南京大学Nature Communications|2024年全球大气CO₂增长率破纪录:生态系统呼吸激增是主因
2024 年为有观测以来最热年份，伴随极端降水、干旱与火灾事件，全球大气 CO₂年增长率达 3.73 ppm・yr⁻¹，大幅超越 2015/2016 年厄尔尼诺事件期间的历史峰值。本研究整合卫星大气反演、总初级生产力估算与火灾排放数据，揭示该纪录式增长的核心驱动机制：全球陆地碳汇大幅减弱，而陆地碳汇衰减的主导因素是生态系统总呼吸（TER）的急剧上升，该现象主要发生在草地与灌丛生态系统，由 2024 年复合高温高湿气候条件引发。研究同时指出，全球变暖背景下复合湿热极端事件频次与强度增加，将使生态系统呼吸变化更剧烈，形成对气候变暖的正反馈效应。
1 科学问题
- 2024 年创纪录的大气 CO₂增长率，其核心驱动因子是人为排放还是陆地生态系统碳循环异常？
- 陆地碳汇衰减的主导过程是总初级生产力（GPP）下降、生态系统呼吸上升，还是火灾碳排放增加？
- 不同气候区与生态系统类型，对 2024 年极端气候的碳循环响应存在何种差异？
- 复合高温高湿 / 高温干旱极端事件，如何调控生态系统呼吸与碳汇功能？
- 未来气候变暖背景下，生态系统呼吸异常是否会持续削弱陆地碳汇，加剧气候反馈？
2 研究方案
数据与反演方法
采用第二代全球碳同化系统（GCASv2），同化 OCO-2 卫星的柱浓度干空气 CO₂（XCO₂）反演数据，估算 1°×1° 分辨率的月均净生物圈交换量（NBE）；融合两套火灾排放数据集（GFED4.1s、GFAS）与两套生物圈通量模拟结果作为先验信息，提升反演可靠性。结合两套卫星遥感 GPP 产品（GOSIF GPP、FluxSat GPP），基于公式 TER=NBE+GPP - 火灾碳排放，拆分计算生态系统总呼吸（TER），量化 2024 年相对 2022 年的碳通量异常。按森林、灌丛 / 草地、农田划分生态系统，按纬度带与 RECCAP 区域划分地理单元，解析不同单元对全球碳通量异常的贡献。结合气温、陆地水储量（TWS）等气候数据，分析碳通量对复合湿热 / 干热极端事件的响应；采用非线性回归与残差分解，量化气候与 GPP 对 TER 异常的直接与间接贡献。利用全球 26 个地面背景站 CO₂观测数据、98 个涡度协方差（EC）站点通量数据，验证反演与估算结果的准确性。3 结论
碳汇衰减主导 CO₂增长
2024 年全球净碳通量较 2022 年增加 2.87 PgC・yr⁻¹，其中净生物圈交换量正异常达 2.62 PgC・yr⁻¹，贡献 91% 的净碳通量异常；化石燃料与水泥碳排放仅增加 0.27 PgC・yr⁻¹，海洋碳汇微弱上升，表明陆地碳汇大幅衰减是 CO₂增长率破纪录的主因。2024 年 GPP 正异常 2.28 PgC・yr⁻¹，可抵消部分火灾碳排放，但 TER 正异常高达 4.30 PgC・yr⁻¹，远超 GPP 增幅，成为陆地碳汇衰减的主导因子；火灾碳排放正异常为 0.65 PgC・yr⁻¹，贡献相对有限。灌丛 / 草地对全球 NBE 异常贡献达 49%，森林贡献 33%，农田贡献 18%，非森林生态系统是碳汇衰减的主体；热带地区（23°N-23°S）贡献 1.42 PgC・yr⁻¹ 的 NBE 正异常，为全球最主要贡献区域，南美洲、非洲、北美洲是贡献最大的 RECCAP 区域。高温干旱条件下，GPP 降幅超过 TER 降幅，导致碳汇减弱；高温高湿条件下，TER 增幅显著高于 GPP 增幅，成为碳汇衰减的主导；全球多数区域 2024 年均温仍低于 TER 最适温度，未来变暖将进一步推动 TER 上升。灌丛 / 草地中，气候异常对 TER 正异常的直接贡献为 35%，GPP 的间接气候贡献为 65%；森林与农田中，气候异常分别贡献 63% 与 43% 的 TER 异常。1. 以 2022 年为基准年，未采用多年平均值，2022 年区域极端气候可能引入估算偏差。2. 仅用降水与陆地水储量表征水分条件，未完全体现土壤有效水分、大气干旱度与前期气候的影响。3. 火灾数据集未区分火灾类型，未考虑火灾后植被死亡的长期碳损失效应。4. 仅依赖 GCASv2 单一反演系统，未来需开展多反演系统交叉验证。5. 无法区分自养呼吸与异养呼吸对 TER 异常的独立贡献。1. 全球变暖将加剧复合湿热极端事件，生态系统呼吸异常将成为调控陆地碳汇年际变化的主导因子，需强化该过程的机制研究。2. 需发展高分辨率生态系统呼吸组分拆分方法，量化自养与异养呼吸的气候响应差异。3. 整合多源大气反演、地面观测与遥感数据，提升全球与区域碳通量估算的精度。4. 改进气候 - 碳循环模型，纳入复合极端事件与生态系统呼吸的非线性响应，提升气候反馈预测能力。5. 亟需采取人为减排与生态系统调控措施，降低生态系统碳排放，提升陆地碳汇能力，遏制气候持续变暖。文章来源：生态环境科学
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