植樹造林,讓地球降溫還是升溫?
2019年03月13日09:48

  來源:Nature自然科研

  一般認為樹木可以放慢全球變暖的腳步,但是越來越多的證據表明,它們並不總是氣候變化的救星。

  一提到抵禦氣候變化,樹木常被認為是最好用的“武器”之一。由於各國在控製碳排放方面取得的進展有限,許多政府和倡議人士力推植樹計劃,希望利用樹木吸收大氣中的二氧化碳,緩解氣候變化。但是最新研究表明,樹木可能並不總像人們希望得那樣有用。

馬來西亞的樟樹在生長過程中會避免樹冠重疊,因此從下往上看時,彷彿一幅拚圖。
馬來西亞的樟樹在生長過程中會避免樹冠重疊,因此從下往上看時,彷彿一幅拚圖。

  2015年的《巴黎協定》首次認可各國可以通過植樹或保護森林來抵消本國化石燃料碳排放的做法,這大大推動了森林相關計劃的發展。中國計劃的植樹造林面積相當於英國國土面積的四倍。美國加州允許森林所有者向碳排放公司出售額度,美國的其他州也在考慮實施類似的方案,這或將刺激植樹造林和保護已有森林的項目落地。歐盟正考慮允許成員國將植樹造林納入其抵禦氣候變化的計劃當中;部分歐盟國家也已經承諾投入幾十億美元用於熱帶森林項目。

  許多科學家都對增加森林面積表示歡迎,但也有一些科學家提醒採取謹慎態度。他們認為森林對於氣候變化的影響非常複雜且具有不確定性,政策製定者、環保人士,甚至一些科學家對此缺乏充足的認識。

  樹木的確可以通過光合作用吸收二氧化碳,使地球降溫,但是它們也會釋放各種混雜的化學物質,其中部分可能會使地球變暖。不僅如此,樹木深色的葉子會吸收陽光,使溫度上升。過去幾年里有若干分析表明,森林的這種變暖效應可能會部分或完全抵消其帶來的冷卻效應。

  這類顧慮在科學家群體中引發了激烈的爭論:不同區域的森林為何具有變暖效應或冷卻效應。沒有人否認樹木對環境有益;畢竟森林可以提供大量好處,而且地球的陸上生物多樣性主要存在於森林中。也沒有研究人員建議要砍伐現有的森林或削減旨在控製濫砍濫伐的措施。不過,鑒於政府、企業和非營利組織推動實施的緩解氣候變化的計劃越來越宏大,一些科學家提醒不要把森林當作抵禦全球變暖的不二法門,因為我們對於森林的理解還不夠透徹。一些研究人員參與大型數據收集項目,利用飛機、衛星和森林中的塔樓提取樹木釋放的全部化學物質的樣本,這些化學物質可能既關乎氣候變化,也關乎空氣汙染。

  與此同時,也有一些研究人員害怕發表那些會挑戰森林具有降溫作用這一觀點的研究結果。曾有一位科學家寫了一篇評論,反對通過植樹來預防氣候變化,之後竟收到了死亡威脅。

  隨著越來越多的科學家加入這場辯論,問題也一再被放大。關於氣候變化的警告聲愈加振聾發聵,植樹造林需要的投入也不是小數目,因此當務之急便是弄清楚植樹對氣候的影響。美國國家大氣研究中心的地學科學家Gordon Bonan說:“人們想要一個確切的答案;他們希望能確定地說:‘我們應該這樣做或那樣做’。”他說,關於森林及其降溫作用,“有許多錯誤或誇大其辭的引導。”

  吸碳海綿

  如果那些植樹計劃真能達到其所宣傳的效果,那麼就能為世界贏得寶貴的時間來逐漸降低對於化石燃料的依賴,取而代之以更加清潔的能源。2017年一項被廣泛引用的研究估算,森林和其他生態系統能夠幫助將全球二氧化碳排放量減少三分之一——在2030年之前將全球變暖維持在2 °C以下所需的減排力度。

