率效应的降低仍可能导致干预措施的总体气候效应促使气候变暖加剧。实现因人类活动造成的辐射强迫“净零”——即辐射强迫无净增加——仍然是一个艰巨的全球性挑战。通常，净零策略仅针对温室气体（GHG）排放，集中于平衡温室气体的排放和吸收汇。因此，避免增加温室气体排放以及清除大气中的历史排放成为首要关注点。这一做法是合理的，因为减少人类活动产生的温室气体排放必须继续作为减缓气候变化的首要任务。
然而，若真正以减缓气候变暖为目标，仅关注温室气体还远远不够。温室气体以外的其他气候作用力也不容忽视。最近，研究人员呼吁在气候策略中纳入人类活动对全球能量预算的其他影响，例如土地覆盖变化所引起的反照率改变。这种视角的拓展或许能帮助我们更全面地理解和应对气候变化带来的挑战。高纬度植树造林仍处于起步阶段，因此，现在正是重新审视这一地区气候减缓和适应策略的最佳时机。已有科学证据表明，高纬度植树造林不但可能加剧气候变暖，且若实施不当，可能对当地生态系统和生计带来不利影响。幸运的是，该地区还有其他气候减缓途径。事实上，通过保护和恢复拥有健康大型食草动物种群的开放和半开放生态系统，可能是应对气候变化和减少林木入侵所致生物多样性损失的可靠途径，同时也能确保当地社区继续利用这些生态环境。
在开放生态系统中种植树木不仅难以有效减缓气候变暖，还可能带来对自然环境和社会的风险。对于北方地区，当地社区长期以来利用开放或半开放的土地进行狩猎、放牧、采集和传统祭祀，改变这些土地的利用方式将对这些社区的生活带来显著影响。未来的土地利用策略应以当地社区为主导，以确保这些策略能够符合多方的长期利益，而非仅满足少数人的短期经济需求。这一点在产权结构复杂且共有权普遍的北方地区尤其重要。
此外，将开阔的苔原和北方森林转变为以单一物种为主的种植地也会对生物多样性造成负面影响。随着对自然原貌恢复和保护的需求增长，这一问题将愈发显著。需求增长的原因之一是企业日益重视披露和减轻其碳足迹之外的环境影响，另一个原因是人们的收入增加，更多人愿意为保护生物多样性出资，而生物多样性却在迅速减少。因此，保护和恢复生态功能完善、生物多样性丰富的生态系统，不仅是更可持续的土地利用策略，也是更具经济可行性的替代方案。总之，北部高纬度地区展示了“碳隧道视野”可能带来的局限性，这种视野既不利于实现碳耕作项目的主要目标（即减缓气候变暖），也可能妨碍其他重要目标的达成，如保护生物多样性和支持当地社区的繁荣。要实现真正可持续的自然气候解决方案，需要：（1）对地球系统过程的全面理解；（2）确保不以牺牲生物多样性或人类生计为代价；（3）承认可持续的解决方案通常需要因地制宜。论文信息
标题：Tree planting is no climate solution at northern high latitudes
期刊：Nature Geoscience
类型：Perspective
作者：Jeppe Å. Kristensen*【Aarhus University】, Laura Barbero-Palacios【Greenland Institute of Natural Resources】, ...... , & Marc Macias-Fauria*【University of Cambridge】
时间：2024-11-07
DOI：https://doi.org/10.1038/s41561-024-01573-4
点击文末左下角 “阅读原文” 可直达原文
— END —
![]()
