造林氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)及其影響機(jī)理研究進(jìn)展

黃 麟

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

近40年,全球60%的土地覆蓋變化直接源于人類活動,農(nóng)業(yè)開墾、城鎮(zhèn)化導(dǎo)致森林破壞,而造林再造林使得森林面積凈增加約7%[1]。這些人類活動改變土地覆蓋狀況,改變二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、含氟化合物等長生命周期溫室氣體,硫酸鹽、硝酸鹽、聚甲醛(POM)、黑炭、臭氧(O3)等短生命周期大氣組分及其他空氣污染物的濃度,改變生物地球化學(xué)循環(huán)和生物物理過程,從而影響全球氣候變化[2]。樹木從生長到死亡,持續(xù)與大氣、土壤交換碳、氮、水分、光以及可以與氣候產(chǎn)生相互作用的各種化學(xué)物質(zhì)[3]。樹木通過光合作用吸收CO2,通過呼吸和分解作用釋放碳,吸收多則為匯、釋放多則為源。近幾十年來,造林成為地球變綠的主要因素之一,全球近20年新增綠化面積中,約25%源自中國的植被增加量,其中造林貢獻(xiàn)占植被增加量的42%[4]。截至2018年,中國人工林保有面積達(dá)0.69億hm2,居全球首位,占全國林地面積的36%,人工林成為凈碳匯[5]。

1 造林應(yīng)對氣候變化的急迫需求

溫室氣體“減源增匯”是緩解氣候變化最直接的手段[6],氣候變暖使得樹木生長速度加快,通過增強(qiáng)碳匯功能,減輕溫室效應(yīng),具有深遠(yuǎn)的政治、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)影響[7]。全球森林是一個巨大的碳匯[8],可減少三分之一CO2排放量,即2℃甚至更高目標(biāo)所需的減排力度[9]。全球中、高緯度新造林吸收的CO2超過了天然林,除了CO2增加引起的“肥料效應(yīng)”外,“幼齡效應(yīng)”貢獻(xiàn)了約25%[10-11]。因此,保留、恢復(fù)、新增和管理森林被認(rèn)為是減緩全球變暖、控制升溫目標(biāo)最有效、最安全、最具成本效益的一個解決方法[9,12-16],是聯(lián)合國生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)十年計(jì)劃(2021—2030年)中應(yīng)對氣候危機(jī)、供水和糧食安全以及生物多樣性保護(hù)的有效措施[17]。

據(jù)最新估計(jì),全球造林潛力巨大,可以支持9億hm2新造林并固定200億t碳,有望將大氣CO2濃度減少約25%[15]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)建議到2030年需要每年新增森林面積2400萬hm2以應(yīng)對全球變暖,特別是熱帶和亞熱帶地區(qū)[18]。由于碳排放控制的有限進(jìn)展,中國、美國、英國、歐盟、非洲、拉丁美洲等50多個國家和地區(qū)承諾并制定了森林恢復(fù)[3,16]或保護(hù)現(xiàn)有森林[1]等各種計(jì)劃應(yīng)對氣候變化。但是,“2030年全球恢復(fù)林地3.5億hm2”的“波恩挑戰(zhàn)”,43%國家僅承諾恢復(fù)半數(shù)可恢復(fù)的林地[15],并且以恢復(fù)單一樹種的經(jīng)濟(jì)林為主[18]。

然而,造林對于氣候變化的影響非常復(fù)雜且存在極大地不確定性[3],森林相關(guān)減緩措施的碳響應(yīng)尚不明確,從而引起了對于該策略有效性的質(zhì)疑和爭論[12]。因此,為了更加準(zhǔn)確、全面地認(rèn)識造林的氣候效應(yīng),當(dāng)務(wù)之急需要搞清楚并充分理解造林對氣候的影響是什么? 影響程度如何？不同區(qū)域造林對氣候影響的差異性？產(chǎn)生這種差異的機(jī)理是什么？不確定性及其產(chǎn)生原因是什么？通過調(diào)控造林活動能否有效減緩氣候變化？如何正確評估這種調(diào)控行為？回答好這些問題,對于科學(xué)規(guī)劃我國乃至全球未來造林活動具有重要且急迫的科學(xué)與現(xiàn)實(shí)意義。

