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研究人員正在構(gòu)建植被過程方程，有望改進(jìn)氣候模型。來源：George Trumpeter/ Shutterstock

20世紀(jì)60年代和70年代最早的氣候模型中，地表是裸露的，沒有任何植物。在這些模型里，雨水會落入數(shù)字化“水桶”中被量化，隨后蒸發(fā)回空氣中，以此模擬水循環(huán)。

在那以后，氣候模型在呈現(xiàn)森林、草原及其他生物群落，以及它們?nèi)绾斡绊懙厍蛩佳h(huán)方面取得了長足進(jìn)步。但你仍可以說這些模型有些簡陋。如今的全球氣候模型通常只包含約10種“植物功能型”，大致模擬不同生態(tài)系統(tǒng)如何傳遞熱量、水分和養(yǎng)分（包括碳）。

而且這些植物模擬無法準(zhǔn)確復(fù)刻植物群對環(huán)境變化的響應(yīng)。這是因?yàn)檫@些模型是在假設(shè)氣候穩(wěn)定的條件下構(gòu)建的。鑒于植物會調(diào)整光合作用以適應(yīng)更高的溫度和更多的二氧化碳，氣候模型需要新的數(shù)學(xué)方法來描述它們。因此，研究人員發(fā)起了“檸檬樹”項(xiàng)目（LEMONTREE），該項(xiàng)目正在構(gòu)建描述“植物數(shù)學(xué)”的方程：在給定的氣候變量下，植被如何優(yōu)化其功能。LEMONTREE的全稱為基于新理論、觀測數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)的陸地生態(tài)系統(tǒng)模型（Land Ecosystem Models based On New Theory, obseRvations, and ExperimEnts）。

地球植物會因額外的二氧化碳而繁茂嗎？

該團(tuán)隊由來自全球的研究人員組成，得到了施密特科學(xué)虛擬地球系統(tǒng)研究所（Schmidt Sciences Virtual Earth System Research Institute，簡稱VESRI）的支持。他們的專業(yè)領(lǐng)域廣泛，涵蓋植物生態(tài)學(xué)、數(shù)學(xué)和遙感技術(shù)等。“我們的想法是簡化模型，用于預(yù)測植物對氣候的反應(yīng)、在未來會怎么樣，以及它們?nèi)绾畏催^來影響氣候，”該項(xiàng)目首席研究員桑迪·哈里森（Sandy Harrison）說。她是英國雷丁大學(xué)古氣候?qū)W與生物地球化學(xué)循環(huán)教授。

哈里森表示，盡管全球氣候模型變得越來越復(fù)雜和強(qiáng)大，但植物過程仍是其薄弱環(huán)節(jié)。例如，在政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC）的氣候變化報告中，一個主要的不確定性領(lǐng)域是植被在更高的溫度和更多的二氧化碳中如何響應(yīng)。在某個模型的輸出結(jié)果中，植物在未來幾十年內(nèi)會持續(xù)吸收碳，進(jìn)而在一定程度上緩沖人類排放的影響。而在另一種模型中，植物會在溫暖天氣中枯萎，甚至到2050年成為二氧化碳凈排放源。

物理學(xué)家已經(jīng)構(gòu)建出描述大氣、海洋和物理地形的優(yōu)雅方程，但陸地生物（尤其是植物）帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。與確定的物理量不同，植物會適應(yīng)和進(jìn)化。物種會調(diào)整生長策略，充分利用水分、陽光和養(yǎng)分。這就是為什么植物每年吸收的碳量會有所變化——雖然平均而言，這一數(shù)值約占所有排放二氧化碳的三分之一，但隨著植物對環(huán)境的響應(yīng)，每年的差異非常顯著。

然而，氣候模型通常為植物功能設(shè)定固定參數(shù)。例如，模型可能規(guī)定松樹在華氏77度（約 25 攝氏度）時光合作用效率最高。但這些數(shù)值忽略了植物功能的靈活性。“它們在季節(jié)輪換或干旱時不會變化，”哈里森這樣評價氣候模型中假設(shè)的植物。“這意味著這些植物對這些氣候事件的響應(yīng)不如實(shí)際中那樣靈敏?！?/p>

用植物的“語言”溝通：更好地理解植物如何根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整輸入和輸出的細(xì)微差別，正幫助科林·普倫蒂斯（Colin Prentice）等研究人員更準(zhǔn)確地計算它們在氣候模型中的影響。普倫蒂斯是檸檬樹項(xiàng)目的首席研究員，也是倫敦帝國理工學(xué)院的教授。圖片來源：普倫蒂斯實(shí)驗(yàn)室

