近百年來，由於煤、石油等化石燃料的大量使用，二氧化碳等溫室氣體的大量排放使大氣溫度急劇上升，全球正在明顯變暖。
在未來100年內，人類仍將繼續排放大量溫室氣體。在這種變化趨勢下，陸地生態系統是否能繼續吸收大氣中的二氧化碳，是否會達到碳飽和，何時達到碳飽和，是關系未來地球環境和社會經濟發展的重要問題。
目前，對未來全球陸地生態系統碳吸收潛力的預測已有不少研究。而對於中國陸地生態系統在未來100年內的碳平衡的相關研究，科學家還較少涉及。最近，在國家自然科學基金重大項目和“973”計劃的資助下，中國科學院大氣物理研究所研究員季勁鈞等，利用大氣—植被相互作用模型（AVIM2）模擬研究了中國陸地生態系統碳貯量的變化和與大氣的碳交換，預測了中國陸地生態系統碳平衡各通量對21世紀大氣二氧化碳濃度增加和氣候變化的響應。
研究表明，如果假定未來100年大氣二氧化碳濃度不變而只考慮氣候變化時，大約到2020年，中國陸地生態系統就將由21世紀初的碳彙變成碳源。但在同時考慮未來氣候變化和大氣二氧化碳濃度增加時，由於二氧化碳的“施肥效應”會提升植被的總碳貯量，在未來100年內，中國陸地生態系統還將是一個弱碳彙。
這一成果發表在《中國科學D輯：地球科學》2008年第2期上。
為戰略決策和國際談判提供科學依據
在1997年簽署的《京都議定書》中規定，在2008年至2012年期間，38個主要發達國家的二氧化碳等6種溫室氣體的排放量需要在1990年的基礎上平均削減5.2％，其中美國削減7％、歐盟減排8％、日本和加拿大分別削減6％，其他國家削減額度較校協議還要求包括中國和印度等在內的溫室氣體排放量大的發展中國家自願制定排放目標。
雖然該協定書沒有對發展中國家的二氧化碳排放量作出什麼限制，但這只是時間問題。而且，自布什上台後，美國就一直拒絕執行《京都議定書》，其理由之一，就是認為像中國、印度這樣二氧化碳排放量大的發展中國家也應承擔減少排放的義務。
隨著經濟的迅猛發展，中國已經成為繼美國之後的第二大二氧化碳排放國，中國的碳循環問題也因此日益受到國際社會的關注。
作為一個負責任的大國，我國一直在采取各種環境保護措施，並積極參與各項國際合作來為保護和改善地球環境作出自己的貢獻。
“在這種情況下，我國在今後一段時間內總的碳收支情況如何，我國陸地生態系統具體是碳源還是碳彙等問題的答案，對我國政府在外交談判中的立場和相關政策的制定都會產生重要影響。”季勁鈞說。
季勁鈞告訴記者，他們的研究主要是充分利用現有的各種觀測資料，並利用機理性的模型，估算出未來一個世紀我國陸地生態系統碳循環狀況和碳收支的相關數據，為政府的戰略決策和國際談判提供科學依據。
綜合數據完善模型
季勁鈞指出，研究表明，排放到大氣中的二氧化碳大約有一半長期存留在大氣中，其余部分被海洋和陸地生態系統吸收。陸地生態系統是地球表層很大的碳庫，儲存在植物體和土壤有機物中的碳總量約為大氣碳總量的3倍。
“長期直接測定植被對大氣二氧化碳的吸收率，是估計陸地生態系統碳吸收能力的最基本方法，但是要預測未來區域乃至全球生物圈對大氣二氧化碳的吸收潛力，就必須運用機理性的生態系統模式去作出預測。”季勁鈞補充道。
季勁鈞課題組利用我國自主發展的大氣—植被相互作用模型，主要討論了NPP (Net Primary Productivity，植被淨初級生產力：植被總初級生產力扣除總呼吸的剩余部分，即植被與大氣之間的碳交換率）、植被和土壤碳貯量、NEP (Net Ecosystem Productivity，淨生態系統生產力：淨初級生產力與土壤異養呼吸之差，即生態系統與大氣之間的碳交換率）對特定的氣候變化情景和大氣二氧化碳濃度變化情景的響應。
