气候变化与土地特别报告 | 2/7陆气相互作用
推荐引言
土地是人类赖以生存的支柱，为我们提供了粮食、淡水、木材等产品及多种生态系统服务。据估计，2011年全球陆地生态系统服务的总价值约为75万亿美元，大致相当于全球年生产总值(2007年)。土地生态系统正遭受着气候变化及人类活动带来的前所未有的威胁，气候变化放大了人类活动给土地带来的压力。气候变化和土地系统相互作用，一方面全球气候变暖连同降水模式的变化（旱涝变化）改变了生长季节的开始和结束，导致区域作物产量下降、淡水供应减少、生物多样性丧失，加剧社会的脆弱性，特别是在经济发展高度依赖自然资源的地区；另一方面陆地生态系统不但具有巨大的碳库，也是重要的碳汇，土地利用方式的变化影响着温室气体的排放，从而影响着气候变化，因此应对气候变化和解决土地利用问题具有协同效应。
2019 年 8 月，IPCC第50届全会审议批准了关于气候变化与土地有关的评估报告，即《气候变化与土地：IPCC关于气候变化、荒漠化、土地退化、可持续土地管理、粮食安全及陆地生态系统温室气体通量的特别报告》，简称《气候变化与土地特别报》。报告由来自于全世界52个国家的107名科学家共同合作完成，评估了7000多篇最近发表的相关研究论文，回应或采纳了28275条专家和政府的评审意见。报告综合评估气候变化对土地的影响以及土地利用变化对气候系统的反馈作用，预估土地和粮食系统面临的未来风险，给出有助于应对气候变化、荒漠化、土地退化、减少粮食系统脆弱性的可持续的土地管理措施。
《气候变化与土地特别报告》内容覆盖多个学科，是国际上首份涵盖了联合国气候变化公约、生物多样性公约和防治荒漠化公约任务的报告以及首份系统聚焦粮食系统的报告，反映了上至全球下至农户的信息，也为未来多个国际机构和国际计划的进一步合作奠定了基础。为了更好地向公众宣传这一重要研究成果，南京大学地理与海洋科学学院结合相关课程，组织部分本科生对这一报告进行了系统研读，现分7期，对报告主要内容进行介绍与分享，敬请关注。本次推送介绍了陆气相互作用的相关研究，以便读者快速了解报告的关注点。
1
陆气相互作用介绍
本章评估了关于气候与土地之间相互作用的文献，重点是自第五次评估报告以来发表的与陆气相互作用的相关研究。本章分为6部分，包括气候多变性和气候变化对土地的影响、陆地温室气体通量的历史和未来变化、土地短期气候推进因素（SLCF）的排放和影响、土地生物物理过程和温室气体效应对气候和天气的影响、应对政策对于气候的影响，以及植被与土壤过程对气候变化的响应。
图1 土地-气候相互作用的基本过程
陆地通过温室气体(如CO2、CH4、N2O)、水、能量或“短期气候推进因素”（如生物挥发性有机化合物，粉尘，黑碳）等的交换，不断与大气进行相互作用。陆地生物圈通过能量、物质的交换过程与海洋相互作用（如淡水、营养物质的流入等），影响作物灌溉、热浪频率和强度，以及空气质量等。它们受到全球和区域气候变化、年代际气候变化、年际气候变化和季节性气候变化、极端天气，以及人类活动的影响，又反作用于大气温度、地表温度和水文循环，从而影响当地、区域和全球气候。
2
气候多变性和气候变化对土地的影响
2.1 全球陆地表面空气温度的变化
根据现有四个数据集的观察，从工业化前期（1850-1900年)到今天(1999-2018年），LSAT（陆地表面空气温度）增加了1.44°C，而同一时期的GMST（全球平均表面温度）增长为0.87°C。LSAT的增长速度高于GMST的主要原因是地球表面大约三分之二是海洋，而陆地的变暖速率较海洋高约60%。
图2 陆地表面空气温度(LSAT)和全球平均表面温度(GMST)的演变
2.2 气候驱动的荒漠化
荒漠化受人类活动和气候变化共同影响。有研究显示，干旱地区的变暖趋势是全球平均水平的两倍。由于干旱频率增加，将导致植物生长季节土壤水分供应减少，一些温带旱地将转变为亚热带旱地
2.3 气候变化对粮食安全的影响
