植物也有生产力?

作者: 周春江

来源: 中科院之声

发布日期: 2020-04-20 07:30:00

本文探讨了植物的初级生产力及其在全球碳循环中的作用,分析了全球NPP的时空变化及其与气候的关系,并讨论了植物固碳在应对全球变暖中的潜力。

说起生产力,大家的第一反应是什么?工人?工厂?还是那句有名的“科学技术是第一生产力”?但是你知道吗,植物也有初级生产力,这是怎么回事呢?

植物的初级生产力就是指固碳的能力。绿色植物通过光合作用将空气中的CO2转化为葡萄糖,进一步转化成为植物体的碳化合物。化合物经过食物链的传递,进入动物体内。植物和动物进行呼吸作用把体内的一部分碳以CO2形式释放回大气,另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。动、植物死后,微生物将尸体分解将碳排入大气。大气中的CO2这样循环一次约需20年。

总初级生产力(Gross Primary Production, GPP)是指单位时间内生物(主要是绿色植物)通过光合作用途径所固定的有机碳量,又称总第一性生产力。GPP决定了进入陆地生态系统的初始物质和能量。净初级生产力(Net Primary Production, NPP)则表示植被所固定的有机碳中扣除本身呼吸消耗的部分,这一部分用于植被的生长和生殖(也称净第一性生产力)。

两者的关系为:NPP= GPP-Ra(Ra:为自养生物本身呼吸消耗)。

植物固碳影响到整个生物圈中的碳循环,包括对大气中CO2浓度的调节。自工业革命以来,大气中CO2浓度显著增加,化石燃料的大规模使用、土地利用变化等人类活动是导致温室气体浓度增加的主要原因,由此而来的全球变暖也给人类自己带来了诸如海平面上升、极端高温灾害、旱涝频发等诸多气候变化危机。

于是在2015年巴黎北郊举办的气候变化大会上,世界各国决定一起商议应对危机的办法,最终近200个缔约方一致同意通过作为大会成果的《巴黎协定》。各国在协定中一致承诺:把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2摄氏度之内,并为把升温控制在1.5摄氏度之内而努力。全球将尽快实现温室气体排放达峰,本世纪下半叶实现温室气体净零排放。

然而理想总是很丰满,现实总是很骨感。

如果想要达到《协定》中的目标,现在我们的年度碳减排量要达到7.6%,已是世界减排承诺总量的5倍。如果从2010年开始采取有效措施,全球CO2排放量只需逐年减少3.3%左右,即可实现将全球增温幅度控制在1.5℃的目标。如果从2020年开始采取有效措施,每年碳排放量需要减少7.6%,才可实现将全球增温幅度控制在1.5℃的目标。

如果拖延到2025年其采取有效措施,则必须逐年减少15.4%才能实现将全球增温幅度控制在1.5℃的目标。

研究人员在研究全球植被净第一性生产力变化过程中发现,年际NPP与大气中CO2浓度呈现明显负相关关系,表明NPP在降低大气CO2中扮演重要作用。由于NPP在调节全球气候变化、影响全球碳通量中扮演着重要角色,国际生物圈计划、世界气候研究计划等许多国际研究计划均将其作为核心研究内容。

中科院大气物理研究所丹利研究员团队对全球1901~2005间长达一百年的NPP时空变化进行了研究,其研究结果对生态系统的质量状况和生产能力,生态系统的碳源/汇功能和评价陆地生态系统可持续发展的判定提供了借鉴。其结果发表在《气候与环境研究》期刊。他们利用6个地球系统模式模拟了NPP的时空变化,并结合气候因子分析了该变化与气温和降水的关系。

结果表明:(1)近百年来全球NPP呈现上升趋势,北半球的趋势比南半球明显。(2)近百年来每年每平方米800 g(C)以上的NPP高值区主要分布在南美洲赤道地区、非洲赤道地区、中南半岛和印度尼西亚一带的热带雨林区;低值区主要分布在北半球高纬度地区、非洲北部地区、亚洲大陆干旱半干旱区以及青藏高原西北部地区。

(3)在全球大部分地区,NPP与气温主要为正相关关系;仅在赤道附近的南美洲、非洲以及印度地区为负相关关系,这些地区主要是辐射限制了NPP。全球NPP与降水在大部分地区呈现正相关关系,在非洲北部到西亚中亚的干旱半干旱地区为负相关关系。

在变暖条件下,植被固碳增加可以减缓大气CO2浓度,减缓温室效应;相反,如果植被固碳减少,将给大气CO2浓度的增加提供更多的碳,形成正反馈,导致大气温度的加速上升。想要积极应对全球增暖,一方面要减少排放,另一方面要增加碳汇。而陆地生态系统就是一个非常强大的碳汇,因此对减缓全球变暖有着重要的积极意义。

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