2 造林的氣候效應(yīng)研究進(jìn)展

2.1 造林對林內(nèi)小氣候的影響研究

由于地形地勢、氣候背景、土壤理化、林分特征、保護(hù)及經(jīng)營措施等差異,森林的水分、氣體、熱量交換存在顯著地時空差異,從而影響林內(nèi)的光照、溫度、濕度、降水等小氣候因子。森林小氣候研究源于歐洲,在我國始于建國初[19],利用平行對比或垂直梯度開展林內(nèi)、外的太陽輻射、空氣/土壤溫濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)量、降水、CO2濃度等觀測[20- 22]。近幾十年,人工林小氣候特征、水熱交換、輻射能量平衡、降溫增濕、防風(fēng)固沙等成為以造林為主的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程生態(tài)效應(yīng)評估的研究熱點(diǎn)[23- 26]。一般而言,人工林可降低林內(nèi)氣溫和土壤溫度,但這種降溫存在區(qū)域、季節(jié)、晝夜差異[24]。因此,不同區(qū)域、林分類型、生長時期、演替階段的人工林,林內(nèi)水熱環(huán)境對氣候變化的響應(yīng)和反饋?zhàn)饔貌煌?混交林優(yōu)于純林,復(fù)層林優(yōu)于單層林,常綠林優(yōu)于落葉林,高郁閉度優(yōu)于低郁閉度,成熟期優(yōu)于建群期[24,27]。

熱帶、亞熱帶、溫帶濕潤區(qū)的人工林,林冠強(qiáng)烈吸收和反射太陽輻射,降低地面長波輻射和林內(nèi)光照強(qiáng)度[20,25,28],枝葉阻截、磨擦平流、亂流渦旋體削弱空氣熱量交換強(qiáng)度,使得林內(nèi)氣溫和土壤溫度降低、日較差縮小、溫度變幅減弱[20,28],由于林內(nèi)風(fēng)速及亂流交換減弱,蒸騰蒸發(fā)氣體可停滯在近地面層空氣中,使林內(nèi)空氣濕度和雨季土壤濕度增加[20,25,28]。與天然常綠闊葉林對比,人工林的降溫增濕效應(yīng)較弱,干季降溫明顯、濕季增濕明顯[24],不同樹種人工林的降溫保濕效應(yīng)亦有差異[23]。相反地,干旱半干旱區(qū)人工林的降溫、增濕、阻風(fēng)效應(yīng)受水分條件限制,荒漠草原地區(qū)營造片狀防護(hù)林使得白天凈輻射增大,地溫和氣溫升高,空氣相對濕度降低[29]。比如,塔里木盆地人工林引起地表反射率降低、凈輻射增加、潛熱通量占比增加、湍流交換減弱,具有白天升溫、夜間降溫作用,降溫效應(yīng)與樹種和覆蓋度關(guān)系密切[30- 31]。黑河流域中游干旱區(qū)的農(nóng)田防護(hù)林,夏季林內(nèi)氣溫比林外低,冬季林內(nèi)氣溫比林外高[32]。黃土高原混交、灌木、草地等不同退耕還林還草模式,夏季高溫天氣均可顯著削弱光照、降低風(fēng)速和局地范圍溫度、提高空氣相對濕度[33]。

2.2 造林對區(qū)域氣候的調(diào)節(jié)效應(yīng)研究

造林影響局地小氣候,進(jìn)而影響光合呼吸、植被生長、水分蒸騰、輻射能量平衡等生態(tài)過程,從而對區(qū)域氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響,特別是夏季最高氣溫及其日/年際變化[22,34]。一般認(rèn)為,造林使白天的地表溫度降低、夜間升高[5]。也有模擬試驗(yàn)認(rèn)為,造林的降溫作用被夸大,幾十年時間尺度可能降溫,但是更長時間來看則會使地球升溫[35]。造林在不同氣候帶、緯度、區(qū)域具有增溫或致冷效應(yīng)[36- 37]。熱帶森林極具致冷作用,其降溫效應(yīng)可能是目前估計(jì)的兩倍[35,38]。寒帶、高緯度地帶造林具有增溫作用[39],特別是積雪覆蓋時[40],或因水汽增加而增強(qiáng)溫室效應(yīng)時[41]。北中緯度地區(qū)大規(guī)模造林也使地表溫度提高[37]。溫帶造林可能引起降溫,也可能增溫,亦有研究認(rèn)為對溫度影響不大[36,38,42-43]。干旱區(qū)造林會導(dǎo)致凈增溫,因?yàn)榘滋斓慕禍乇灰归g的增溫所抵消[5,36]。

