一、导读
2023年，全球经历了有记录以来最热的一年，其中加拿大森林遭遇了超过2 ℃的异常高温、史无前例的干旱与极端野火。已有研究普遍认为极端气候会削弱陆地生态系统碳汇能力，南京大学国际地球系统科学研究所江飞教授课题组利用构建的多源数据融合的综合分析框架，发现此次极端热浪干旱期间加拿大森林的净碳吸收反而显著增强，其原因是高温干旱导致生态系统的呼吸碳排放大幅降低；而现有主流动态植被模型均无法模拟这一现象。该研究成果以“Canadian net forest CO2 uptake enhanced by heat drought via reduced respiration”为题，发表于国际顶级期刊Nature Geoscience（https://doi.org/10.1038/s41561-025-01875-1），为全球变暖背景下北方森林碳循环的响应机制研究提供了全新视角。
二、正文
1. 极端气候下的北方森林碳汇谜题
陆地生态系统每年吸收约30%的人为二氧化碳排放，是减缓气候变化的关键“天然碳库”，而北方森林是全球陆地生态系统的重要组成部分。加拿大森林在减缓大气二氧化碳增长速率和气候变暖方面发挥着至关重要的作用。
然而，极端气候事件对北方森林碳循环的影响始终存在巨大争议。关于极端气候下北方森林碳汇的时空变化特征、核心驱动过程以及响应机制，科学界尚未形成明确结论。传统观点认为，高温干旱通过降低植被光合碳吸收或增加生态系统呼吸碳排放，导致森林碳损失，甚至由“碳汇”转变为“碳源”。2023年是有记录以来最热的一年，创纪录的高温干旱袭击了加拿大森林，同时引发了前所未有的极端野火，这为研究北方森林碳汇对极端气候事件的响应提供了机遇。
2. 方法：多源数据融合的创新分析框架
为了精准解析2023年加拿大森林的碳汇动态，江飞教授团队构建了多源数据融合的综合分析框架，确保研究结果的可靠性和鲁棒性。研究团队采用自主研发的全球碳同化系统（GCASv2），结合全球碳计划的大气反演结果（GCB2024）以及来自地面站点的CO2通量和浓度观测数据，多维度评估加拿大森林的净碳吸收变化。在此基础上，结合基于卫星遥感的总初级生产力（GPP）产品和反演的净生态系统生产力（NEP，正值表示碳吸收，负值表示碳排放）估算生态系统呼吸（TER），以揭示碳汇变化的机理。此外，还对比了当前主流的14个动态全球植被模型模拟结果，系统评估现有生态系统模型对极端气候影响加拿大森林碳循环过程的模拟能力。
3. 核心发现：三大突破性结论挑战现有认知
1）极端热浪干旱期间加拿大森林净碳吸收显著增强
研究发现，与2015-2022年相比，2023年加拿大森林的净碳吸收（NEP）整体增加了0.28 PgC，这一增量相当于2023年加拿大人为碳排放的148%。净碳吸收的增强主要集中在加拿大森林的西部以及东南部地区（图1a-b）；净碳吸收的增强从5月开始，一直持续至10月，其中夏季（6-8月）贡献最为显著（图1g-h）。
来自地面观测的CO2通量和浓度观测进一步独立验证了这一结论：加拿大的CO2通量站数据均表明2023年的NEP明显偏高（图1c）；CO2浓度观测站也记录到了这一年CO2季节振幅的明显增大（图1i）。充分证明，2023年极端高温干旱并未导致加拿大森林的净碳吸减弱，而是增强。
图1. 2023年加拿大森林碳通量异常（该年值与2015-2022年均值之间的差值）的时空格局。（a-b）2024年NEP异常的空间格局；（c）基于地面CO2通量站点观测的NEP异常空间格局；（d-e）2024年TER异常的空间格局；（f）2024年GPP异常的空间格局；（g-h）2024年NEP、GPP、TER的月尺度异常；（i）2024年CO2浓度的季节振幅异常。最左侧一列（a、d、g）为基于GCASv2系统反演的结果，中间一列（b、e、h）为基于全球碳计划GCB2024多模型集合的结果。
