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符淙斌和郭維棟團隊對我國大型生態工程的區域氣候效應研究取得系列進

2019-11-06

    為了解決日益突出的生態和環境問題,我國自20世紀80年代以來開展了一系列大型生態工程建設,包括“三北防護林”和“退耕還林”等工程。大規模的植樹造林可以通過生物物理過程改變地表能量和水分循環,從而對局地和區域氣候產生顯著的影響,深入理解該過程可以為我國的生態工程建設提供科學支撐。近期,我校大氣科學學院符淙斌和郭維棟團隊針對上述科學問題,在我國生態工程的區域氣候效應研究方面取得一系列科研進展。

    植樹造林可以通過降低地表反照率產生增溫效應(輻射效應),也可以通過增加地表蒸散發產生降溫效應(非輻射效應)。團隊基于衛星觀測數據,利用“Trading space for time”(時空置換)和“Intrinsic Biophysical Mechanism”(內在生物物理機制)方法,定量地分析了中國區域植樹造林的輻射和非輻射效應的相對貢獻。研究表明,中國區域植樹造林的輻射效應為0.23oC,非輻射效應為-0.74oC,非輻射效應解釋了79%的局地溫度變化。研究還表明,非輻射效應依賴于植樹造林的方案。其中,將草地或者雨養農田變成常綠型森林可以產生較大的降溫效應,而將灌溉農田變成落葉闊葉林反而會產生增溫效應(圖1)。該工作以“The non-radiative effect dominates local surface temperature change caused by afforestation in China”為題,發表在美國氣象學會(AMS)的著名期刊《Journal of Climate》上。


圖1 觀測得到的地表溫度變化(△Ts,obs;單位:oC)、計算得到的地表溫度變化(△Ts,cal;單位:oC)、與反照率變化有關的地表溫度變化(△Ts,α;單位:oC)、與能量再分配因子變化有關的地表溫度變化(△Ts,f;單位:oC)以及與土壤和生物質儲存能量變化有關的地表溫度變化(△Ts,G;單位:oC),均為森林減去空地。每一個子圖表示一種造林方案對應的地表溫度變化。第1、2和3列分別表示空地變成常綠針葉林(ENF)、落葉闊葉林(DBF)和常綠闊葉林(EBF)對應的地表溫度變化;第1、2和3行分別表示草地(GRA)、灌溉農田(IRC)和雨養農田(RFC)變成森林對應的地表溫度變化。
黃土高原地區“退耕還林”對水循環的影響及其可持續問題多年來一直備受爭議。團隊利用Weather Research and Forecasting(WRF)模式開展了高分辨率、多成員的模擬,系統地評估了大規模綠化對黃土高原水循環的影響。研究表明,自“退耕還林”實施以來,黃土高原植被恢復使地表蒸散發增大,導致徑流和土壤濕度減小(圖2)。繼續在黃土高原實施“退耕還林”會造成更大的地表蒸散發,從而導致徑流和土壤濕度進一步減小。雖然黃土高原大規模綠化可以顯著改變地表蒸散發,但是對降水幾乎沒有影響。考慮到農業和生活用水的安全,并且無法從降水中得到任何有效的補償,加之全球氣候變暖引起的干旱化影響,繼續在黃土高原實施“退耕還林”可能是不可持續的。該工作以“Impact of revegetation of the Loess Plateau of China on the regional growing season water balance”為題,發表在歐洲地球科學聯合會(EGU)的著名期刊《Hydrology and Earth System Sciences》上。以上研究結果也得到國內其他研究團隊從大范圍野外實地調研中發現的北方旱區,不合理造林導致徑流減少,氣候干旱事件加劇大范圍森林衰退的事實所支持。近日,符淙斌院士接受了Nature新聞記者的采訪,在談到黃土高原“退耕還林”的問題時,他強調雖然數值模式的結果表明黃土高原“退耕還林”可能會對水循環產生負面影響,但是我國的生態工程建設是百年大計,其對生態、環境和氣候的影響是長遠的,目前對生態工程建設的氣候環境效應尚需進一步深入地研究。該工作已被近日出版的Nature頭條新聞“China’s tree-planting drive could falter in a warming world”引用和評述。
圖2 6-9月平均蒸散發(ET;單位:mm·day-1)、降水(RAIN;單位:mm·day-1)、地表徑流(SFROFF;單位:mm·day-1)、地下徑流(UDROFF;單位:mm·day-1)、第1層土壤濕度(SMOIS1;0-10cm;單位:m3·m-3)、第2層土壤濕度(SMOIS2;10-40cm;單位:m3·m-3)、第3層土壤濕度(SMOIS3;40-100cm;單位:m3·m-3)和第4層土壤濕度(SMOIS4;100-200cm;單位:m3·m-3)變化的盒須圖。a和b:“退耕還林”實施以來的變化;c和d:繼續實施“退耕還林”后的變化。a和c:南黃土高原(SLP)的區域平均值;b和d:東黃土高原(ELP)的區域平均值。第1行和第2行數字分別表示20年平均的絕對變化和相對變化。
上述系列工作是由南京大學符淙斌院士和郭維棟教授團隊與澳大利亞新南威爾士大學Andrew Pitman教授團隊合作完成。論文第一作者為大氣科學學院博士研究生葛駿,第一單位均為南京大學。該系列工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、江蘇省氣候變化協同創新中心、澳大利亞研究委員會極端氣候卓越研究中心和國家留學基金委的共同資助。 參考文獻: Ge, J., Guo, W. D., Pitman, A. J., De Kauwe, M. G., Chen, X. L. and Fu, C. B. (2019). The non-radiative effect dominates local surface temperature change caused by afforestation in China. Journal of Climate, 32(14), 4445-4471. Doi:10.1175/JCLI-D-18-0772.1 Ge, J., Pitman, A. J., Guo, W. D., Zan, B. L. and Fu, C. B. (2019). Impact of revegetation of the Loess Plateau of China on the regional growing season water balance. Hydrology and Earth System Sciences Discussion. Doi:10.5194/hess-2019-397 Ge, J., Pitman, A. J., Guo, W. D., Wang, S. Y. and Fu, C. B. (2019). Do uncertainties in the reconstruction of land cover affect the simulation of air temperature and rainfall in the CORDEX region of East Asia? Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 124(7), 3647-3670. Doi:10.1029/2018JD029945 Zastrow, M. (2019). China’s tree-planting drive could falter in a warming world. Nature, 573(7775), 474-475. Doi:10.1038/d41586-019-02789-w

來源:南京大學 新聞網

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