清華新聞網(wǎng)3月3日電 極端野火不僅破壞生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性，還向大氣中釋放大量有害污染物和溫室氣體，威脅人群健康與全球氣候。近日，由清華大學(xué)地學(xué)系張強(qiáng)教授和深圳國(guó)際研究生院鄭博助理教授帶領(lǐng)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的全球野火碳排放近實(shí)時(shí)量化追蹤系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)全球變暖背景下土壤水分虧缺加劇，北半球中高緯地區(qū)（北緯50°以北）極端干旱事件顯著增加，使得該區(qū)域逐漸成為全球野火活動(dòng)及碳排放的熱點(diǎn)地區(qū)。
北極變暖速率是全球其他區(qū)域的兩倍以上，氣候變暖使植被茂盛生長(zhǎng)，高溫?zé)崂藢ⅰ叭剂稀弊兊卯惓８稍?，?dǎo)致北半球中高緯地區(qū)的野火發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加。為準(zhǔn)確、及時(shí)追蹤全球野火排放，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性建立了利用一氧化碳衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演全球野火二氧化碳排放的新方法，基于一氧化碳排放反演數(shù)據(jù)重構(gòu)野火燃燒效率的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)野火二氧化碳排放的高精度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在這一新方法基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步自主研制了全球野火碳排放近實(shí)時(shí)量化追蹤系統(tǒng)，反演量化了2000至2021年野火二氧化碳排放的時(shí)空格局，系統(tǒng)解析了北半球中高緯地區(qū)野火（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“北方野火”）2021年創(chuàng)歷史新高排放背后的驅(qū)動(dòng)因素，揭示了氣候變暖-野火排放之間的正反饋機(jī)制與潛在未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。
研究發(fā)現(xiàn)，北方野火二氧化碳排放自2000年以來(lái)呈上升態(tài)勢(shì)，在2021年創(chuàng)紀(jì)錄地達(dá)到了17.6億噸，占當(dāng)年全球野火碳排放總量的23%，而在20年前這一比例通常僅為10%左右。與此相反，受到廣泛關(guān)注的赤道地區(qū)野火燃燒及碳排放呈下降趨勢(shì)，年際振幅小于北方野火2021年排放異常高值，2021年排放量與多年平均水平相當(dāng)（圖1）。
圖1.基于大氣反演得到的北方野火排放年際和季節(jié)變化及與赤道地區(qū)野火排放的比較
研究結(jié)果顯示，野火活動(dòng)開(kāi)始侵入以往較少發(fā)生的高緯度寒帶森林，北方野火碳排放的時(shí)空分布格局正在產(chǎn)生劇烈變化，北方森林碳匯面臨嚴(yán)重威脅（圖2）。2000年北方野火碳排放主要集中于北緯50°到60°之間，但近年來(lái)北緯60°到70°的高緯地帶的野火碳排放增長(zhǎng)速率明顯加快。2021年這一區(qū)域的野火碳排放相比2000至2020年平均值增加了300%以上，而在北緯50°附近野火排放只增加了70%。結(jié)合植被類(lèi)型分布數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，北半球高緯度地區(qū)野火碳排放的增長(zhǎng)主要發(fā)生在森林覆蓋率較高的地區(qū)。北方寒帶森林土壤中富含有機(jī)碳，野火發(fā)生時(shí)地上植被和有機(jī)土壤同時(shí)燃燒，碳釋放量巨大。以往高緯度地帶受火災(zāi)干擾較少，但是目前受野火的影響正在增加，嚴(yán)重威脅北方森林土壤的碳匯功能。
圖2.相對(duì)于2000-2020年均值，2021年北緯50°以北區(qū)域大氣中CO柱濃度、野火CO2排放及氣象參數(shù)距平