課題組基於IPCC（聯合國政府氣候變化專門委員會）於2000年發布的《排放情景特別報告》（SRES）中的B2情景（可持續發展情景）對未來溫室氣體排放進行了假定：全球人口增長較慢、社會發展符合環境保護要求、經濟和社會維持可持續發展，那麼農作物種植面積到2100年增加約14%，大氣二氧化碳濃度將達到621ppmv (百萬分之體積濃度)。
為了對模型研究中復雜植被類型進行必要簡化，課題組利用國際地圈生物圈計劃（IGBP）的植被功能型分類系統來代替生態系統類型。
此外，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所研究員許吟隆為課題組提供了利用英國Hadley中心發展的區域氣候模式系統（PRECIS）所預測的中國區域高分辨率（50公裡）的21世紀氣候變化情景數據。
課題組的預測研究覆蓋了全部中國陸地，空間分辨率為50公裡。研究中采用的土壤質地和植被分類數據是在分辨率為0.1經緯度網格的中國土壤質地和植被分類數據的基礎上，經過在ARC-GIS軟件平台上進行重采樣得到的。其中土壤質地的分類主要反映各地土壤表層內礦質顆粒大小的比例，和我國境內不同土壤質地的地理分布特點及規律，以土壤中各粒級含量的相對百分比作為標准來進行劃分。
將上述數據引入模型得到的運算結果是，在不考慮未來100年大氣二氧化碳濃度變化的作用，而只考慮氣候變化的情況下，中國陸地生態系統的NPP是逐漸下降的，這是因為增溫對生態系統的呼吸率的增強大於光合速率的增強所致。與此同時，植被碳和土壤碳的儲量也是下降的。土壤總碳量的下降和增溫的共同作用使土壤總的呼吸在未來變化很少，因此，NEP會隨著NPP的減少而減少。在大約20年後，中國陸地生態系統由21世紀初的碳彙變成碳源。
在同時考慮未來氣候變化和大氣中二氧化碳濃度增加的共同作用時，未來100年中國陸地生態系統的碳通量和碳儲存將產生很大變化。由於大氣中二氧化碳濃度的變化將直接影響植物的生理過程並能顯著增強光合作用，盡管植物呼吸因增溫而增強，但總的NPP仍將持續增長。與此同時，由於土壤呼吸因碳庫的增大和增暖而加大，因此NEP經過一段時間上升以後，大約在2050年達到最大值，之後逐漸下降，到21世紀末，接近於零。這時，植被和土壤的碳庫緩慢地增長。因此，中國陸地生態系統將處於弱碳彙狀態。
研究仍待深入
季勁鈞指出，他們得到的上述結果是在假定中國的發展模式是B2情景下獲得的，這在各種碳排放方案中是一種中低水平的方案。全球和中國的增溫較小，到21世紀末中國平均增溫約為3℃左右。因此，該研究結果是對全球區域可持續發展前提下的一種可能的碳通量和碳儲存變化的預測。
在該預測研究中，假定地表覆蓋保持不變，這包含了一定的不確定性，可能在某種程度上低估了中國未來地表覆蓋變化引起的碳排放的增加，而且也沒有考慮森林火災等因素對碳排放的可能影響。
但是，近幾十年來中國實施了大規模的植樹造林，而且還在不斷地進行退耕還林、退耕還草工作，許多地區的人工林尚處於幼林期，吸收碳的能力遠大於試驗中假定的成熟林，所以又有可能人為低估了生態系統的碳吸收能力。
而且，在未來一個世紀裡，溫度升高將是氣候變化的最顯著特征，生態系統的結構功能和空間分布也會隨之產生相應的變化，只是會有一個緩慢的適應和演變的過程。這也將改變陸地生態系統的碳交換和碳儲存結果，而季勁鈞課題組的模式尚未包含這一過程。在AVIM2的一個相關模塊中，課題組雖然考慮了土壤氮、土質和土壤溫濕度對土壤呼吸的影響，但由於這些過程都很復雜，在過程的參數化中存在很多不確定性，也可能影響生態系統碳源彙的強度。
因此，季勁鈞強調，課題組現在的研究成果中給出的未來100年中國陸地生態系統的淨初級生產力、植被和土壤碳儲存，以及生態系統淨碳交換的時間變化和空間分布還只是一個初步的結果，尚有許多方面的工作要做，以減少模擬的不確定性，改進現有的研究結論。（來源：科學時報 陳晨）
（《中國科學D輯：地球科學》，2008 38 (2): 211-223，季勁鈞, 黃玫, 李克讓）