未来，北半球碳汇的“命运”将何去何从？这恰到好处地描绘出了大多数人对植物的态度。植物看上去好像太“无聊”了，这很容易让我们忽略，它其实是一股静默的巨大力量，藏匿在众目睽睽之下，塑造了这颗星球以及这里几乎所有生命。在著名植物学家戴维·比尔林眼中，植物是地球改造的积极参与者，而非单纯的见证者。
他在《植物知道地球的奥秘》中写道，在地球生命史中，植物一直是活跃的组成部分，它们操控着二氧化碳和水循环，调节着大气的化学成分，影响着景观对阳光的吸收和反射。与它们在过去所做的一样，如今，在全球变暖的环境大戏中，植物依旧扮演着不可忽视的重要角色，甚至改变着历史的进程。全球变暖如何影响植物生长，植物反过来如何应对环境的变化，一直是全球变化领域的前沿问题。
这也是中国科学院院士、北京大学城市与环境学院教授、2020年“科学探索奖”获奖人朴世龙及其团队在关注且深入探索的问题。聚焦该问题，朴世龙团队以“检测变化—探索机制—预估未来”为研究主线，历经十余载，系统揭示了1980年代以来全球植被生长整体趋好的观测事实，深入探索了该现象背后的机制。
在此基础上，在一项近日发表于Nature Climate Change的新研究中，朴世龙团队揭示了未来的升温对北半球陆地植被生产力作用的变化规律。这项成果也为将来更准确地估计陆地生态系统的功能变化提供了更多理论依据。北半球的巨大碳汇植物最神奇的“魔法”来自叶片这种非凡的结构。
它保证了植物能够进行光合作用，简单来说，就是让它们“吃下”大气中的二氧化碳，利用光能合成自身所需的有机物质——不仅可以自给自足，还让它们成为生物圈不可或缺的“地基”。这个过程同样悄然改变着地球的大气环境。目前，人类活动排放的二氧化碳，有一部分会被留在大气中，导致大气中二氧化碳浓度无可避免地升高，其余部分则主要被海洋和陆地生态系统吸收。
据估计，陆地生态系统可以吸收约三分之一的人为二氧化碳排放，其中的大部分归功于北半球热带以外地区（＞23.5°N）的植被。这些地区的植物将大气中的二氧化碳“固定”了下来，变成有机物质，想象这里就是一处巨大的“碳贮藏库”。在地球科学中，这个过程也被称为陆地生态系统碳汇。简单理解，就是植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并将其固定在植被和土壤中，从而减少温室气体在大气中的浓度。
我们可以把陆地生态系统碳汇想象成一块“天然海绵”，专门吸收大气中的二氧化碳。我们都知道，二氧化碳这类气体也被称作温室气体，换句话说，它保温效果极好。如果大气中二氧化碳浓度过高，地球的温度也会因此升高，对全球环境造成威胁。因此，陆地生态系统碳汇能力尤为重要，它在一定程度上能够降低大气二氧化碳的浓度，减缓着全球变暖的步伐。
但有意思的是，朴世龙团队注意到，这块“天然海绵”在过去几十年间的吸收能力正与日俱增。虽然乍一看有些不可思议，但有趣的是，这恰恰也是变暖和大气二氧化碳浓度升高的结果。在温度和二氧化碳的“双重攻势”下，北半球大部分地区植物吸收二氧化碳、合成有机物的能力在这种情况下不降反升，因此出现了科学家口中植物“总初级生产力”（Gross Primary Productivity, GPP）的提高。
但就像海绵吸水也有饱和的时候，植物合成、固碳能力也有其上限。科学家清楚地意识到，随着温度持续攀升，在最终超出最适温度范围后，GPP也将随之开始下降。换句话说，升温对GPP的促进作用不会永无止尽，它在未来终将迎来一个由正到负的逆转。但这种促进作用究竟会持续多久，逆转的那一天何时会到来？这就是朴院士和团队在新研究中想要回答的问题。