  雖然這項研究依賴於宏大的假設,比如可用的資助機製和政治意願,但是作者表示,當世界忙於應對主要的碳排放來源——燃燒化石燃料,森林可能是一個重要的權宜之計。論文作者之一、大自然保護協會(The Nature Conservancy)的森林-碳科學家Peter Ellis說:“這是大自然拋給我們的一根救命繩。”

  植物可以吸收空氣中的二氧化碳的理論雛形可追溯至18世紀70年代,當時一位名叫Jean Senebier的瑞士牧師在不同的實驗條件下種植植物。他認為植物可以分解空氣中的二氧化碳,並吸收碳。後來,光合作用機製的發現證實了這一觀點。

  200多年後,Senebier的見解成了利用植物抗擊大氣中二氧化碳積聚的重要理論支撐。它的原理是樹木可以將碳封鎖在樹幹和樹根內達幾十年,甚至幾百年之久。1997年締結的《京都議定書》允許富裕國家在履行限製溫室氣體排放的目標時,將森林碳儲計算在內。然而在實際操作中,很少有國家這麼做,因為該協議規定的核算機製極不實用,另外還有其他因素影響。之後經過談判訂立了一個框架:讓富裕國家向地處熱帶區域的國家支付費用,讓後者減少因砍伐森林所造成的碳排放,增加森林的碳儲。2015年的《巴黎協定》將此框架正規化,要求各個國家承諾減少溫室氣體排放;已有50多個國家承諾將增加林木植被或保護已有的森林(參見“樹木在哪裡?”)。

資料來源:X。-P。 Song et al。 Nature 560, 639–643 (2018)。
資料來源:X。-P。 Song et al。 Nature 560, 639–643 (2018)。

  這類方案要求用嚴格的數據說明有多少碳被封鎖在森林中。在過去的幾十年里,科學家利用試驗田和衛星數據,估算了各國植被吸收和增加的碳量。2011年,在美國農業部林務局的研究人員的領導下,一支國際團隊得出結論:全球範圍內的森林是一個巨大的碳彙,它們通過光合作用和林木生產所吸收的碳多於其通過呼吸和腐爛所釋放的碳。

  但是,那並不意味著所有森林都具有降溫作用。幾十年來,研究人員一直都知道樹葉吸收的陽光要多於其他類型土地覆蓋,如田地或裸地。森林會降低地球的表面反射率,也就是說地球反射回太空的入射光會減少,從而引起溫度上升。這種效應在高緯度地區、山區或乾燥地區尤其明顯。在這些地區,針葉樹生長較緩慢,樹葉較暗,遮擋了原本會反射陽光的顏色較淺的地面或積雪。但是,大部分科學家都讚同熱帶森林是顯而易見的氣候“冷卻器”:在這裏,樹木生長相對較快,蒸發掉大量會形成雲的水分——從而使氣候冷卻。

  最新研究將森林影響氣候的其他方式也納入考量範圍之內。科學家已經瞭解到,在樹木從生長到死亡的過程中,它們不斷地與空氣發生互作:交換碳、水分、光以及各種可以與氣候產生互作的化學物質。

  曾就職於耶魯大學的大氣化學家Nadine Unger率先開展了首批考察這種交換作用的全球性研究之一:樹木釋放的揮發性有機化合物(VOC)的影響。這類VOC包括異戊二烯——一種能夠通過多種方式使氣候變暖的碳氫化合物。比如,它能夠與空氣中的氮氧化物發生反應,形成臭氧——位於低層大氣時,具有強大的氣候變暖作用。它也可以延長另一種溫室氣體——大氣甲烷的壽命。不過,異戊二烯也可以產生冷卻效應:促進生成氣溶膠粒子,阻擋入射光。

  Unger構建了一個地球系統模型,用來估算森林的化學物質排放所產生的效應。結果表明,工業時代的伐林墾地對氣候的整體影響可能並不大。砍伐森林將樹木中封存的碳釋放了出來,但是也增加了地球的表面反射率(促進氣候冷卻),減少了兼具冷卻與升溫作用的VOC的排放。