森林水平降水的生態(tài)意義更大,有研究表明林內(nèi)氣溫達(dá)20℃以上、相對濕度90%以上可能出現(xiàn)水平降水,以霧露水和葉尖吐水現(xiàn)象為主[28]。植被恢復(fù)導(dǎo)致晚春土壤水分虧缺、加劇夏季干旱[44],春季土壤水分損失越快,大氣濕度水平越高,有利于云的形成并增加降水[45]。熱帶造林增加降水的概率較高[46],撒哈拉和澳大利亞北部半干旱區(qū)造林也會使降水增強(qiáng)[47]。模擬試驗(yàn)得出大規(guī)模造林改變了全球環(huán)流和降水模式,大氣環(huán)流對地表水分的重新分配有助于增加下風(fēng)向區(qū)域的降水量[45],比如北中緯度地區(qū)大規(guī)模造林改變了亞馬遜等遠(yuǎn)離造林區(qū)域的降水量[37]。也有研究認(rèn)為,土壤水分不足導(dǎo)致水分蒸發(fā)減少,較低潛熱可能抑制云和降水[45]。此外,由于林層對氣流的阻擋和磨擦作用增強(qiáng),迫使氣流分散、消耗動能,降低水平風(fēng)速并削弱近地面空氣湍流交換,可使風(fēng)速減弱40%—90%[25,29]。過去30年造林及其生長導(dǎo)致植被生物量增加、地表粗糙度增加從而引起風(fēng)力減弱,對歐亞大陸風(fēng)力減弱的貢獻(xiàn)率25%到60%[48],特別是中國[49]。

3 造林調(diào)節(jié)氣候的生物地球化學(xué)機(jī)理

造林直接或間接地影響氣候,主要取決于地表與大氣之間生物地球化學(xué)效應(yīng)和生物物理效應(yīng)的相對強(qiáng)度[36,50-51]。在高緯度地帶受輻射因素影響,在熱帶受水汽循環(huán)控制[38]。除了影響陸氣之間CO2、水分和能量交換,造林還會釋放生物揮發(fā)性有機(jī)化合物(BVOCs),影響氣溶膠、O3和CH4等氣候強(qiáng)迫因子[51-53]。

3.1 造林對CO2變化的影響

造林增加植被覆蓋[1]、植被碳固定[54-55]以及表層土壤碳儲量[56],是減緩氣候變化的有效措施[43,54,57]。雖然木材和土壤有機(jī)質(zhì)中碳固定對氣候的影響是百年尺度的[58],但是森林植被的CO2通量很大、隨時間變化劇烈,樹木在多個時間尺度上與大氣交換CO2、CH4和N2O等溫室氣體,呈現(xiàn)明顯的瞬時、日、季節(jié)變化規(guī)律。雖然樹干是CO2和CH4的凈源[59],然而,樹木吸收CO2所產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)顯著超過樹木通過釋放CH4所產(chǎn)生的增溫效應(yīng)[3]。因此,恢復(fù)或增加森林有助于吸收人為活動排放的CO2。極受爭議的干旱半干旱區(qū),造林使得30cm深度表層土壤有機(jī)碳和全氮儲量分別顯著提升了131%和88%,造林前土地利用類型、造林樹種是最主要影響因素,其中,荒地造林后土壤碳、氮儲量的增幅要顯著大于農(nóng)田和草地造林,營造落葉闊葉樹種的增幅顯著優(yōu)于常綠闊葉和針葉樹種[60]。因此,干旱半干旱區(qū)造林容易,但要維持其生長較為困難,大氣CO2濃度增加刺激植物生長加速,但土壤養(yǎng)分供應(yīng)限制卻降低其碳匯潛力,這種限制影響在熱帶地區(qū)較小、在寒冷區(qū)域較強(qiáng)[58]。此外,隨著氣候變暖,更高的樹干生產(chǎn)力、更快的樹木更新率和更短的碳截留時間,將降低森林碳蓄積能力,從而影響利用造林應(yīng)對全球氣候變化的效果[18]。