与粮食安全和粮食系统有关的气候变量主要是温度和降水量，也包括其他变量（如太阳辐射、风、湿度等)，这些指标综合作用产生的极端天气和气候事件（如风暴潮）将共同影响粮食安全。预计气候变化将对粮食安全的各个方面（粮食供应、获取、利用和稳定）产生影响。
2.4 气候驱动的陆地生态系统变化
（1）全球变暖导致陆地生态系统和土地利用进程受到超出自然变化范围的干扰，改变其结构，组成和功能。
（2）植被光合活动在全球范围内有所增加，主要通过叶面积指数(LAI) 和归一化差异植被指数(NDVI)表现。主要原因包括直接因素（即人类土地利用管理），和间接因素（如二氧化碳施肥、气候变化和氮沉积等）。
（3）由于温度升高和大气CO2浓度升高，高纬度地区植被生长季节发生延长，发芽长叶时间提前。
2.5 极端气候对土地利用的影响
（1）极端温度、热浪和干旱
热浪，是指天气持续保持过度的炎热，也有可能伴随极高的湿度。部分预测表明，全球范围内，50%~80%的土地将经历比历史记录更强烈的极端热浪，大多数陆地区域的寒冷白天和夜晚数量将减少，温暖白天和异常炎热的夜晚数量将增加。干旱，是指淡水总量少，难以满足人类生存和经济发展的气候现象，一般为长期现象，具有周期性。
极端炎热的夜晚、极高的日间温度、热浪和干旱将损害作物生产，导致树木光合作用降低、光氧化胁迫增强、叶片脱落、生态系统碳固减少、生态系统健康退化且恢复力丧失。气候暖干化也会引发其他自然灾害，如冬春季的干旱易引发森林火灾和草原火灾
（2）强降水
由于全球变暖，1981-2010年期间，全球破纪录降雨事件数量比自然变化情景的预测量增加12%，气候变暖将促进大气中水气蒸发，加速水文循环，引发区域极端降水事件。强降雨将导致地表洪水和土壤侵蚀增加，植物水分胁迫增加，降低水安全。全球变暖可能增强未来的洪水风险，对土地覆被生长产生威胁。
3
土地与大气间的温室气体通量
土地通量过程可分为三类：1)人为活动直接影响土地利用而引起；2)人为活动间接影响环境变化而引起；3)自然气候变异性和自然干扰而引起。2007-2016年期间，农业、林业和其他土地利用（AFOLU）产生的温室气体排放量约占全球人为温室气体排放量的23% ，其中来自农业的非CO2温室气体略超过一半。
表1 农业、林业和其他土地利用(AFOLU)和非AFOLU（2007-2016年平均）造成的人为净排放量
3.1 二氧化碳
（1）陆地和大气之间总净碳通量可分为直接人类活动引起的通量(即AFOLU)和间接人类活动及自然引起的通量(非AFOLU)。
（2）据估计，2007-2016年期间，CO2年均总净陆地通量为6.0±2.0 Gt。AFOLU年净排放量为5.2±2.6Gt CO2，约占人为CO2排放总量的13%，化石燃料的排放在CO2总排放量中占主导地位。
（3）土地是重要的碳汇。 自1900年以来，陆汇总体增加，2008-2017年，年均净汇为11.7±3.7Gt，吸收了29%的全球人为CO2排放量；自1982年以来，陆汇使全球陆地表面空气温度的上升幅度减缓了0.09±0.02°C。
（4）AFOLU净排放量是由直接的人为活动造成的，主要是热带森林砍伐、造林/再造林、森林管理（如伐木）和其他类型的人类活动（如泥炭地排水和燃烧）。
图3 2008-2017年土地二氧化碳净通量和总通量
注：左：陆地和大气之间CO2的总净通量（灰色）、净AFOLU排放量（蓝色)和净土地汇(棕色）。 中间：AFOLU的总排放量和清除量。右：陆地汇的总排放量和清除量。
表2 人类活动引起的全球碳循环扰动
如果CO2浓度在未来低排放或负排放情景下下降，全球土地汇和海洋汇将减弱，甚至逆转。海洋可能将一部分二氧化碳释放回大气，即全球碳循环的“反弹效应”，这将降低负排放的有效性，提高实现气候稳定目标所需的部署水平。
3.2 甲烷