  由此推論,Unger認為重新造林對於氣候的影響也存在不確定性。熱帶和溫帶地區的樹木會釋放大量的異戊二烯,但是這一點卻沒有計入大部分的林業計劃中。高緯度的北方森林主要釋放萜烯,萜烯可以形成氣溶膠,阻擋陽光,促進形成雲粒,達到冷卻氣候的效果;不過,Unger沒有嚐試量化這種雲種散播效應。她承認自己的研究只是第一步,並呼籲加強對森林釋放的化學物質及其與大氣的互作進行監測。

  論文發表後,她還為《紐約時報》撰寫了題為《拯救地球,停止植樹》(To Save the Planet, Don’t Plant Trees)的觀點文章,她認為森林使氣候冷卻或變暖的效應存在巨大的不確定性,在這種情況下,把種樹當作一種抵禦氣候變化的策略是有風險的。這篇文章,尤其是標題(非Unger所取)引起了研究人員的強烈抗議,他們斥其不科學,而且可能動搖多年來的研究和倡議成果。30位森林科學家在環境新聞網站Mongabay上做出聯合回應:“我們強烈反對Unger教授的核心觀點”。

304米高的佐提諾高塔觀測台(Zotino Tall Tower Observatory)能測量西伯利亞中部針葉林上方的氣體和氣溶膠。亞馬遜河流域也有一個類似的高塔專門在熱帶雨林上方進行測量。
304米高的佐提諾高塔觀測台(Zotino Tall Tower Observatory)能測量西伯利亞中部針葉林上方的氣體和氣溶膠。亞馬遜河流域也有一個類似的高塔專門在熱帶雨林上方進行測量。

  Unger說她收到過死亡威脅,而且有些同事也不再和她說話。但是,也有部分科學家認同研究森林VOC的影響具有重要意義。後續研究有的支援了Unger 2014年的分析,有的則並不支援。英國利茲大學的大氣化學家Dominick Spracklen和Catherine Scott帶領的一支團隊在模型中納入了可以散播雲種(雲會反射陽光)的森林源氣溶膠。他們的結論是,森林源VOC的淨效應是使全球氣候冷卻。

  Unger則對Scott和Spracklen的一些假設提出了質疑。Unger目前就職於英國埃克塞特大學,她和Spracklen正在討論採用一種常規實驗設計來解決他們之間的分歧。

  他們和其他一些研究人員都表示,由於缺乏有關森林排放的數據,這類研究備受掣肘。加州大學歐文分校的大氣科學家Alex Guenther說“在我看來,我們現在所掌握的信息仍然不夠充分”,難以說明森林VOC究竟具有什麼效應。

  最新的研究發現使這個問題變得更加複雜。2013年和2014年的大部分時間里,英國蘭卡斯特大學的生態學家Sunitha Pangala都待在亞馬遜雨林內,她在2300多棵樹的樹幹周圍放置了氣體測量器。“真正讓我們感到驚訝的是這些樹木釋放甲烷的規模。”Pangala說。2017年,她和英國開放大學的Vincent Gauci及其同事報告稱,樹木約占亞馬遜甲烷總排放量的一半。過去,研究人員假設甲烷直接從土壤中滲透進空氣裡面(甲烷由土壤中的微生物產生)。而新近研究表明,樹木可能是微生物甲烷的另一個產生路徑,這或許可以解釋為什麼在熱帶濕地上方檢測到的甲烷比在土壤中檢測到的要多。

  Gauci和其他同事在去年10月首次發表的一項研究為此再添一道證明,他們發現高山林地裡的樹木會釋放甲烷和另一種溫室氣體——一氧化二氮。

  目前,這些發現的全球性意義仍然不甚明確。Pangala和Gauci的估算均顯示,樹木吸碳所產生的冷卻效應顯著超過樹木通過釋放甲烷和一氧化二氮所產生的增溫效應。但是,美國斯基德莫爾學院的環境科學家Kristofer Covey發現溫帶森林里的非濕地樹木也會釋放甲烷,他認為在某些地區,這種排放可能會削弱樹木對氣候的有益效應,且削弱的程度超出研究人員和環保人士已有的認識。“那真的是一個不幸的消息。”他說。