2）生态系统呼吸的大幅降低是净碳吸收增强的最主要原因
传统观点认为，北方森林净碳吸收变化主要由光合碳吸收（GPP）主导，但本研究揭示了截然不同的驱动机制：2023 年加拿大森林净碳吸收的增强，90%源于生态系统总呼吸（TER）的大幅减少，而非GPP的增加。
研究发现，在TER大幅降低的区域呈现出明显的NEP增强现象（图1d-e），并且夏季TER的降低也与NEP的大幅增加一致（图1g-h）。进一步分析表明，夏季TER的减少主要受两个关键因素驱动：（1）严重的根区土壤水分亏缺抑制了根系和土壤微生物活性；（2）生态系统呼吸对温度的单峰响应特征，即当温度超过最适温度阈值（14-15 ℃）后，生态系统呼吸速率随温度的升高而下降，2023年夏季的极端高温超出了这一最适范围，导致 TER 显著降低（图2）。
而2023年GPP的变化则呈现明显的季节差异：春季增暖导致植被的生长季开始时间提前，促进了植被光合碳吸收，有效抵消了夏季高温干旱导致的光合碳吸收降低，最终导致全年GPP微弱增加。
图2.加拿大森林TER对2023年夏季高温干旱的响应。（a）2024年夏季温度异常；（b）2024年夏季根区土壤水分异常；（c, f）TER对温度的响应；（d, g）TER对根区土壤水分的响应；（c, f）TER对GPP的响应。中间一行（c、d、e）为基于GCASv2系统反演的结果，最下一行（f、g、h）为GCB2024多模型集合的结果。
3）现有植被模型难以模拟极端气候下的呼吸响应
研究发现，当前主流的动态全球植被模型（DGVMs）普遍无法准确模拟 2023 年加拿大森林的碳通量动态。14个动态植被模型中，仅有约一半模型模拟出了净碳吸收的增加，且这些模型普遍将其归因于GPP的增加，而非TER的降低。
进一步分析表明，动态植被模型的偏差主要源于两个关键缺陷：（1）多数模型采用指数或近指数函数描述TER对温度的响应，未能捕捉到实际存在的单峰响应特征，导致高温条件下 TER 被高估；（2）模型不能有效刻画呼吸对土壤水分响应的敏感性，无法准确模拟根区土壤水分亏缺对呼吸的抑制作用。此外，部分模型未能模拟出夏季干旱导致的 GPP 下降，进一步加剧了 TER 模拟的偏差。
图3.动态植被模型模拟的2023年加拿大森林碳通量变化以及TER对温度和根区水分的响应特征。
4. 研究意义：为全球气候治理与模型改进提供关键参考
准确模拟生态系统碳吸收对极端气候的响应是预估未来气候变化的关键。本研究揭示了极端热浪干旱通过抑制生态系统呼吸增强北方森林净碳吸收的全新机制，挑战了 “极端气候必然削弱区域碳吸收” 的传统观点。这一发现表明，生态系统呼吸过程对水热条件的响应在调节极端气候下的森林碳循环中扮演着关键角色，加深了北方森林碳汇碳循环动态及其对极端气候响应的科学认知。同时，研究明确了呼吸对根区土壤水分亏缺和温度的响应特征及其在调控生态系统呼吸速率中的关键作用，为量化极端气候对北方森林碳吸收的影响提供了关键参数。
在全球气候变暖背景下，极端高温干旱事件频发，本研究的发现为更精准地预测未来北方森林碳汇潜力提供了重要依据。研究表明，北方森林生态系统的呼吸过程可能成为极端气候下碳损失的 “缓冲器”，这一认知有助于提升全球陆地生态系统碳汇的准确性，为《巴黎协定》等国际气候协议的实施提供科学支撑。
此外，研究发现的现有动态植被模型存在的关键缺陷，为模型改进指明了方向。未来需要优化生态系统呼吸过程对温度和水分响应的模拟方法，以提升模型对极端气候下陆地生态系统碳循环动态的模拟能力，为全球气候变化情景预测提供更可靠的工具。
5. 总结