（1）2017年，CH4全球平均大气浓度为1850±1ppbv。CH4大气浓度在 1980年代中期至1990年代初期稳步增长，直到1999年增长缓慢，1999-2006年期间保持平稳，随后在2007年恢复增长，大气中CH4有显著和持续的积累。
（2）CH4大气浓度的增加是主要原因是热原（化石燃料）CH4排放。有研究表明，湿地自然排放的变化造成了50%-100%的CH4年际变异性增长。
（2）大气中C13同位素比例与CH4的增长速率呈负相关。
图4 1985年以来全球平均大气CH4混合比(A)、瞬时变化率(B)和C13同位素比例(C)
图5 1990年以来农业CH4 平均排放量
CH4农业排放量主要来自动物肠道发酵和水稻，粪肥及废物焚烧的贡献量较小。水稻的排放量约占农业排放量的24%，其中89%来自亚洲，亚洲水稻CH4排放量每年增加0.9%，增长趋势预计持续到2030年。
3.3 一氧化二氮
（1）自1750年以来，N2O的大气浓度有所增加，从工业化前的270ppbv增加到2017年的330ppbv。
（2）2001-2015年，N2O的大气浓度增长率从0.15ppbv yr-1增加到0.85ppbv yr-1。
（3）陆源是N2O增长趋势的主要驱动因素，约占75%。微生物反硝化和硝化过程造成的N2O排放占全球N2O排放总量的80%以上，包括天然土壤、农业和海洋；N2O其余排放量来自非生物，如生物质燃烧和化石燃料燃烧。
图6 自1984年以来全球平均大气N2O混合比。
图7 自1990年农业平均N2O的排放量估计
4
土地SLCFs的排放和影响
虽然温室气体浓度上升是人为气候变化的最大驱动因素，但短期气候推进因素（Short-Lived Climate Forcers，SLCFs）可以显著调节区域气候变化，主要通过改变辐射交换和水文循环来影响生态系统。本节评估三个主要的SLCF：矿物粉尘、碳质气溶胶和生物源挥发性有机物（BVOCs）。
4.1 矿物粉尘
粉尘指悬浮在空气中的固体微粒, 根据国际标准化组织的规定, 将粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘。
（1）过去气候变化对粉尘排放和反馈的影响
自19世纪末以来，粉尘排放量显著增加，从工业化前到现在增加了25%(从729Tg yr-1增长至912Tg yr-1)。约50%粉尘排放量增长由气候变化驱动的，约40%由土地利用/覆盖变化驱动的。
（2）粉尘排放的未来变化
目前关于未来粉尘排放量变化的方向没有一致意见。粉尘排放的未来趋势将取决于降水模式和大气环流的变化。
4.2 碳质气溶胶
碳质气溶胶是大气气溶胶粒子最丰富的成分之一，主要是由富含碳的物质不完全燃烧产生的。若不考虑碳酸盐，气溶胶中的碳质可分为有机碳（OC）和元素碳（EC）两大类。
一般而言，有机碳（OC）对气候的影响总体表现为变冷作用，EC可吸收红外和部分可见光波段的太阳辐射，使周围大气增温，表现为变暖作用，是全球大气系统中仅次于CO2的增温组分。但是，近年发现OC中的部分有色物质，即棕色碳（Brown Carbon, BrC），可在紫外-近可见光波段发生有效光吸收，引起大气增温。初步估算结果表明，人为气溶胶中的BrC可贡献高达19% 的能量吸收，大致相当于EC贡献的三分之一，BrC甚至有可能将气溶胶的冷却效应“翻转”为增温效应。
（1）过去气候变化对碳质气溶胶排放的影响
BC全球排放估计量为7.2-7.5~17.8±5.6Tg yr–1，其中东欧、东亚南部和东南亚的BC排放量要高得多，主要是因为该区域人为排放量较高。
（2）碳质气溶胶排放的未来变化
由于大气中的碳质气溶胶在大气中的寿命很短，大多数关于未来浓度水平的研究都具有区域性，未来碳质气溶胶排放的变化趋势主要取决于人类活动的变化。
4.3 生物源挥发性有机化合物（BVOCs）
BVOCs 是植物通过体内的次生代谢途径合成的小分子化合物，具有较强的生物化学活性，主要来源于陆地植被尤其是森林的释放。
（1） BVOCs的对气候变化的影响
