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應(yīng)對(duì)氣候變化，植樹(shù)造林的作用到底有多大？| 氣候大會(huì)特別策劃

2019/12/15
導(dǎo)讀
“我們需要清醒的意識(shí)到植樹(shù)造林的優(yōu)點(diǎn)和局限性”

氣候大會(huì)特別策劃（1）：全球變暖是真的嗎？

氣候大會(huì)特別策劃（2）：升溫1.5度還是2度，世界會(huì)有何不同？

氣候大會(huì)特別策劃（3）：中國(guó)人均溫室氣體排放真的很低嗎？



pixabay.com

編者按

1978年，中國(guó)啟動(dòng)了迄今已持續(xù)40年之久的“三北防護(hù)林工程”，這一原本旨在防風(fēng)固沙、減緩水土流失和荒漠化的工程，在新的時(shí)代背景下與1999年開(kāi)始的“退耕還林工程”一起被賦予了“減緩氣候變化”的新含義，背后的邏輯簡(jiǎn)單、清晰、令人振奮——植物經(jīng)由光合作用吸收大氣中的二氧化碳，將其轉(zhuǎn)為生長(zhǎng)所需的碳固定下來(lái)，因此通過(guò)植樹(shù)造林可以減少大氣二氧化碳，減緩氣候變化。

 

然而，現(xiàn)實(shí)世界總是復(fù)雜的，生態(tài)系統(tǒng)尤其如此。在《知識(shí)分子》“氣候大會(huì)特別策劃”系列的第四篇文章里，三位研究森林生態(tài)的學(xué)者指出，在人類每年因燃燒化石燃料排放的海量二氧化碳面前，森林減少大氣二氧化碳的作用即使按照最樂(lè)觀的估計(jì)也是杯水車(chē)薪，而且森林對(duì)地表反照率的改變，可能會(huì)加重高緯度地區(qū)的暖化情況。因此，減排仍然是應(yīng)對(duì)氣候變化的首要之事，我們不應(yīng)過(guò)分夸大植樹(shù)造林在減緩氣候變化上的作用。



撰文 | 楊   曦（弗吉尼亞大學(xué)）
         徐湘濤（康奈爾大學(xué)）
         印   軼（加州理工學(xué)院）
責(zé)編 | 夏志堅(jiān)
 ●　  ●  　●

“
植樹(shù)造林是眾多應(yīng)對(duì)氣候變化的手段中的一種。我們需要清醒地意識(shí)到植樹(shù)造林的優(yōu)點(diǎn)和局限性。綜合考慮各種固碳和減排手段的利弊，探索適合國(guó)情的應(yīng)對(duì)氣候變化的最優(yōu)方案。
”

森林占全球陸地面積（除去南極洲）的三分之一 [1]，不僅能夠提高生物多樣性，為野生動(dòng)物提供重要棲息地，也為人類提供了審美和休憩的場(chǎng)所，并且能保持水土，提供木材，以及固碳 [2,3]。
 
由于森林的眾多益處，植樹(shù)造林已經(jīng)成為了全人類的共識(shí)。2011年，由國(guó)際自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）牽頭，眾多國(guó)家參與的《波恩挑戰(zhàn)》（Bonn Challenge）提出了在2020年恢復(fù)1.5億公頃已退化土地、并在2030年恢復(fù)3.5億公頃的目標(biāo)。
 
除了保護(hù)自然生態(tài)平衡，不少研究提出要利用植樹(shù)造林來(lái)作為應(yīng)對(duì)氣候變化的手段，因?yàn)樯趾推渌诘耐寥酪黄鸫鎯?chǔ)的碳量比大氣中二氧化碳總量還要多 [4]。除去我們通過(guò)化石燃料排放的二氧化碳以外，人類文明發(fā)展帶來(lái)的土地利用變化，例如森林砍伐、開(kāi)墾農(nóng)田等，已經(jīng)釋放了陸地生態(tài)系統(tǒng)中大約200Pg 碳（1 Pg碳 = 1015克碳，2018年全球化石能源碳排放量是10 Pg 碳）[4]，而植樹(shù)造林可以讓陸地生態(tài)系統(tǒng)重新吸收這些二氧化碳。
 