3.2 造林對CH4變化的影響

百年尺度,CH4引起的輻射強(qiáng)迫是CO2的32—45倍[61]。但是,當(dāng)前對于森林是CH4源和匯的關(guān)注較少。了解森林CH4通量動態(tài)、森林與大氣之間CH4交換,開展森林CH4計(jì)量,對于減緩全球氣候變化速度具有重要意義,應(yīng)納入全球CH4預(yù)算[62]。森林CH4動態(tài)受土壤水分與養(yǎng)分、自然干擾、森林管理措施等因素影響[63]。森林土壤作為大氣CH4的重要陸地匯,其CH4吸收量可能會隨著降水量的增加而下降[64],隨著土壤狀況變化,可能變成更大的匯,也可能變成源[65]?；谂欧帕炕蛐l(wèi)星估算的熱帶森林CH4源差異,亦引發(fā)了對于森林CH4源的重視[66]。樹干是森林CH4收支的重要源,樹木通過根-干-皮連續(xù)體將土壤中、樹干心材中、內(nèi)部微生物及非生物光化學(xué)過程產(chǎn)生的CH4輸送或橫向擴(kuò)散到大氣中[67-68]。山地[69]、濕地[70-71]、漫灘[72]森林的樹干皆排放CH4。但是,樹干CH4排放量不確定且存在爭論[66-67,72]。從熱帶到寒帶森林的樹木CH4排放具有區(qū)域差異,亞馬遜雨林樹木CH4排放量是溫帶濕地森林和熱帶泥炭沼澤林的200倍[71],溫帶山地森林樹干CH4排放抵消了生長季土壤CH4匯,可能短暫地將森林變成CH4源[70]。樹木CH4排放增強(qiáng)了濕地森林CH4源、降低了山地森林CH4匯[67],可能會削弱森林對氣候的正面效應(yīng)[68]。雖然缺乏數(shù)據(jù)估計(jì)森林CH4排放對全球CH4收支的貢獻(xiàn),考慮到全球龐大的樹木數(shù)量及造林面積[73],即使單株樹木的排放量低,在全球尺度也可能是巨大的排放量。

3.3 造林對其它化學(xué)物質(zhì)變化的影響

森林亦會向大氣釋放異戊二烯、O3等BVOCs[53,74],在氧化作用下產(chǎn)生二次有機(jī)氣溶膠(SOA),這些化學(xué)物質(zhì)既影響空氣質(zhì)量,也影響氣候變化,通過充當(dāng)云凝聚核(CCN)影響云的形成、輻射平衡和氣候,其凈效應(yīng)可能會使地球變暖,也可能致冷[52,75]。異戊二烯能夠與空氣中的氮氧化物發(fā)生反應(yīng)形成具有強(qiáng)大致暖作用的O3,可以延長大氣CH4的壽命,又可以促使生成氣溶膠粒子、阻擋入射光而產(chǎn)生冷卻效應(yīng)[52]。大氣異戊二烯的90%以上源于陸地植物,且不同植物的異戊二烯排放速率存在數(shù)量級上的差異[75]。熱帶和溫帶的樹木會釋放大量的異戊二烯,亞馬遜雨林是大氣倍半萜類異戊二烯的最大來源,除了光合作用驅(qū)動這種次生代謝產(chǎn)物并從雨林冠層釋放,土壤微生物也是一個來源[76]。高緯度北方森林主要釋放萜烯,萜烯可以形成氣溶膠,阻擋陽光,促進(jìn)形成云粒,達(dá)到冷卻氣候的效果[3]。受病蟲危害的森林也會釋放萜類等植物揮發(fā)物作為一種防御手段[77]。O3破壞光合作用,阻礙植物生長和生物量的積累,降低植被吸收大氣中CO2的能力,進(jìn)而加劇全球變暖[78]。