BVOCs 释放量大且反应活性高，可以改变大气的气体组成，影响城市大气环境。首先，某些 BVOCs 为一次污染物，会直接污染环境，危害人体健康。此外，BVOCs 进入到大气中还会产生二次污染物，间接影响环境和人体健康。一方面，城市区域氮氧化物（NOx）含量较高，光照条件下 BVOCs 与 NOx 通过一系列反应，在对流层产生大量的臭氧。另一方面，BVOCs 经大气氧化和气-粒分配等过程生成二次有机气溶胶（Secondary organic aerosol，SOA）悬浮于大气中，对灰霾的形成影响重大。
（2）BVOCs的未来变化
研究发现，BVOCs的排放主要受生物自身生长状况、温度、光照以及相对湿度的影响。全球变暖将通过改变产生BVOC的物种组成和产量来改变BVOCs的排放。全球平均温度每升高 2°C-3°C将导致BVOCs全球排放量增加30-45%。受全球变暖影响，BVOCs的排放量预计会增加，增加的幅度将取决于未来土地利用及气候的变化。
5
土地通过生物物理过程与温室气体
效应对气候和天气的影响
本节评估了历史和未来人类活动造成的土地覆盖变化、特定土地用途变化的影响，给出土地覆盖变化对气候变化的反馈作用扩大。
5.1 历史时期
人为土地覆盖变化对全球尺度气候的影响有正有负。引起地球降温的因素主要包括地表反照率增加、蒸散量减少、对流层吸收的地表长波辐射减少等；引起地球升温的因素主要是大气CO2含量增加。在区域尺度，表现出明显的地域分异规律，总体上，陆地变暖>海洋变暖，北半球高纬度地区变暖>热带和赤道地区变暖。
七个气候模式模拟结果表明：地球上各个地区的土地覆盖变化会产生跨区域的影响，历史时期北美与欧亚大陆土地覆盖变化导致的降温抑制了工业化。区域尺度的季节性气候迹象和强度与土壤湿度、蒸散量、降雪等有很大关系，历史时期人为土地覆盖变化使得热带和温带地区冬季的大气环流显著增强。在对极端气候的影响上，土地覆盖变化会改变极端事件的频率与强度，研究表明，历史上森林砍伐增加了北半球中纬度地区的极端高温，这是因为树木在调节气候方面有重要作用，它们能减小所有纬度的季节性与昼夜温度变化的幅度，尤其是在温带地区，并且可以局部减弱极端温度的幅度，阔叶林的效果比针叶林更显著。
表3 历史时期人为土地覆盖变化导致的全球年平均地表气温变化
5.2 未来人为土地覆盖变化对气候和天气的影响
土地覆盖变化仍然是未来气候预测的不确定因素，其对全球性和区域性气候的影响尚无一致性结论，模型模拟的结果有变冷也有变暖，学者们尚未对土地覆盖变化跨区域的贡献达成共识，对气候的研究较多偏向对地表温度的研究。
5.3 特定土地用途变化的影响
在特定土地用途变化中，着重讨论造林/毁林以及农田管理对气候变化的影响。
造林/毁林对气候的影响有正有负，也因区域而异：对温度的影响上，在热带地区，森林砍伐造成CO2净释放，带来的温室效应增温大于地表反照率增加的降温，总体呈现增温。在温带地区，森林砍伐会导致夏季变暖（低矮植被热通量交换与蒸散效率均低于冠层，从表面带走的能量减少），冬季降温（地表反照率增加）。在极地地区，森林砍伐减少CO2存储量，造成的生物地球化学升温（+11℃±0.09℃），同时海冰范围扩大增加反照率引起的生物物理降温（-0.55℃±0.29℃），但在夏季，森林砍伐减少了蒸散量，超过了反照率增加的作用，使得极地地区夏季明显变暖。
在对降水的影响上，大规模的森林砍伐会导致平均降雨量显著减少，大规模的造林则会增加热带降雨，但森林变化对降水变化幅度的影响很大程度上取决于土地覆被转化的类型，如由森林转化为裸地>由森林转化为牧场。在对大气环流的影响方面，森林砍伐区域与邻近区域之间的热梯度变化会影响水平地面风，从而改变降雨区域；森林砍伐也会改变下垫面性质而增加陆海反差；另外有研究表明，森林砍伐减少的表面摩擦增加了非洲与南美的季风流量。除在缺水的温带地区，造林后蒸腾作用增加的降温作用小于地表反照率下降的升温作用，总体利于地表变暖。在湿润的地区，造林可以使夏天凉爽，这是由于由充足的水分供植物进行蒸腾作用，但降温的幅度取决于区域湿度与转化的原始物种与目标物种。造林可以降低昼夜温差，减少极端气温引起的干旱天数，但增加了极端降水事件的次数。
