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编者按
1978年，中国启动了迄今已持续40年之久的“三北防护林工程”，这一原本旨在防风固沙、减缓水土流失和荒漠化的工程，在新的时代背景下与1999年开始的“退耕还林工程”一起被赋予了“减缓气候变化”的新含义，背后的逻辑简单、清晰、令人振奋——植物经由光合作用吸收大气中的二氧化碳，将其转为生长所需的碳固定下来，因此通过植树造林可以减少大气二氧化碳，减缓气候变化。
然而，现实世界总是复杂的，生态系统尤其如此。在《知识分子》“气候大会特别策划”系列的第四篇文章里，三位研究森林生态的学者指出，在人类每年因燃烧化石燃料排放的海量二氧化碳面前，森林减少大气二氧化碳的作用即使按照最乐观的估计也是杯水车薪，而且森林对地表反照率的改变，可能会加重高纬度地区的暖化情况。因此，减排仍然是应对气候变化的首要之事，不应过分夸大植树造林在减缓气候变化上的作用。
撰文 | 杨 曦（弗吉尼亚大学）
徐湘涛（康奈尔大学）
印 轶（加州理工学院）
责编 | 夏志坚
植树造林是众多应对气候变化的手段中的一种。我们需要清醒地意识到植树造林的优点和局限性。综合考虑各种固碳和减排手段的利弊，探索适合国情的应对气候变化的最优方案。
森林占全球陆地面积（除去南极洲）的三分之一 [1]，不仅能够提高生物多样性，为野生动物提供重要栖息地，也为人类提供了审美和休憩的场所，并且能保持水土，提供木材，以及固碳 [2,3]。
由于森林的众多益处，植树造林已经成为了全人类的共识。2011年，由国际自然保护联盟（IUCN）牵头，众多国家参与的《波恩挑战》（Bonn Challenge）提出了在2020年恢复1.5亿公顷已退化土地、并在2030年恢复3.5亿公顷的目标。
除了保护自然生态平衡，不少研究提出要利用植树造林来作为应对气候变化的手段，因为森林和其所在的土壤一起存储的碳量比大气中二氧化碳总量还要多 [4]。除去我们通过化石燃料排放的二氧化碳以外，人类文明发展带来的土地利用变化，例如森林砍伐、开垦农田等，已经释放了陆地生态系统中大约200Pg 碳（1 Pg碳 = 1015克碳，2018年全球化石能源碳排放量是10 Pg 碳）[4]，而植树造林可以让陆地生态系统重新吸收这些二氧化碳。
最近，《科学》上一篇争议极大的论文做了一项估算 [5] ：如果把地球上可以种树的地区都种上树，大约有200 Pg碳可以存储在森林里面（注1），大约占人类从工业革命到现在总排放量的⅓。如果真的如此，显然植树造林会是一个应对气候变化强有力的武器。该项研究的作者声称“这是迄今为止最有效的应对气候变化的手段”
事实是否真的如此呢？回答这个问题，首先要从森林对气候的各种反馈作用说起。
森林和气候
1. 森林的生物地球化学作用
生物地球化学作用主要是通过光合作用来降低大气中二氧化碳的含量。每年森林净吸收碳量（光合作用减去呼吸作用）大约是3 Pg碳。在化石能源排放（目前约10 Pg碳/年 [4]）的大背景下，植树造林对大气二氧化碳浓度的影响实际是非常有限的。同时火灾和森林砍伐大约会抵消掉1 Pg 碳。2 Pg碳看起来是一个不小的数字，但森林能起到的减缓气候变化的作用实际上杯水车薪。
大家也许都做过进水出水的数学题吧？如果我们把大气中的二氧化碳看做泳池里面的水，那么森林的碳吸收就是那个出水口，而人类造成的二氧化碳排放就是那个进水口。要做到大气中的二氧化碳含量减少或者至少不变，那么“出水”需要大于或者等于 “入水”
我们可以做一个简单的计算：假设一个响指间，我们在全球可以再造林的地方都种上幼苗，且这些幼苗需要大约50年的时间长大为成熟林（实际时间可能更长），达到固碳能力的最高峰。所以在接下来的50年里，平均每年的 “出水” 是2-4 Pg碳左右（如果前述《科学》论文所称的200 Pg碳在50年里能被新生的森林存储，那么每年的“出水”就是200/50=4Pg；如果按照大部分科学家估计的100 Pg碳被存储来算，则是100/50=2Pg），仅是人类目前年排放量（“入水”）的20%-40%, 泳池里的水仍然会不断上涨 [4]。因此，仅仅依靠森林是不能减少大气二氧化碳含量的。
最近《自然》上的一篇文章总结了利用和移除二氧化碳的十大技术手段 [6]，其中也包含了植树造林和可持续林业管理。与其他一些手段（比如生物能源与碳捕获和储存——BECCS，或者增强风化——Enhanced Weathering）相比，植树造林的二氧化碳移除能力居中，不确定性也比较大。同时，森林储存的二氧化碳被重新排放到大气的可能性比其他手段要高很多。近年来各地频发的大火以及干旱造成的树木死亡（比如加州以及亚马逊的大火 [7,8]），以及随着气候变化可能升高的火灾频率和强度 [9]，都在表明未来我们可能越来越难以维持森林这个地球上极为重要的碳库。
2. 森林的生物地球物理作用
森林的生物地球物理作用主要是通过调节反照率和蒸腾作用来影响气候。