  Unger說,最新湧現出的各種研究結果突顯了充分理解森林對於氣候變化的影響的必要性。“我們知道熱帶樹木會吸收大氣中的二氧化碳,同時我們也必須承認,它們也會向大氣中釋放甲烷和VOC。”

  各就各位

  站在森林一邊的科學家認為,雖然相關研究多多益善,但是現有結果已經足以支援利用造林來抵禦氣候變化的做法,特別是考慮到目前氣候變化問題十分緊迫。“我們耗不起了,必須行動起來。”芝加哥環境科學家、《巴黎協定》的顧問兼觀察員Jason Funk說。

  現在,研究人員正在利用複雜精密的計算機模型和越來越多、越來越全面的數據,精準判定不同區域的森林對於氣候究竟有什麼影響。有些結果足以令人警醒。去年10月,阿姆斯特丹自由大學生態學家Sebastiaan Luyssaert的團隊建造模型模擬了歐洲不同的森林管理場景。最後得出結論:沒有哪一種場景會對全球氣候產生顯著影響,因為由造林導致的地表顏色變深和雲量變化將大致抵消森林的碳儲作用。

  為了估計在美國不同地區造林會對氣候產生何種影響,美國克拉克大學的生態學家Christopher Williams將十幾年的全球衛星數據與美國國家林務局的碳封存數據結合起來。初步研究發現,從氣候角度看,增加美國西海岸和密西西比河以東地區的植被覆蓋是合理的。但是,在洛磯山脈和美國西南部造林引起的反射率變化,在大部分情況下對氣候的影響都是負面的,因為這些區域盛產的針葉樹顏色較深,吸收的陽光比下面的土壤或積雪要多。他希望將這項研究轉化為一種標準化的方法,讓森林管理人員可以用來評估某個項目的氣候影響。

  但是,要讓規劃人員採用這類方法並不容易。Williams發現,有些規劃人員拒絕考慮反射率效應,包括希望銷售森林項目碳額度的公司代表。“甚至一些科學家也不相信反射率效應的嚴重程度,甚至不相信反射率效應的存在,”他說。

  “我聽到有科學家說,如果我們發現了減少森林面積可以使地球降溫的證據,我們就不會發表出來。”

  有一些長期項目會追蹤樹木釋放和吸收的氣體與化學物質,它們或將帶來更多有關森林對於氣候的影響的數據。亞馬遜雨林內有一座高325米的觀測塔,研究人員正利用它監測巴西瑪納斯東北部規模約100平方公里的原始熱帶雨林上方的碳、水和其它化學物質通量。西伯利亞也有一座功能一樣的觀測塔。

  研究團隊在全球上百個地點建起了小型研究塔,用以收集不同類型森林的類似樣本;比如,挪威的首座研究用觀測塔不久便將開始在森林中收集數據。儘管如此,還有許多重要區域未被覆蓋。去年NASA啟動全球生態系統動態調查激光雷達(Global Ecosystem Dynamics Investigation)和“愛斯塞特2號”衛星( Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2)應該很快就能提供更加統一的全球森林碳儲數據。

  參與討論森林對氣候影響的科學家迫不及待地想要獲取這些數據。那些堅信森林項目可以抵禦氣候變化的科學家也對這些更加全面嚴謹的研究表示歡迎。比如,Ellis承認他作為共同作者發表的一項研究只是粗略地考慮了反射率效應,研究團隊沒有考慮樹木釋放的VOC和甲烷。

  “我們需要實事求是地將其他類似效應納入考量範圍,也要更加謹慎地製定相關策略,”Ellis說,“我們的現有工具是鈍的,如果能有更鋒利的工具就再好不過了。”

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