4 造林調(diào)節(jié)氣候的生物物理機(jī)理

近幾十年,造林在恢復(fù)植被、增強(qiáng)碳匯、緩解氣候變化的同時,由于植被的生理、物候和結(jié)構(gòu)變化影響陸表與大氣之間的能量、水汽和動量交換等生物物理過程[34,38],加上通過大氣化學(xué)和氣溶膠產(chǎn)生的額外作用[6],可能增強(qiáng)或減弱甚至抵消其碳匯效益。因此,同時考慮碳調(diào)節(jié)和生物物理效應(yīng),造林也可能加劇氣候變化[35,39,53,79]。然而,氣候政策多考慮CO2等溫室氣體方面,而忽略了生物物理過程對氣候的影響。造林改變反照率、粗糙度,引起蒸散量增加,這些生物物理反饋使得近地層溫度、濕度等發(fā)生變化,為減緩全球陸表變暖的貢獻(xiàn)率為12%[39]。植被生物物理反饋主要受葉面積控制,葉面積通過改變反照率和冠層阻力影響蒸散量,從而調(diào)節(jié)吸收的太陽輻射量[79-80]。葉面積增加導(dǎo)致寒區(qū)地表反照率降低而產(chǎn)生增溫,導(dǎo)致干旱區(qū)蒸散量增加而產(chǎn)生致冷[79],進(jìn)一步反饋到云量、大氣循環(huán)和水循環(huán)變化[37,39]。這種生物物理反饋在極端干熱或寒冷潮濕年份可能放大5倍[79]。同時考慮碳調(diào)節(jié)和地表能量收支,中國亞熱帶濕潤區(qū)造林的致冷效應(yīng)是僅考慮碳調(diào)節(jié)致冷效應(yīng)的1.3—1.5倍,而中溫帶干旱區(qū)造林的致冷效應(yīng)則為僅考慮碳調(diào)節(jié)效應(yīng)的近一半[26]。因此,僅考慮碳效應(yīng)會導(dǎo)致熱帶造林氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)的低估和寒帶、溫帶的高估[35-36,43]。

造林影響輻射和湍流能量通量進(jìn)而改變地表溫度的氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)區(qū)域差異顯著[5]。熱帶造林增加蒸發(fā)蒸騰和湍流從而致冷,有助于減緩氣候變暖,而北方造林減少地表反照率從而加劇變暖[6,39]。高緯度地帶造林對地表溫度的影響是蒸散發(fā)增加、大氣環(huán)流變化、短波透射率減少引起的致冷效應(yīng),與長波比輻射率增加、反照率下降引起增溫效應(yīng)之間的平衡結(jié)果[39]。在北高緯度地區(qū),由于反照率較低從而增強(qiáng)太陽輻射吸收,造林具有增溫作用,特別是積雪覆蓋時[37,41]。中緯度地區(qū)輻射平衡和潛熱變化共同控制著局部地表溫度響應(yīng),氣候模式試驗(yàn)表明,北中緯度地區(qū)大規(guī)模造林導(dǎo)致氣溫和能量梯度的變化,增加了對太陽輻射的吸收,提高了地表溫度,溫暖了北半球,改變了全球環(huán)流和降水模式,進(jìn)而改變了亞馬遜等遠(yuǎn)離造林區(qū)域的降水量和生產(chǎn)力[37]。歐洲造林由原始的闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)楦呓?jīng)濟(jì)效益的針葉林,針葉林吸收更多的陽光并釋放較少的水分,改變了地表與大氣之間能量、水汽交換狀態(tài),改變了云量,大致抵消碳匯作用從而引起區(qū)域增溫[81-8-2]。

水資源匱乏的干旱半干旱區(qū)造林,由于缺水導(dǎo)致能量必須通過顯熱和長波上升來消除,因此,可利用土壤水分決定了造林對氣候的影響[37]。有研究認(rèn)為可能需要50至80年的碳蓄積,才能抵消其生物物理效應(yīng)導(dǎo)致地表變暗的增溫效應(yīng),有研究則認(rèn)為受到人工林生長速率及其導(dǎo)致地表反照率變化量的影響[50]。撒哈拉和澳大利亞北部半干旱區(qū)造林,地表粗糙度增加、反照率下降,蒸散發(fā)增強(qiáng)、地表致冷、改變緯向溫度梯度,區(qū)域低空急流的減弱和轉(zhuǎn)移,水分滲透和降水增強(qiáng)[47]。美國西南部造林引起反射率變化也對氣候產(chǎn)生負(fù)面影響[83]。僅考慮地表能量平衡,中國中溫帶干旱與半干旱區(qū)造林引起的凈輻射增加程度大于潛熱通量的增加程度,因此地表對大氣供熱表現(xiàn)為增溫效應(yīng)[36]。同時,造林導(dǎo)致黃土高原土壤水分和徑流減少[84],且在一定程度上引發(fā)了西南地區(qū)的干旱[45,85]。

5 當(dāng)前亟待深入研究的內(nèi)容

綜上所述,需要進(jìn)一步明晰造林氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)差異及其影響因素,更加積極有效地應(yīng)對全球氣候變化。當(dāng)前亟待深入研究的幾個方面：