研究指出，土壤水分虧缺是北方野火燃燒增加的重要驅(qū)動(dòng)力，野火向高緯度寒帶森林的擴(kuò)張與土壤水分虧缺程度的加劇密切相關(guān)，2021年的極端干旱與熱浪共同助推了這一年的野火燃燒與碳排放打破歷史紀(jì)錄（圖3）。在高緯度寒帶森林，過(guò)去20年夏季土壤水分虧缺程度逐年加重的區(qū)域均伴隨有夏季野火燃燒及碳排放的快速增加。在水分虧缺嚴(yán)重的年份和地區(qū)，如2017年加拿大北部森林、2019年西伯利亞森林，均發(fā)生了嚴(yán)重的野火燃燒，二氧化碳排放量顯著高于多年平均水平。2021年夏季，這兩個(gè)區(qū)域的氣溫偏高、降水及土壤濕度偏低、熱浪指數(shù)偏高，均達(dá)到了自2000年以來(lái)的極值水平。俄羅斯西伯利亞及加拿大北部森林同時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的土壤水分虧缺，7至8月累計(jì)水分虧缺量均超過(guò)了20毫米，這在2000年以來(lái)是第一次出現(xiàn)。
在北極加速變暖，即北極放大效應(yīng)下，未來(lái)北半球高緯度地區(qū)高溫?zé)崂撕透珊悼赡軙?huì)更頻繁發(fā)生，類(lèi)似2021年的極端野火發(fā)生的頻率和強(qiáng)度可能持續(xù)增加，釋放的二氧化碳排放則將進(jìn)一步推動(dòng)全球變暖，形成氣候變暖-野火排放之間的正反饋。北極變暖趨勢(shì)增加了森林生物量并加劇了土壤水分虧缺程度，伴隨著蒸散發(fā)增強(qiáng)、空氣濕度增大與北極地區(qū)雷暴增多，極端野火發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)上升。在極端野火發(fā)生后土壤微生物群落和植被的恢復(fù)與重建緩慢，碳匯功能削弱，野火燃燒釋放的大量碳推高大氣中二氧化碳的濃度，促進(jìn)全球變暖，極端野火發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。
圖3.北美及歐亞大陸北方森林區(qū)域野火CO2排放及與土壤水分虧缺的關(guān)聯(lián)分析
研究建議，未來(lái)應(yīng)當(dāng)加大對(duì)全球變暖背景下北方森林野火發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)及生態(tài)環(huán)境影響的關(guān)注，建立野火排放動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估系統(tǒng)，預(yù)報(bào)野火發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)警野火污染危害、監(jiān)測(cè)野火排放通量、評(píng)估火后生態(tài)恢復(fù)與重建，為制定科學(xué)有效的野火管理與調(diào)控政策提供支撐。
鄭博帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)自2018年起著手研發(fā)基于衛(wèi)星遙感的全球野火排放監(jiān)測(cè)與反演技術(shù)方法，歷經(jīng)五年時(shí)間持續(xù)改進(jìn)提升數(shù)據(jù)精度與準(zhǔn)確性。團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的全球野火二氧化碳排放近實(shí)時(shí)量化追蹤系統(tǒng)可作為野火排放動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估系統(tǒng)的重要模塊，動(dòng)態(tài)評(píng)估野火對(duì)大氣環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)與地球氣候的影響。隨著衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，這一系統(tǒng)未來(lái)將進(jìn)一步完善。
上述成果以“北方野火CO2排放2021年創(chuàng)歷史新高”（Record-high CO2 emissions from boreal fires in 2021）為題，以研究論文（Research Article）形式發(fā)表在《科學(xué)》（Science）期刊上。
深圳國(guó)際研究生院鄭博助理教授為論文第一作者，地學(xué)系張強(qiáng)教授和鄭博為論文共同通訊作者。論文作者還包括中國(guó)科學(xué)院外籍院士、清華大學(xué)杰出訪(fǎng)問(wèn)教授、法國(guó)環(huán)境與氣候科學(xué)實(shí)驗(yàn)室菲利普·西亞斯（Philippe Ciais）研究員，中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院賀克斌教授，來(lái)自清華大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的多名國(guó)內(nèi)合作者，以及來(lái)自德國(guó)、澳大利亞、美國(guó)、荷蘭、西班牙等國(guó)的十余名海外合作者。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0805
供稿：地學(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
