我们如何更好地预测未来气候？答案或许藏在路边的一花一草

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研究人员正在构建植被过程方程，有望改进气候模型。来源：George Trumpeter/ Shutterstock

20世纪60年代和70年代最早的气候模型中，地表是裸露的，没有任何植物。在这些模型里，雨水会落入数字化“水桶”中被量化，随后蒸发回空气中，以此模拟水循环。

在那以后，气候模型在呈现森林、草原及其他生物群落，以及它们如何影响地球水碳循环方面取得了长足进步。但你仍可以说这些模型有些简陋。如今的全球气候模型通常只包含约10种“植物功能型”，大致模拟不同生态系统如何传递热量、水分和养分（包括碳）。

而且这些植物模拟无法准确复刻植物群对环境变化的响应。这是因为这些模型是在假设气候稳定的条件下构建的。鉴于植物会调整光合作用以适应更高的温度和更多的二氧化碳，气候模型需要新的数学方法来描述它们。因此，研究人员发起了“柠檬树”项目（LEMONTREE），该项目正在构建描述“植物数学”的方程：在给定的气候变量下，植被如何优化其功能。LEMONTREE的全称为基于新理论、观测数据和实验的陆地生态系统模型（Land Ecosystem Models based On New Theory, obseRvations, and ExperimEnts）。

地球植物会因额外的二氧化碳而繁茂吗？

该团队由来自全球的研究人员组成，得到了施密特科学虚拟地球系统研究所（Schmidt Sciences Virtual Earth System Research Institute，简称VESRI）的支持。他们的专业领域广泛，涵盖植物生态学、数学和遥感技术等。“我们的想法是简化模型，用于预测植物对气候的反应、在未来会怎么样，以及它们如何反过来影响气候，”该项目首席研究员桑迪·哈里森（Sandy Harrison）说。她是英国雷丁大学古气候学与生物地球化学循环教授。

哈里森表示，尽管全球气候模型变得越来越复杂和强大，但植物过程仍是其薄弱环节。例如，在政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）的气候变化报告中，一个主要的不确定性领域是植被在更高的温度和更多的二氧化碳中如何响应。在某个模型的输出结果中，植物在未来几十年内会持续吸收碳，进而在一定程度上缓冲人类排放的影响。而在另一种模型中，植物会在温暖天气中枯萎，甚至到2050年成为二氧化碳净排放源。

物理学家已经构建出描述大气、海洋和物理地形的优雅方程，但陆地生物（尤其是植物）带来了独特的挑战。与确定的物理量不同，植物会适应和进化。物种会调整生长策略，充分利用水分、阳光和养分。这就是为什么植物每年吸收的碳量会有所变化——虽然平均而言，这一数值约占所有排放二氧化碳的三分之一，但随着植物对环境的响应，每年的差异非常显著。

然而，气候模型通常为植物功能设定固定参数。例如，模型可能规定松树在华氏77度（约 25 摄氏度）时光合作用效率最高。但这些数值忽略了植物功能的灵活性。“它们在季节轮换或干旱时不会变化，”哈里森这样评价气候模型中假设的植物。“这意味着这些植物对这些气候事件的响应不如实际中那样灵敏。”

用植物的“语言”沟通：更好地理解植物如何根据环境变化调整输入和输出的细微差别，正帮助科林·普伦蒂斯（Colin Prentice）等研究人员更准确地计算它们在气候模型中的影响。普伦蒂斯是柠檬树项目的首席研究员，也是伦敦帝国理工学院的教授。图片来源：普伦蒂斯实验室

例如，去年的一项研究发现，许多当前的气候模型低估了植物对干旱的敏感度。研究人员利用卫星数据研究了干旱时期树冠（canopies）的反应，并将其与现有的气候模型进行了比较。结果发现，植被在干旱期间减少光合作用的幅度比模型预测的要大得多。

这样的小误差会累积起来，导致对碳吸收、水分蒸发等过程的错误呈现。“这些模型通常是利用天气晴朗时的数据开发的，”该研究的主要作者朱莉娅·格林（Julia Green）说。她是亚利桑那大学的环境科学教授，目前不是柠檬树项目团队成员，但之前的研究曾获得该项目资助。“在极端条件下，它们的表现往往不太好。”

柠檬树项目团队希望通过彻底重建植物模型来解决这个问题。特别是，他们以“生态进化最优性理论”为 指导。

“这一理论认为，通过进化和生态过程，植物会生长在最适应的环境中，”哈里森说。要基于这一理论创建新模型，“我们只需要找出植物所做的权衡。”

光合作用是植物进行权衡的一个领域。植物必须打开气孔吸收二氧化碳来制造糖分，但在干燥天气中，气孔打开时间过长会导致植物枯萎。如果植物冒险长时间打开气孔，就会干涸死亡。但过于保守的植物会被吸收更多碳、生长更快的植物淘汰。久而久之，找到完美平衡的植物将会胜出。

