科学通报|火山喷发对陆地植被与碳循环影响的研究进展

自工业革命以来，人类活动导致了大气中 CO2 浓度持续上升，对全球气候系统产生了深远影响。然而，过去有关全球碳循环研究主要集中在地球表层系统中。位于菲律宾 Pinatubo 火山在 1991 年发生剧烈喷发，随后大气 CO2 浓度上升出现了短暂停滞，这一现象被主要归结于火山喷发引发了陆地碳汇的显著增强，表明地球内部系统能够通过火山活动对全球碳循环造成显著影响。自此，探究火山活动对陆地生态系统的影响成为碳循环研究的一大热点。

本文系统梳理了火山喷发通过其辐射效应和气候效应等机制对植被生长与陆地碳循环的影响：

（1）火山喷发的辐射效应主要表现为总辐射降低对光合作用的抑制和散射辐射比例上升引起的施肥效应。在全球尺度上，散射辐射施肥效应的影响要远强于总辐射减弱的影响，因此火山喷发的辐射效应总体上增加陆地碳汇。

（2）火山喷发的气候效应主要表现为全球范围内的气温降低和区域降水异常，前者在高纬地区抑制光合作用，在低纬地区度促进光合作用，同时在全球尺度上抑制呼吸作用，整体上增加陆地碳汇；而后者能在区域尺度上影响植被生长，但由于目前对火山引起降水变化的认识还比较欠缺，其在大尺度上对植被的影响还需要进一步探究。

尽管近年来针对火山对陆地植被影响的研究取得了一些成果，但总体上针对火山活动如何影响陆地表层过程的认识仍十分有限，亟待从以下几个方面进行提升 :

（1）目前大部分的研究使用的方法都相对单一，在大尺度上依赖数值模型对光合作用、呼吸作用的模拟，而基于观测的证据主要来自树轮。要全面地评估陆地生态系统对火山活动的响应，还需要综合不同尺度上，更多来源的观测和方法。遥感观测可以作为研究大尺度植被变化的重要手段,也可以作为验证模型模拟火山喷发后植被响应的重要参照，但是需要对其进行仔细校准以消除平流层气溶胶的干扰。此外，火山喷发释放的化学物质和同位素也会在树轮中积累，通过对树轮元素和同位素进行分析，可以确定历史时期火山喷发的准确时间，这为进一步研究过去火山的影响提供了重要的依据。

（2）当前的气候和陆地生态系统模型还不够完善，这导致基于模型对火山影响的研究存在较大的不确定性。当前的气候模式中，火山喷发的气候效应，尤其是火山喷发引起的降水格局变化，与观测的结果存在着较大的不同，而不同模型对于气溶胶降水效应的模拟也存在巨大差异，这直接导致陆地生态系统响应估算的误差；目前的陆地生态系统模式也存在很大的不确定性，例如，不同模型中，土壤水对辐射变化的敏感性相差很大，这导致模型对气溶胶植被影响模拟的巨大差异。针对这些不确定性，可以使用多模式比较的方式对模型的不确定性进行评估，结合观测使用涌现约束（emergent constraint）等方式减小其不确定性。如要进一步减小不确定性，还需要进一步优化模式中大气辐射传输、水汽传输、降水、土壤水分平衡等过程。此外，陆地生态系系统模式中还缺乏对树轮形成的过程的描述，致使其对火山影响的模拟难以使用当前树轮的观测验证，需要在模式中开发相关的模块以使两种手段的研究能够相互印证。

（3）当前的研究对火山喷发的影响研究在以下几个方面仍然存在欠缺。(ⅰ)火山活动与气候变化的相互关系仍然不完全明确，特别是火山活动对极端低温、干旱、洪水等极端气候事件的影响还需要更进一步的定量研究，这些影响的植被效应也需要进一步评估。在区域尺度上，火山喷发后水汽压亏缺改变、局地水循环变化等关键过程的影响还鲜有人探讨；(ⅱ) 当前研究对生态系统响应的评估仍不全面，一方面，当前还主要关注对火山喷发对生态系统前几年的影响，对这之后的恢复过程还研究较少，因火山喷发增加的陆地碳汇能够在多长时间尺度上对减缓大气二氧化碳浓度升高做出多大贡献需要进一步评估；另一方面，已有的研究聚焦生态系统的生产力和植被生长，极少研究关注生物多样性，生态系统的稳定性等指标，致使难以对火山活动的风险做出完整评估；(ⅲ) 火山活动对海洋生态系统的影响仍然有很大的不确定性，与陆地生态系统不同，海洋中二氧化碳的溶解对海洋碳汇有着巨大的贡献，而火山活动引起的大气和海洋环流改变也对其碳汇的分布有重要影响。了解火山活动对陆地和海洋生态系统影响的差异对于全面评估火山活动对全球碳循环的影响至关重要；(ⅳ) 火山活动对人类活动的影响还研究不足。火山活动引起的辐射效应和气候效应可能会影响农业生产、水资源管理和基础设施建设等领域，这些影响可能进一步对人类社会产生冲击，潜在地影响陆地生态系统。因此，在评估火山活动对地球生态系统的影响时，还需考虑这些间接因素；(ⅴ) 目前的研究与政策联系仍然不足，对火山喷发规模和位置对陆地生态系统的影响还不明确，当前的研究大都聚焦1991年Pinatubo大型火山喷发事件，缺乏对火山规模和位置影响的评估。因此目前的认识还不足以准确评估未来不同规模火山灾害带来的生态、气候与社会风险，以及火山事件对未来减排目标的影响，从而制定有效的应对不同规模火山事件的政策。针对平流层气溶胶注入的太阳辐射管理策略，也需要更多的研究评估不同气溶胶注入方案对陆地生态系统的影响，进而为未来制定相关政策的可行性与安全性提供依据。

张原, 梁尔源, 汪涛, 朴世龙. 火山喷发对陆地植被与碳循环影响的研究进展. 科学通报, 2024, 69(2): 160–168,

https://doi.org/10.1360/TB-2023-0247

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