由正转负的长期趋势在气候变化的研究中，最常用的办法之一是借助模拟，也就是在计算机中重建出“数字地球”，它就像一台“时光机”，在时间轴的各个位置展现出地球的变化。在这项新研究中，朴世龙团队利用多个地球系统模型的模拟结果，试图找出北半球夏季GPP与温度之间的联系（相关性）。
之所以选择夏季，是因为这是北半球植被光合作用最旺盛的时候，高温和水分亏缺也最有可能对植物产生直接的抑制作用，可以说，夏季是最具代表性的季节。计算机模拟主要考虑了两种未来情景，可以把它们简单归类成“中等严重”和“非常严重”两种情况。在“中等”情况下，大气二氧化碳浓度和温度“中度”升高，到2100年前高于工业化前的基准水平约2-3℃（用更专业的术语来说就是SSP2-4.5）。
另一种则代表了更明显的升温，在本世纪末温度升高超过4℃的高排放情景（SSP5-8.5）。模拟显示，无论哪种情景下，在北半球，升温对GPP的促进作用都在持续变弱。到本世纪末，在北半球大部分地区，升温都将对GPP产生抑制作用。也就是说，持续的变暖降低了植被生产力，并最终会给全球陆地碳汇带来负面影响。模拟展示了21世纪GPP与温度间的相关性的变化。
可以看出，无论在哪种情景下（图a为SPP2-4.5，b为SSP5-8.5），北半球升温对GPP的促进作用都在持续减弱（图中暖色）。尤其在纬度相对较低的北温带的大部分地区（＜60°N），最迟在21世纪70年代左右，升温对GPP的影响就将由正转负。然而在部分中低纬度地区，这种转变可能在本世纪上半叶就会到来。在北半球纬度相对较低的地区，在21世纪70年代左右，升温对GPP的影响将由正转负。
一些不容忽视的细节朴世龙团队还注意到，GPP与温度相关性由正到负的拐点温度，实际上高于本世纪初植被光合的最适宜温度。可以这么理解，植物展现出了一种微妙的“延迟反应”，在温度实际上已经超过生长的最佳阈值后，这个拐点才会到来。从某种意义上来说，这也展现出了植物适应环境的能力，因为它的“潜台词”其实是，这些地区的植被生长对未来的升温仍然具有一定的适应性。
但是，它们的适应速度仍旧赶不上升温的速度，因此并不足以扭转长期趋势。除此之外，和大多数地区相比，模拟中还出现了一些“例外情况”格外引人注目。比如，在北极圈附近的高纬度地区，还有高海拔的青藏高原，即使到本世纪末，植物生产力仍会随着升温不断增长，而不会迎来拐点。模拟显示，在泛北极地区和青藏高原，GPP与温度相关性的拐点在本世纪内不会出现。但如果我们仔细思考，会发现情况依旧不容乐观。
植物的生产力（GPP）仅仅是衡量生态系统的指标之一，而这些地区往往存在着无可替代的寒冷生境和独特的生态环境，升温意味着无法逆转的物种演替、植被改变和生物群落的转变。这些都是隐藏在背后“看不见的问题”。此外，升温也会导致生态系统呼吸的进一步增加，因此，更高的GPP甚至未必意味着更多的二氧化碳吸收。或许还有一个更深层次的问题是，我们对这些寒冷地区的了解仍相对浅薄。
举个最简单的例子，永久冻土是北极和高山生态系统的代表特征之一。这种土壤原本常年保持着0℃以下的冻结状态，升温无疑将给它们带来最直接的冲击。然而目前，很多模型还没有将永久冻土退化有关的生态动态纳入模拟，这难免影响模型的输出结果。
北半球碳汇的未来在同一期Nature Climate Change的“新闻与评论”栏目中，气候变化专家亚历山大·科赫写到，这项研究第一次向我们直白地说明，“如果我们无法将地球升温控制在2℃以内，北半球碳汇的‘命运’将何去何从”。地球历史曾给我们上过严肃的一课：引发全球变暖，实际上也是将一种不稳定的反馈引入了地球系统，而这甚至有可能将我们推向一个加剧变暖的世界。
显然，我们需要制定适应和缓解的策略，尽量减少未来由持续变暖引发的对生态系统功能的负面影响。