例如，去年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，許多當(dāng)前的氣候模型低估了植物對干旱的敏感度。研究人員利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究了干旱時期樹冠（canopies）的反應(yīng)，并將其與現(xiàn)有的氣候模型進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植被在干旱期間減少光合作用的幅度比模型預(yù)測的要大得多。

這樣的小誤差會累積起來，導(dǎo)致對碳吸收、水分蒸發(fā)等過程的錯誤呈現(xiàn)?！斑@些模型通常是利用天氣晴朗時的數(shù)據(jù)開發(fā)的，”該研究的主要作者朱莉婭·格林（Julia Green）說。她是亞利桑那大學(xué)的環(huán)境科學(xué)教授，目前不是檸檬樹項(xiàng)目團(tuán)隊成員，但之前的研究曾獲得該項(xiàng)目資助。“在極端條件下，它們的表現(xiàn)往往不太好?！?/p>

檸檬樹項(xiàng)目團(tuán)隊希望通過徹底重建植物模型來解決這個問題。特別是，他們以“生態(tài)進(jìn)化最優(yōu)性理論”為 指導(dǎo)。

“這一理論認(rèn)為，通過進(jìn)化和生態(tài)過程，植物會生長在最適應(yīng)的環(huán)境中，”哈里森說。要基于這一理論創(chuàng)建新模型，“我們只需要找出植物所做的權(quán)衡?！?/p>

光合作用是植物進(jìn)行權(quán)衡的一個領(lǐng)域。植物必須打開氣孔吸收二氧化碳來制造糖分，但在干燥天氣中，氣孔打開時間過長會導(dǎo)致植物枯萎。如果植物冒險長時間打開氣孔，就會干涸死亡。但過于保守的植物會被吸收更多碳、生長更快的植物淘汰。久而久之，找到完美平衡的植物將會勝出。

目前，植物捕獲碳的能力正略有提升。

考慮到這種平衡，研究人員開發(fā)了一個方程來表達(dá)氣孔導(dǎo)度和光合作用之間的權(quán)衡。他們利用反映冠層綠度的遙感數(shù)據(jù)擬定了這一方程，隨后通過實(shí)地觀測站的二氧化碳測量數(shù)據(jù)對該方程進(jìn)行了驗(yàn)證。通過與實(shí)地數(shù)據(jù)的對比，他們可以檢驗(yàn)該模型是否能正確預(yù)測光合能力。

研究人員表示，經(jīng)過與觀測數(shù)據(jù)對比后的一些調(diào)整，這個單一的光合作用方程可以替代陸地表面模型中多個更復(fù)雜的方程?！拔覀冏罱K得到的模型，經(jīng)證明比傳統(tǒng)模型精確得多，而且簡單得多，”檸檬樹項(xiàng)目首席研究員、倫敦帝國理工學(xué)院教授科林·普倫蒂斯說。

該團(tuán)隊還在研究其他與植物相關(guān)的數(shù)學(xué)方程，例如確定不同環(huán)境下葉面積和植物呼吸速率的方程。這些方程不依賴于預(yù)先定義的植物參數(shù)，而是計算給定位置的最佳 “植物數(shù)學(xué)”，展示植物如何根據(jù)氣候優(yōu)化生長策略。雷丁大學(xué)氣候科學(xué)家、檸檬樹項(xiàng)目團(tuán)隊成員皮爾·路易吉·維達(dá)萊（Pier Luigi Vidale）說，這使氣候建模人員能夠做出更靈活、也更準(zhǔn)確的預(yù)測?！拔覀兿Ｍ饤壦羞@些描述植被行為的參數(shù)，嘗試動態(tài)計算這些數(shù)值?！?/p>

氣候模型中植物數(shù)學(xué)表達(dá)的改進(jìn)，有助于解答生態(tài)學(xué)家長期以來的疑問。重要的是：地球植物會因額外的二氧化碳而繁茂，還是會因更干燥的條件導(dǎo)致干枯？空氣中二氧化碳增多時，植物可以在氣孔打開時間更短的情況下生產(chǎn)相同數(shù)量的“食物”，這種效應(yīng)被稱為二氧化碳施肥效應(yīng)。但這種益處僅限于植物獲得足夠水分和養(yǎng)分的情況。哈里森說，有了改進(jìn)的植被模型，“我們能夠預(yù)測當(dāng)氣溫升高和二氧化碳增加同時發(fā)生時，會出現(xiàn)什么情況?！?/p>