最近，《科學(xué)》上一篇爭(zhēng)議極大的論文做了一項(xiàng)估算 [5] ：如果把地球上可以種樹(shù)的地區(qū)都種上樹(shù)，大約有200 Pg碳可以存儲(chǔ)在森林里面（注1），大約占人類從工業(yè)革命到現(xiàn)在總排放量的?。如果真的如此，顯然植樹(shù)造林會(huì)是一個(gè)應(yīng)對(duì)氣候變化強(qiáng)有力的武器。該項(xiàng)研究的作者聲稱“這是迄今為止最有效的應(yīng)對(duì)氣候變化的手段”。
 
事實(shí)是否真的如此呢？回答這個(gè)問(wèn)題，首先要從森林對(duì)氣候的各種反饋?zhàn)饔谜f(shuō)起。
 
森林和氣候


森林主要通過(guò)兩方面來(lái)影響氣候：生物地球化學(xué)作用（biogeochemical effects）和生物地球物理作用（biogeophysical effects）。這些作用往往對(duì)氣候會(huì)產(chǎn)生相反的效果—— 有的使地面溫度升高，而有的使得地面溫度降低。
 
 1. 森林的生物地球化學(xué)作用 

生物地球化學(xué)作用主要是通過(guò)光合作用來(lái)降低大氣中二氧化碳的含量。每年森林凈吸收碳量（光合作用減去呼吸作用）大約是3 Pg碳。在化石能源排放（目前約10 Pg碳/年 [4]）的大背景下，植樹(shù)造林對(duì)大氣二氧化碳濃度的影響實(shí)際是非常有限的。同時(shí)火災(zāi)和森林砍伐大約會(huì)抵消掉1 Pg 碳。2 Pg碳看起來(lái)是一個(gè)不小的數(shù)字，但森林能起到的減緩氣候變化的作用實(shí)際上杯水車(chē)薪。
 
大家也許都做過(guò)進(jìn)水出水的數(shù)學(xué)題吧？如果我們把大氣中的二氧化碳看做泳池里面的水，那么森林的碳吸收就是那個(gè)出水口，而人類造成的二氧化碳排放就是那個(gè)進(jìn)水口。要做到大氣中的二氧化碳含量減少或者至少不變，那么“出水”需要大于或者等于 “入水”。

我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算：假設(shè)一個(gè)響指間，我們?cè)谌蚩梢栽僭炝值牡胤蕉挤N上幼苗，且這些幼苗需要大約50年的時(shí)間長(zhǎng)大為成熟林（實(shí)際時(shí)間可能更長(zhǎng)），達(dá)到固碳能力的最高峰。所以在接下來(lái)的50年里，平均每年的 “出水” 是2-4 Pg碳左右（如果前述《科學(xué)》論文所稱的200 Pg碳在50年里能被新生的森林存儲(chǔ)，那么每年的“出水”就是200/50=4Pg；如果按照大部分科學(xué)家估計(jì)的100 Pg碳被存儲(chǔ)來(lái)算，則是100/50=2Pg），僅是人類目前年排放量（“入水”）的20%-40%, 泳池里的水仍然會(huì)不斷上漲 [4]。因此，僅僅依靠森林是不能減少大氣二氧化碳含量的。
 
最近《自然》上的一篇文章總結(jié)了利用和移除二氧化碳的十大技術(shù)手段 [6]，其中也包含了植樹(shù)造林和可持續(xù)林業(yè)管理。與其他一些手段（比如生物能源與碳捕獲和儲(chǔ)存——BECCS，或者增強(qiáng)風(fēng)化——Enhanced Weathering）相比，植樹(shù)造林的二氧化碳移除能力居中，不確定性也比較大。同時(shí)，森林儲(chǔ)存的二氧化碳被重新排放到大氣的可能性比其他手段要高很多。近年來(lái)各地頻發(fā)的大火以及干旱造成的樹(shù)木死亡（比如加州以及亞馬遜的大火 [7,8]），以及隨著氣候變化可能升高的火災(zāi)頻率和強(qiáng)度 [9]，都在表明未來(lái)我們可能越來(lái)越難以維持森林這個(gè)地球上極為重要的碳庫(kù)。