植物在进行光合作用的时候吸收二氧化碳，但同时水蒸气也从植物进入大气。这样的蒸腾作用能有效地降低森林的温度，就像我们夏天往手臂上洒水一样，一阵风过后手上能感到一丝凉意。因此，当水分充足的时候，森林的蒸腾作用能让局地气温降低。
但是，蒸腾作用在降低局地气温的同时，可能会带来一个副作用，那就是改变地表径流和土壤水分。通过蒸腾作用，植物相当于把降水“还给了”大气。最近一些研究表明森林通过增加蒸腾（注2），可能会减少全球很多地区的地表径流或者土壤湿度 [10-12]。对于干旱地区（或者未来可能变*地区）来讲，这可不是一个好消息。
蒸腾作用之外，森林还可以通过改变地表所吸收的太阳辐射来改变地面温度。地表反照率是被反射的太阳辐射占到达地面的太阳辐射的比例。和裸土、草地或者农田相比，森林的反照率要低一些。反射越少，吸收的能量就越多，从而导致地表温度会更高（注3）。
著名的天文学家和科幻作家卡尔萨根对这个话题也有所涉猎。在1979年的一篇《科学》论文里，卡尔萨根计算了人类活动在过去上百万年（特别是文章发表前25年间）对地表反照率的影响，并且发现 “地球上很多地区，中东...以及欧洲和美国，都因为人类活动对局地气候产生了影响” [13]。卡尔萨根通过模型计算发现从1954到1979年，砍伐森林和荒漠化导致地表温度降低了0.2℃。
蒸腾作用和反照率，一个是负反馈（降温），而一个是正反馈（升温），到底哪个作用更大呢？综合在一起，森林到底会使得地面温度升高还是降低呢？答案取决于纬度和水分条件。
研究表明在高纬度地区，森林的存在实际上使得地表温度升高（反照率作用大于蒸腾），赤道地区森林能有效降低地面温度（蒸腾大于反照率），而温带地区夏季以降温为主，冬季升温，全年总体降温 [14，15]。森林也能显著的改变云的形成和降水，比如说亚马孙雨林地区的降水很大程度上是由蒸腾作用带来的——每天雨林蒸腾作用产生的水量和亚马孙河每天流入大西洋的水量相当 [16]。
3. 两者的复合影响
森林的地球化学和地球物理作用还会复合起来影响气候。
森林除了吸收二氧化碳和释放水分以外，还排放一些挥发性的化学物质。这些化学物质统称植物挥发性有机物（Biogenic Volatile Organic Compounds, BVOC）。BVOC 会增加空气中的气溶胶（aerosol）。这些气溶胶能够散射或者吸收太阳光，因此对气候的影响很复杂。
美国著名的大烟山的名字由来就是由于森林释放大量的 BVOC 和其形成的气溶胶散射了更多的蓝光，导致从远处看去森林带有一种幽幽的蓝色。BVOC 也会影响臭氧的形成。在离地面较高的平流层，臭氧是保护我们免受紫外线伤害的保护伞。但在地面，臭氧是一种污染物，会带来各种健康问题 [17]。森林通过释放 BVOC带来的环境影响还是一个重要的前沿话题，因此BVOC的综合环境影响还需要进一步的研究。
图1.森林的主要生物地球物理作用和生物地球化学作用。加号表示该作用会提高地表温度。森林的反照率比裸土或者草地要低，因此会反射更少的太阳光（也就是吸收更多太阳光），导致地面温度升高。森林通过吸收二氧化碳和蒸腾作用降低地面温度。此外森林通过释放植物挥发性有机物影响气溶胶的形成。气溶胶能影响云的形成，从而可能反射更多的太阳光，但同时气溶胶也可能因为吸收太阳光而提高空气温度。因此，气溶胶对气候变化的影响较为复杂。植物挥发性有机物能导致更多的臭氧的产生。此外，最近一些研究表明蒸腾作用会影响地表径流，从而导致河流水量减少。
也许你已经发现了，研究植树造林对气候变化的影响是一个交叉学科问题， 包括生态学、气候学、大气化学、水文学以及生物气象学。不同影响的时空尺度也会有很大差异。生物地化作用（例如吸收二氧化碳）的影响往往是全球性的，而生物地球物理过程（反照率）的影响往往局限于一个区域。综合量化植树造林可能带来的影响对政策制定和选择绿化的具体手段极为重要。
讨论森林对应对气候变化带来的反作用和鼓励砍伐森林是两回事。没有人会否认森林对改善环境起到的关键作用，但我们需要认识到森林对减缓气候变化作用有限，我们应该在扎实的科学研究结果的支持下，合理地实行适合当地自然社会环境的绿化政策，使之成为一种改善环境的有效手段。
中国在过去几十年里实施的植树造林政策取得了巨大的成果，也走了不少弯路。最近《自然》杂志上一篇关于中国退耕还林还草工程（Grain to Green Project）的文章引起了不少争议。从气候变化的角度来看，这个工程的成果如何，未来又会怎样呢？
植树造林在中国：成果和隐忧
植树造林以及退耕还林还草政策已经在中国取得了肉眼可见的效果。
自从1978年以来，三北防护林计划在中国北方十三个省、市、自治区种下了660亿棵树。NASA 的卫星数据显示，尽管中国的植被面积仅占全球的6.6%，但是2000-2017年间中国的叶面积（leaf area）增长却占到同期全球增长的25% [18]，其中一大部分（42%）是森林的增加带来的。这些森林主要分布在黑河腾冲线以东的地区。