在2023年创纪录的极端热浪干旱期间，加拿大森林通过生态系统呼吸的显著减少，实现了净碳吸收的增强。这一颠覆性发现挑战了科学界对极端气候与森林碳汇关系的传统认知，完善了北方森林碳循环对极端气候的响应机制，为全球气候治理和生态系统模型改进提供了关键科学支撑。随着全球变暖加剧，极端气候事件将更加频繁，未来需要进一步加强对碳循环关键过程（尤其是生态系统呼吸过程）的观测与研究，深化对生态系统碳汇响应机制的理解，为应对全球气候变化、实现碳中和目标提供更坚实的科学保障。
该研究由南京大学国际地球系统科学研究所（第一单位）牵头，联合了北京大学碳中和研究院、法国气候与环境科学实验室、荷兰瓦赫宁根大学、美国喷气推进实验室、日本国立环境研究所、加拿大蒙特利尔大学、英国埃克塞特大学、德国马普生物地球化学研究所、瑞士伯尔尼大学等国内外30余家科研单位完成。南京大学2024级博士研究生董冠宇为论文第一作者，南京大学江飞教授为通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划课题（编号：2023YFB3907404）、国家自然科学基金（编号：42125105、42377102）以及江苏省杰出青年基金（编号：BK20231530）等资助。
近年来，南京大学国际地球系统科学研究所在区域和全球陆地生态碳源汇优化计算及其机制方面取得了系列高水平成果。江飞教授团队在国家重点研发计划项目支持下，研发了具有我国自主知识产权的全球碳同化反演系统GCASv2，同化卫星CO2柱浓度观测数据，反演全球1°×1°地表碳通量。相比国际上其他同类系统，GCASv2 具有更好的反演精度，能更好地揭示不同地区陆地碳汇的年际变化，捕捉极端气候事件对陆地碳汇的影响。基于该系统，生产了基于GOSAT卫星XCO2的2010-2019 年的全球1°×1°的陆地生态系统碳通量产品；阐明了我国陆地碳汇的时空格局；揭示了全球碳排放前5国家和地区的近十年的碳中和状况及变化趋势；量化了2019年极端印度洋正偶极子（pIOD）对印度-非洲和亚太地区陆地碳汇的影响以及2024年复合高温干旱对亚马逊热带雨林碳汇的影响；创新了野火碳排放反演方法并发现非洲野火碳排放存在广泛低估。成果发表在Atmos. Chem. Phys. (2021, 2025），Geophysical Research Letters (2022，2025), Earth System Science Data (2022), Journal of Geophysical Research: Atmospheres (2023), Journal of Advances in Modeling Earth Systems (2023), Journal of Geophysical Research: Biogeosciences (2022), Fundamental Research (2022), The Innovation Geoscience (2025) 等期刊。
GCASv2系统入选了国家“十三五”科技创新成就展，研究成果先后被中国科学院向党中央、国务院呈送的《统筹全国力量，尽快形成面向碳中和目标的技术研发体系》报告以及《江苏省碳中和路线图研究》、《全球人为源碳排放与陆地生态系统碳收支遥感评估科学报告》等报告所采用，引起了重要的反响。此外，该系统也支撑了全球碳计划（GCP）2023年以来每年的《全球碳收支》报告，为全球以及不同地区的陆地碳汇估算提供了精细的数据支撑，为全球碳盘点发出了中国声音。并且，在参加GCP的所有14个全球同化系统性能的第三方独立评估中，综合性能位列全球并列第三。同时，该系统也在国家卫星气象中心、生态环境部卫星环境应用中心、生态环境部中国环境总站等国家级单位得到业务化应用，支撑了生态环境部的“城市碳监测试点计划”，在唐山、杭州、丽水、宁波、济南、北京、重庆、鄂尔多斯等8个城市（试点计划共16个城市）得到落地应用。