 2. 森林的生物地球物理作用 

森林的生物地球物理作用主要是通過(guò)調(diào)節(jié)反照率和蒸騰作用來(lái)影響氣候。
 
植物在進(jìn)行光合作用的時(shí)候吸收二氧化碳，但同時(shí)水蒸氣也從植物進(jìn)入大氣。這樣的蒸騰作用能有效地降低森林的溫度，就像我們夏天往手臂上灑水一樣，一陣風(fēng)過(guò)后手上能感到一絲涼意。因此，當(dāng)水分充足的時(shí)候，森林的蒸騰作用能讓局地氣溫降低。
 
但是，蒸騰作用在降低局地氣溫的同時(shí)，可能會(huì)帶來(lái)一個(gè)副作用，那就是改變地表徑流和土壤水分。通過(guò)蒸騰作用，植物相當(dāng)于把降水“還給了”大氣。最近一些研究表明森林通過(guò)增加蒸騰（注2），可能會(huì)減少全球很多地區(qū)的地表徑流或者土壤濕度 [10-12]。對(duì)于干旱地區(qū)（或者未來(lái)可能變干的地區(qū)）來(lái)講，這可不是一個(gè)好消息。
 
蒸騰作用之外，森林還可以通過(guò)改變地表所吸收的太陽(yáng)輻射來(lái)改變地面溫度。地表反照率是被反射的太陽(yáng)輻射占到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射的比例。和裸土、草地或者農(nóng)田相比，森林的反照率要低一些。反射越少，吸收的能量就越多，從而導(dǎo)致地表溫度會(huì)更高（注3）。
 
著名的天文學(xué)家和科幻作家卡爾薩根對(duì)這個(gè)話題也有所涉獵。在1979年的一篇《科學(xué)》論文里，卡爾薩根計(jì)算了人類活動(dòng)在過(guò)去上百萬(wàn)年（特別是文章發(fā)表前25年間）對(duì)地表反照率的影響，并且發(fā)現(xiàn) “地球上很多地區(qū)，中東...以及歐洲和美國(guó)，都因?yàn)槿祟惢顒?dòng)對(duì)局地氣候產(chǎn)生了影響” [13]?？査_根通過(guò)模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)從1954到1979年，砍伐森林和荒漠化導(dǎo)致地表溫度降低了0.2℃。
 
蒸騰作用和反照率，一個(gè)是負(fù)反饋（降溫），而一個(gè)是正反饋（升溫），到底哪個(gè)作用更大呢？綜合在一起，森林到底會(huì)使得地面溫度升高還是降低呢？答案取決于緯度和水分條件。
 
研究表明在高緯度地區(qū)，森林的存在實(shí)際上使得地表溫度升高（反照率作用大于蒸騰），赤道地區(qū)森林能有效降低地面溫度（蒸騰大于反照率），而溫帶地區(qū)夏季以降溫為主，冬季升溫，全年總體降溫 [14，15]。森林也能顯著的改變?cè)频男纬珊徒邓?，比如說(shuō)亞馬孫雨林地區(qū)的降水很大程度上是由蒸騰作用帶來(lái)的——每天雨林蒸騰作用產(chǎn)生的水量和亞馬孫河每天流入大西洋的水量相當(dāng) [16]。
 
 3. 兩者的復(fù)合影響 


森林的地球化學(xué)和地球物理作用還會(huì)復(fù)合起來(lái)影響氣候。


森林除了吸收二氧化碳和釋放水分以外，還排放一些揮發(fā)性的化學(xué)物質(zhì)。這些化學(xué)物質(zhì)統(tǒng)稱植物揮發(fā)性有機(jī)物（Biogenic Volatile Organic Compounds, BVOC）。BVOC 會(huì)增加空氣中的氣溶膠（aerosol）。這些氣溶膠能夠散射或者吸收太陽(yáng)光，因此對(duì)氣候的影響很復(fù)雜。
 
美國(guó)著名的大煙山的名字由來(lái)就是由于森林釋放大量的 BVOC 和其形成的氣溶膠散射了更多的藍(lán)光，導(dǎo)致從遠(yuǎn)處看去森林帶有一種幽幽的藍(lán)色。BVOC 也會(huì)影響臭氧的形成。在離地面較高的平流層，臭氧是保護(hù)我們免受紫外線傷害的保護(hù)傘。但在地面，臭氧是一種污染物，會(huì)帶來(lái)各種健康問(wèn)題 [17]。森林通過(guò)釋放 BVOC帶來(lái)的環(huán)境影響還是一個(gè)重要的前沿話題，因此BVOC的綜合環(huán)境影響還需要進(jìn)一步的研究。