(1)造林對局地、區(qū)域乃至全球氣候影響的認(rèn)識不夠全面系統(tǒng),受到太陽輻射、混合空氣、蒸發(fā)蒸騰和土壤性質(zhì)的影響[86],造林的隔熱調(diào)節(jié)作用產(chǎn)生的日較差幅度差異極大[87],即環(huán)境溫度很高時的冷卻效應(yīng)、環(huán)境溫度很低時的致熱效應(yīng),當(dāng)前研究多在一個或多個站點(diǎn)或局地尺度開展對比觀測,但在區(qū)域、國別甚至全球尺度缺少全面系統(tǒng)的認(rèn)知,難以在應(yīng)對氣候變化的造林活動中提出有針對性的策略。此外,造林對空氣或土壤溫度的調(diào)節(jié)效應(yīng)研究已取得較為廣泛的認(rèn)識,但是對降水、成云、風(fēng)等氣候因素的影響仍存在極大的認(rèn)知差異與不確定性。

(2)森林生物地球化學(xué)環(huán)境比已知的復(fù)雜得多,還不足以對其溫室氣體平衡和輻射氣候強(qiáng)迫形成確切地認(rèn)識[67]。樹木在多個時間尺度上與大氣交換CH4和N2O等溫室氣體,但這些氣體通量的大小、模式和驅(qū)動因素仍不清楚[59]。比如,目前對于森林CH4通量不清楚、源匯之間復(fù)雜重疊以及個體間的極端差異[67],排放的來源、時間和空間模式以及數(shù)量仍不明確,產(chǎn)生、氧化和運(yùn)輸導(dǎo)致樹干CH4排放的生物地球化學(xué)途徑知之甚少[7-2],底層微生物生產(chǎn)和氧化過程的復(fù)雜性、森林CH4通量與環(huán)境控制的關(guān)系不明晰[63]。

(3)當(dāng)前研究很少涉及造林對BVOCs排放和SOA形成的影響,這限制了對造林如何與氣候相互作用的理解[5-2]。同時,由于缺乏相關(guān)的森林排放數(shù)據(jù),目前所掌握的信息仍然不夠充分,難以說明森林源BVOCs究竟具有什么效應(yīng)。目前還不清楚,哪些森林植物能夠排放大量的異戊二烯等BVOCs？排放量是多少？時空變化差異如何？需要進(jìn)一步測量不同區(qū)域、不同森林類型的葉和冠層尺度BVOCs排放量,以確定其地理差異的成因[75]。

(4)過去乃至當(dāng)前對于森林與氣候變化相互反饋研究聚焦以CO2為核心的溫室氣體通量方面,長期的碳水熱通量觀測在輻射能量平衡、生物物理過程方面的研究較為薄弱,造林的生物物理效應(yīng)以模型模式模擬和衛(wèi)星遙感反演為主要手段,尚未形成天空地融合的系統(tǒng)研究,有待揭示更多現(xiàn)象,且當(dāng)前獲得的相關(guān)理論知識有待更為深入的驗(yàn)證。

6 研究展望

盡管面積不斷增加,我國人工林單位面積蓄積量僅為天然林的36%,質(zhì)量較差、結(jié)構(gòu)不盡合理、生產(chǎn)力偏低、生態(tài)功能弱[88]。面對未來氣候變化與適宜發(fā)展空間的制約以及人類對生態(tài)服務(wù)需求的日益旺盛,我國規(guī)劃21世紀(jì)中葉森林覆蓋率達(dá)到世界平均水平(30.6%),如何可持續(xù)地發(fā)展人工林？需要營造什么樣的森林？何種規(guī)模和成本的造林是有效的[85]？造林是否能夠達(dá)到預(yù)期生態(tài)效應(yīng)？需要重點(diǎn)關(guān)注幾個方面：

6.1 系統(tǒng)地生物地球化學(xué)機(jī)理研究

需要對不同立地條件、林分特征、干擾和管理等人工林影響溫度、降水、成云、風(fēng)等開展系統(tǒng)深入研究,通過長期、快速、高頻率的大規(guī)模測量,在時空維度拓展溫室氣體通量、BVOCs的大小、模式和驅(qū)動因素觀測,解析其產(chǎn)生、傳輸?shù)纳锏厍蚧瘜W(xué)途徑及非生物光化學(xué)過程,辨別傳輸過程在不同個體、物種和生態(tài)系統(tǒng)之間的差異,加強(qiáng)對森林釋放化學(xué)物質(zhì)及其與大氣相互作用的監(jiān)測,對造林引起溫室氣體平衡和輻射氣候強(qiáng)迫形成系統(tǒng)地認(rèn)知。