农田土地管理主要包括灌溉与改变农田反照率。灌溉可以增加总蒸散量及大气中水蒸气含量，降低灌溉区域内灌溉期间的白天平均地表温度，但对夜间温度的贡献不大，甚至会通过增加温室效应升高夜间温度。提高农田的反照率能局部性、季节性地降低地表温度，主要有以下措施：选择更明亮的作物、放弃耕作、在土壤颜色比植被深的区域轮作、使用温室和大棚等。
5.4 通过土地反馈作用扩大/减缓气候变化
土地-气候的相互作用复杂，土地变化可以通过许多因素和过程影响气候变化，气候变化也能对土地产生影响。
图8 （a）亚马逊（蓝色）和（b）北方地区（灰色）的全球变暖对区域气候变化的反馈过程示意图
图9 土地过程对温室气体引起的气候变化的作用示意图（棕色为全球，蓝色为区域尺度）
气候变化与城市化
影响：
a)城市化过程中不透水面扩张增加了地表径流，封闭了地表下的土壤，使其保水能力降低，从而使得城市洪灾增加；
b)植被土地向建设用地转化，改变了土壤有机碳（SOC）的存量与稳定性；
c)污染、热量增加、缺水影响植物的生长与生存；
d)城市空气污染威胁人类健康。
对策：
a）城市绿色基础设施（UGI）可以直接通过碳固存缓解气候变化，降低气温改善人类健康与舒适感，使用绿色屋顶和墙壁能减少建筑物能源需求，还能减少地表径流与洪水风险。其中，都市农业作为UGI的一个方面，具有后院园艺、屋顶/阳台植物、城市边缘农业等多种形式，可以在满足城市粮食需求的同时减轻农村土地退化压力。
b)消费当地生产的食物、提高食品加工效率与运输效率，减少粮食损失与碳排放。但城市农业的产品可能会携带病原体或受到土壤和空气污染的威胁。
6
应对方案对气候变化的影响
农田土地管理主要通过减少生产过程中的甲烷排放量来影响气候变化，可以采取的措施及其效果如下图所示。
图10 农田土地管理方式及其影响示意图
森林土地管理则通过下图所示的方式影响碳排放量进而影响气候，其生物物理效应对气候的影响因活动的地点与规模而异，在热带地区森林管理能减缓气候变暖，而北半球高纬度地区则会促进气候变暖。
图11 森林土地管理方式及其影响示意图
土壤土地管理对气候变化的影响仍然具有很多不确定性，土壤土地管理的方式包括侵蚀管理、碳管理、土壤与N2O的相互作用以及在耕作土壤中施用生物炭、研磨岩石材料促进土壤中碳酸钙形成，以矿化有机碳等。其他生态系统中的土地管理主要是通过提高“蓝碳”储量来影响气候变化，包括保护和恢复湿地、泥炭地、沿海栖息地等。
对于食品部门的需求管理，降低排放密集型食品（如牛肉）的需求，可以减少0.7-8.0Gt CO2当量每年。减少肉类消耗、废弃物排放、减少水资源利用以及用于种植饲料的土地可以缓解土壤退化与森林压力；消费本地生产的食物有助于缩短供应链，减少碳损失。
7
土地-气候相互作用的基础：
植物与土壤过程
植物和土壤微生物的热适应反应以及植物-土壤间的相互作用引起的延迟反应使得无法简单地通过瞬时响应函数来模拟生态系统净生产对气候变化的响应。驯化会导致植物呼吸对温度升高的敏感性降低，从而缓解了与气候相关的呼吸碳排放的增加；适应气候变暖也会使得光合与生长的最佳温度升高，对二氧化碳的固定作用也会被削弱。植物封闭气孔，牺牲光合作用产量但提高了干旱条件的生存能力，没有封闭气孔的则以增加干旱死亡率为代价避免了光合作用的丧失。
土壤微生物和植物对土壤养分动态与CO2升高的响应仍然具有很多不确定性，主要是土壤微生物过程的复杂性所导致的。在土壤有机碳对气候变化的响应中，着重强调了气候变化使土壤有机碳释放，多年冻土中的土壤碳含量是陆地植被碳储量的4-8倍，深层土壤中也含有许多古老的有机碳，但由于微生物分解以及有机碳与矿物颗粒的相互作用，土壤有机碳循环对气候变化的响应同样具有很多不确定性。