圖1.森林的主要生物地球物理作用和生物地球化學(xué)作用。加號(hào)表示該作用會(huì)提高地表溫度。森林的反照率比裸土或者草地要低，因此會(huì)反射更少的太陽(yáng)光（也就是吸收更多太陽(yáng)光），導(dǎo)致地面溫度升高。森林通過(guò)吸收二氧化碳和蒸騰作用降低地面溫度。此外森林通過(guò)釋放植物揮發(fā)性有機(jī)物影響氣溶膠的形成。氣溶膠能影響云的形成，從而可能反射更多的太陽(yáng)光，但同時(shí)氣溶膠也可能因?yàn)槲仗?yáng)光而提高空氣溫度。因此，氣溶膠對(duì)氣候變化的影響較為復(fù)雜。植物揮發(fā)性有機(jī)物能導(dǎo)致更多的臭氧的產(chǎn)生。此外，最近一些研究表明蒸騰作用會(huì)影響地表徑流，從而導(dǎo)致河流水量減少。



也許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，研究植樹(shù)造林對(duì)氣候變化的影響是一個(gè)交叉學(xué)科問(wèn)題， 包括生態(tài)學(xué)、氣候?qū)W、大氣化學(xué)、水文學(xué)以及生物氣象學(xué)。不同影響的時(shí)空尺度也會(huì)有很大差異。生物地化作用（例如吸收二氧化碳）的影響往往是全球性的，而生物地球物理過(guò)程（反照率）的影響往往局限于一個(gè)區(qū)域。綜合量化植樹(shù)造林可能帶來(lái)的影響對(duì)政策制定和選擇綠化的具體手段極為重要。
 
討論森林對(duì)應(yīng)對(duì)氣候變化帶來(lái)的反作用和鼓勵(lì)砍伐森林是兩回事。沒(méi)有人會(huì)否認(rèn)森林對(duì)改善環(huán)境起到的關(guān)鍵作用，但我們需要認(rèn)識(shí)到森林對(duì)減緩氣候變化作用有限，我們應(yīng)該在扎實(shí)的科學(xué)研究結(jié)果的支持下，合理地實(shí)行適合當(dāng)?shù)刈匀簧鐣?huì)環(huán)境的綠化政策，使之成為一種改善環(huán)境的有效手段。
 
中國(guó)在過(guò)去幾十年里實(shí)施的植樹(shù)造林政策取得了巨大的成果，也走了不少?gòu)澛贰Ｗ罱蹲匀弧冯s志上一篇關(guān)于中國(guó)退耕還林還草工程（Grain to Green Project）的文章引起了不少爭(zhēng)議。從氣候變化的角度來(lái)看，這個(gè)工程的成果如何，未來(lái)又會(huì)怎樣呢？
 
植樹(shù)造林在中國(guó)：成果和隱憂

植樹(shù)造林以及退耕還林還草政策已經(jīng)在中國(guó)取得了肉眼可見(jiàn)的效果。
 
自從1978年以來(lái)，三北防護(hù)林計(jì)劃在中國(guó)北方十三個(gè)省、市、自治區(qū)種下了660億棵樹(shù)。NASA 的衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，盡管中國(guó)的植被面積僅占全球的6.6%，但是2000-2017年間中國(guó)的葉面積（leaf area）增長(zhǎng)卻占到同期全球增長(zhǎng)的25% [18]，其中一大部分（42%）是森林的增加帶來(lái)的。這些森林主要分布在黑河騰沖線以東的地區(qū)。

從1982年到2016年，中國(guó)北方地區(qū)的植被覆蓋增加明顯，并且主要是由較為矮小的植被（short vegetation）帶來(lái)的 [19]。中國(guó)政府計(jì)劃在2050年以前在黃土高原再投入588億元用于退耕還林還草。截至2019年，中國(guó)的森林覆蓋率達(dá)到了22.96% [20]。
 