6.2 深入開展生物物理機(jī)理研究

造林對氣候影響的生物物理效應(yīng)主要通過站點(diǎn)對比觀測、耦合模式模擬或空間替代時間方法來評估。然而,站點(diǎn)分析難以擴(kuò)展到區(qū)域及更大空間范圍,基于陸氣耦合模式通常假設(shè)全面造林或毀林情景,高估了其對氣候的生物物理調(diào)節(jié)效應(yīng)[37,45],預(yù)測結(jié)果在現(xiàn)象、數(shù)量、空間分布等方面存在極大不確定性。因此,造林生物物理效應(yīng)的大小仍然是科學(xué)界爭論的焦點(diǎn),跨學(xué)科發(fā)展涵蓋生物地球化學(xué)和生物物理過程的生態(tài)模型、陸面模式、氣候模式,亟需對造林的生物物理氣候效應(yīng)進(jìn)行深入觀測和研究[34,79]。

6.3 推動可持續(xù)地有效人工林管理

有限國土空間使得未來造林空間受限,需要加強(qiáng)人工林管理以增強(qiáng)造林減緩氣候變化功能的可持續(xù)發(fā)揮。大面積幼齡林是持續(xù)地碳匯,管理能增加更多碳吸收。當(dāng)然,管理同時引起地表反照率與粗糙度、BVOCs排放、蒸騰和顯熱通量等變化,從而導(dǎo)致其獲得的碳匯效益被增強(qiáng)、減弱甚至抵消[81]。IPCC全球模型模擬結(jié)果與UNFCCC國家溫室氣體清單中關(guān)于林業(yè)土地利用變化CO2凈排放量的差異,約80%源于森林管理產(chǎn)生的誤差[8]。森林管理能否減少大氣CO2與大氣頂部輻射不平衡,既不增加近地面氣溫也不減少降水量,目前難以確定[55]。因此,通過森林管理實(shí)現(xiàn)緩解氣候目標(biāo)需要權(quán)衡利弊[89]。

6.4 恢復(fù)具有完整結(jié)構(gòu)地人工林

我國人工純林占比近60%,安徽、湖南等省甚至超過70%,林分結(jié)構(gòu)簡單,大面積集中成片,抗逆性差、穩(wěn)定性低,生態(tài)系統(tǒng)功能脆弱。完整的森林景觀對于穩(wěn)定陸地碳儲量、保護(hù)生物多樣性、調(diào)節(jié)水文狀況和提供其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)至關(guān)重要。維持并盡可能地恢復(fù)具有完整生態(tài)功能和景觀結(jié)構(gòu)的森林,以遏制生物多樣性危機(jī)、減緩氣候變化、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)目標(biāo),應(yīng)當(dāng)是全球和各個國家生態(tài)環(huán)境戰(zhàn)略的一個核心組成部分和急迫事項(xiàng),也是旨在促進(jìn)重新造林策略的一個重要部分[90-91]。因此,未來造林目標(biāo)應(yīng)是低質(zhì)低效人工林的提質(zhì)增效,以及盡可能恢復(fù)具有相對完整結(jié)構(gòu)、景觀和功能的人工林。

6.5 多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同

氣候變化背景下,造林的氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)是否可持續(xù)[18]？水土保持、碳固定效應(yīng)顯著[54-55],但干旱半干旱區(qū)造林加劇地下水枯竭、威脅原生物種、導(dǎo)致生物多樣性減少[9-2],增加水分蒸散、減少徑流量、影響水沙關(guān)系[84],甚至對糧食安全存在不利影響[85,93]。此外,我國木材供應(yīng)缺口長期保持1—1.5億m3,木材產(chǎn)品供給和生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)之間存在顯著權(quán)衡關(guān)系。因此,造林重點(diǎn)需從注重面積擴(kuò)展轉(zhuǎn)向人工林質(zhì)量及其綜合生態(tài)系統(tǒng)功能提升,從木材產(chǎn)品供給、碳匯、水土保持、防風(fēng)固沙等單項(xiàng)生態(tài)功能向多重生態(tài)服務(wù)轉(zhuǎn)變。