目前，植物捕获碳的能力正略有提升。

考虑到这种平衡，研究人员开发了一个方程来表达气孔导度和光合作用之间的权衡。他们利用反映冠层绿度的遥感数据拟定了这一方程，随后通过实地观测站的二氧化碳测量数据对该方程进行了验证。通过与实地数据的对比，他们可以检验该模型是否能正确预测光合能力。

研究人员表示，经过与观测数据对比后的一些调整，这个单一的光合作用方程可以替代陆地表面模型中多个更复杂的方程。“我们最终得到的模型，经证明比传统模型精确得多，而且简单得多，”柠檬树项目首席研究员、伦敦帝国理工学院教授科林·普伦蒂斯说。

该团队还在研究其他与植物相关的数学方程，例如确定不同环境下叶面积和植物呼吸速率的方程。这些方程不依赖于预先定义的植物参数，而是计算给定位置的最佳 “植物数学”，展示植物如何根据气候优化生长策略。雷丁大学气候科学家、柠檬树项目团队成员皮尔·路易吉·维达莱（Pier Luigi Vidale）说，这使气候建模人员能够做出更灵活、也更准确的预测。“我们希望摒弃所有这些描述植被行为的参数，尝试动态计算这些数值。”

气候模型中植物数学表达的改进，有助于解答生态学家长期以来的疑问。重要的是：地球植物会因额外的二氧化碳而繁茂，还是会因更干燥的条件导致干枯？空气中二氧化碳增多时，植物可以在气孔打开时间更短的情况下生产相同数量的“食物”，这种效应被称为二氧化碳施肥效应。但这种益处仅限于植物获得足够水分和养分的情况。哈里森说，有了改进的植被模型，“我们能够预测当气温升高和二氧化碳增加同时发生时，会出现什么情况。”

循环利用：旧的气候模型难以捕捉植物在地球水碳循环中复杂的动态作用。新一代模型正致力于基于真实数据和更优的数学方法进行重新校准。图片来源：利诺约卡鲁（linojocaru）/ Shutterstock

她说，新模型表明，近期大气中二氧化碳增加的影响是“施肥效应”——全球植被整体绿化程度在提高，这意味着目前植物捕获碳的能力正在略有提升（尽管远不足以抵消不断增加的人类排放）。

但极端条件会改变这种平衡，柠檬树项目的研究人员希望他们的模型能更好地预测这一点。如果干旱导致植物关闭气孔，它们向大气中释放的水分就会减少，从而减少云层中的水分和降雨量，进而可能导致更干燥的条件。要预测这种剧烈的反馈效应，研究人员需要明确水分含量与植物水分传导之间的关系。“如果我们能够正确预测植被情况，那么我们就能更准确地预测气候可能的样子，” 哈里森说。

方程最终确定后，下一步将是观察它们在更大型的气候模型中表现如何。然后研究人员可以对比该模型输出结果与之前的陆地生态系统模型的表现。柠檬树项目将于2027年6月结束，之后，由欧盟资助的气候建模项目“协奏曲项目（CONCERTO）”的科学家将与该团队合作，开展下一步工作，探索包含新植物数学的模拟中大气与地表的相互作用。CONCERTO全称为通过多尺度模型和地球观测改进陆地生态系统碳循环表征（improved CarbOn cycle represeNtation through multi-sCale models and Earth obseRvation for Terrestrial ecOsystems）。

“这是构建模型的一种非常有效的方式，”佐治亚大学地理学与大气科学教授安娜·哈珀（Anna Harper）评价该团队的生态进化最优性方法。哈珀没有参与柠檬树项目。她补充说，尤其是在模型对陆地过程的预测仍相对不确定的情况下，任何改进都是受欢迎的。“任何有助于更好地描述碳循环的东西都令人兴奋。”

话虽如此，用一套新的植物方程重新启动模型并非易事。如今的气候模型是经过多年调整的结果——当模型输出与观测数据不一致时，科学家会调整变量。调整后，模拟结果可能会得出正确答案，但原理却是错误的。因此，即使新的植物数学更准确，也可能影响模型中的其他计算。“这需要时间，因为即使人们认同模型有所改进，你仍然需要确认它不会产生意外后果，” 哈珀说。

尽管这些变化可能会带来麻烦，但该团队认为从长远来看是值得的。维达莱说，几十年前开发的气候模型需要更新。“我们仍然需要开发模型并承担巨大风险，就像我们现在所做的那样，” 他说。“最终，即使这是一次巨大的失败，也是值得的。不过到目前为止的迹象表明，它是有效的。”

作者：Ula Chrobak

翻译：姬子隰

审校：7号机

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编辑：姬子隰

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