維持植樹(shù)造林的成果需要看未來(lái)氣候變化的趨勢(shì)。在某些水資源缺乏的地方（比如黃土高原），植樹(shù)造林可能已經(jīng)到達(dá)極限。2016年，《自然-氣候變化》發(fā)表的一篇關(guān)于黃土高原植樹(shù)造林的研究論文就是關(guān)于這個(gè)話題。研究人員發(fā)現(xiàn)黃土高原能承載的植被可能已經(jīng)到達(dá)了上限。而人類活動(dòng)（比如地下水開(kāi)采）或者氣候變化帶來(lái)的干旱化 [21,22] 可能會(huì)使得這些森林的固碳能力在未來(lái)大大下降（注4）。最近《自然》的一篇新聞報(bào)道表達(dá)出對(duì)中國(guó)植樹(shù)造林的擔(dān)憂，特別是在干旱半干旱地區(qū)。
 
選擇合適的植物和治理手段相當(dāng)重要。在干旱缺水的地方，灌木或草才是更適合的植物。一系列研究表明在干旱半干旱地區(qū)植樹(shù)造林需要適度 [23]：過(guò)少的植被會(huì)導(dǎo)致水土流失和生態(tài)系統(tǒng)惡化，而過(guò)多的植被（40~50%以上）也會(huì)影響生物多樣性和水土保持?？傮w上來(lái)講，植樹(shù)造林的其他環(huán)境影響（地表能量平衡，水資源，大氣環(huán)境）的研究還不夠完善，特別是在干旱半干旱地區(qū)。隨著政府在這方面投資的進(jìn)一步加大，相關(guān)的科學(xué)研究需要進(jìn)一步跟上。
 

文中注釋

注1：原文中估算適宜種樹(shù)的區(qū)域?qū)嶋H上也過(guò)于樂(lè)觀：一些氣候不適宜種樹(shù)的地區(qū)（比如溫度或者水分條件不適合，或者火災(zāi)過(guò)于頻繁）也被計(jì)算在內(nèi)。但本文假設(shè)在這樣樂(lè)觀的情況下，到底有多少二氧化碳可以被固定。另外多篇針對(duì)該文章的評(píng)論指出該文畫(huà)出的再造林面積僅占從工業(yè)革命以來(lái)砍伐森林面積的39%，因此200 Pg碳的數(shù)字過(guò)高，合理的數(shù)字應(yīng)該在80-100 Pg碳左右。
 
注2：通過(guò)二氧化碳施肥效應(yīng)（CO2 fertilization），植物會(huì)減少單片葉片的蒸騰量，但會(huì)長(zhǎng)出更多的葉片。研究表明二者綜合的結(jié)果是植物的蒸騰作用會(huì)隨著二氧化碳濃度升高而升高。
 
注3：這里的地表溫度是指森林冠層頂部的溫度。讀者也許會(huì)奇怪，為什么我走進(jìn)森林里面反而感到更涼快呢？那主要是因?yàn)樯止趯游栈蛘叻瓷淞舜蟛糠值奶?yáng)光，從而使得森林底部相對(duì)于空曠的草地來(lái)說(shuō)溫度較低。但同樣的原理使得森林冠層頂部溫度更高。
 
注4：取決于未來(lái)氣候變化的情景，在最壞的情況下，植被生產(chǎn)力會(huì)下降36%。當(dāng)然在最好的情況下，如果地區(qū)水分充足，同時(shí)人類利用水資源的總量不大幅度上升，那么植被生產(chǎn)力最大可以提高43%。
 

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[20]http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=306645&do=blog&id=1074315
[21]Feng,X., Fu, B., Piao, S., Wang, S., Ciais, P., Zeng, Z., … Wu, B. (2016).Revegetation in China’s Loess Plateau is approaching sustainable water resource limits. Nature Climate Change, 6(11), 1019–1022.https://doi.org/10.1038/nclimate3092
[22]Huang, J., Yu, H., Guan,X., Wang, G., & Guo, R. (2016). Accelerated dryland expansion under climate change. Nature Climate Change, 6(2), 166–171.https://doi.org/10.1038/nclimate2837
[23]http://www.forestry.gov.cn/main/65/20190620/103419043834596.html


制版編輯 | 皮皮魚(yú)

參與討論
1 條評(píng)論
評(píng)論
  • 趙淵超 2019/12/16

    確定這不是在為中國(guó)環(huán)保使絆子嗎？

知識(shí)分子是由饒毅、魯白、謝宇三位學(xué)者創(chuàng)辦的移動(dòng)新媒體平臺(tái)，致力于關(guān)注科學(xué)、人文、思想。
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