循環(huán)利用：舊的氣候模型難以捕捉植物在地球水碳循環(huán)中復(fù)雜的動態(tài)作用。新一代模型正致力于基于真實(shí)數(shù)據(jù)和更優(yōu)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行重新校準(zhǔn)。圖片來源：利諾約卡魯（linojocaru）/ Shutterstock

她說，新模型表明，近期大氣中二氧化碳增加的影響是“施肥效應(yīng)”——全球植被整體綠化程度在提高，這意味著目前植物捕獲碳的能力正在略有提升（盡管遠(yuǎn)不足以抵消不斷增加的人類排放）。

但極端條件會改變這種平衡，檸檬樹項(xiàng)目的研究人員希望他們的模型能更好地預(yù)測這一點(diǎn)。如果干旱導(dǎo)致植物關(guān)閉氣孔，它們向大氣中釋放的水分就會減少，從而減少云層中的水分和降雨量，進(jìn)而可能導(dǎo)致更干燥的條件。要預(yù)測這種劇烈的反饋效應(yīng)，研究人員需要明確水分含量與植物水分傳導(dǎo)之間的關(guān)系?！叭绻覀兡軌蛘_預(yù)測植被情況，那么我們就能更準(zhǔn)確地預(yù)測氣候可能的樣子，” 哈里森說。

方程最終確定后，下一步將是觀察它們在更大型的氣候模型中表現(xiàn)如何。然后研究人員可以對比該模型輸出結(jié)果與之前的陸地生態(tài)系統(tǒng)模型的表現(xiàn)。檸檬樹項(xiàng)目將于2027年6月結(jié)束，之后，由歐盟資助的氣候建模項(xiàng)目“協(xié)奏曲項(xiàng)目（CONCERTO）”的科學(xué)家將與該團(tuán)隊合作，開展下一步工作，探索包含新植物數(shù)學(xué)的模擬中大氣與地表的相互作用。CONCERTO全稱為通過多尺度模型和地球觀測改進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)表征（improved CarbOn cycle represeNtation through multi-sCale models and Earth obseRvation for Terrestrial ecOsystems）。

“這是構(gòu)建模型的一種非常有效的方式，”佐治亞大學(xué)地理學(xué)與大氣科學(xué)教授安娜·哈珀（Anna Harper）評價該團(tuán)隊的生態(tài)進(jìn)化最優(yōu)性方法。哈珀沒有參與檸檬樹項(xiàng)目。她補(bǔ)充說，尤其是在模型對陸地過程的預(yù)測仍相對不確定的情況下，任何改進(jìn)都是受歡迎的?！叭魏斡兄诟玫孛枋鎏佳h(huán)的東西都令人興奮?！?/p>

話雖如此，用一套新的植物方程重新啟動模型并非易事。如今的氣候模型是經(jīng)過多年調(diào)整的結(jié)果——當(dāng)模型輸出與觀測數(shù)據(jù)不一致時，科學(xué)家會調(diào)整變量。調(diào)整后，模擬結(jié)果可能會得出正確答案，但原理卻是錯誤的。因此，即使新的植物數(shù)學(xué)更準(zhǔn)確，也可能影響模型中的其他計算。“這需要時間，因?yàn)榧词谷藗冋J(rèn)同模型有所改進(jìn)，你仍然需要確認(rèn)它不會產(chǎn)生意外后果，” 哈珀說。

盡管這些變化可能會帶來麻煩，但該團(tuán)隊認(rèn)為從長遠(yuǎn)來看是值得的。維達(dá)萊說，幾十年前開發(fā)的氣候模型需要更新?！拔覀?nèi)匀恍枰_發(fā)模型并承擔(dān)巨大風(fēng)險，就像我們現(xiàn)在所做的那樣，” 他說?！白罱K，即使這是一次巨大的失敗，也是值得的。不過到目前為止的跡象表明，它是有效的。”

作者：Ula Chrobak

翻譯：姬子隰

審校：7號機(jī)

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【互動問題：你認(rèn)為“植物數(shù)學(xué)”氣候模型與物理上的大氣模型有何不同？】

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編輯：姬子隰

翻譯內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場