从1982年到2016年，中国北方地区的植被覆盖增加明显，并且主要是由较为矮小的植被（short vegetation）带来的 [19]。中国政府计划在2050年以前在黄土高原再投入588亿元用于退耕还林还草。截至2019年，中国的森林覆盖率达到了22.96% [20]。
维持植树造林的成果需要看未来气候变化的趋势。在某些水资源缺乏的地方（比如黄土高原），植树造林可能已经到达极限。2016年，《自然-气候变化》发表的一篇关于黄土高原植树造林的研究论文就是关于这个话题。研究人员发现黄土高原能承载的植被可能已经到达了上限。而人类活动（比如地下水开采）或者气候变化带来的干旱化 [21,22] 可能会使得这些森林的固碳能力在未来大大下降（注4）。最近《自然》的一篇新闻报道表达出对中国植树造林的担忧，特别是在干旱半干旱地区。
选择合适的植物和治理手段相当重要。在干旱缺水的地方，灌木或草才是更适合的植物。一系列研究表明在干旱半干旱地区植树造林需要适度 [23]：过少的植被会导致水土流失和生态系统恶化，而过多的植被（40~50%以上）也会影响生物多样性和水土保持。总体上来讲，植树造林的其他环境影响（地表能量平衡，水资源，大气环境）的研究还不够完善，特别是在干旱半干旱地区。随着政府在这方面投资的进一步加大，相关的科学研究需要进一步跟上。
文中注释
注1：原文中估算适宜种树的区域实际上也过于乐观：一些气候不适宜种树的地区（比如温度或者水分条件不适合，或者火灾过于频繁）也被计算在内。但本文假设在这样乐观的情况下，到底有多少二氧化碳可以被固定。另外多篇针对该文章的评论指出该文画出的再造林面积仅占从工业革命以来砍伐森林面积的39%，因此200 Pg碳的数字过高，合理的数字应该在80-100 Pg碳左右。
注2：通过二氧化碳施肥效应（CO2 fertilization），植物会减少单片叶片的蒸腾量，但会长出更多的叶片。研究表明二者综合的结果是植物的蒸腾作用会随着二氧化碳浓度升高而升高。
注3：这里的地表温度是指森林冠层顶部的温度。读者也许会奇怪，为什么我走进森林里面反而感到更凉快呢？那主要是因为森林冠层吸收或者反射了大部分的太阳光，从而使得森林底部相对于空旷的草地来说温度较低。但同样的原理使得森林冠层顶部温度更高。
注4：取决于未来气候变化的情景，在最坏的情况下，植被生产力会下降36%。当然在最好的情况下，如果地区水分充足，同时人类利用水资源的总量不大幅度上升，那么植被生产力最大可以提高43%。
参考文献
[1]Bonan, G. B. (2016). Forests, Climate, and Public Policy: A 500-Year Interdisciplinary Odyssey. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 47(1), 97–121. https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-121415-032359
[2]Pan,Y., Birdsey, R. A., Fang, J., Houghton, R., Kauppi, P. E., Kurz, W. A., …Hayes, D. (2011). A large and persistent carbon sink in the world’s forests. Science, 333(6045), 988–993. https://doi.org/10.1126/science.1201609
[3]Pan,Y., Birdsey, R. A., Phillips, O. L., & Jackson, R. B. (2013). The Structure, Distribution, and Biomass of the World’s Forests. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 44(1), 593–622. https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-110512-135914
[4]Le Quéré, C., Andrew, R.M.,Friedlingstein, P., Sitch, S., Hauck, J., Pongratz, J., Pickers, P.A.,Korsbakken, J.I., Peters, G.P., Canadell, J.G. and Arneth, A., 2018. Global carbon budget 2018. Earth System Science Data (Online), 10(4).
[5]Bastin, J.-F., Finegold,Y., Garcia, C., Mollicone, D., Rezende, M., Routh, D., … Crowther, T. W.(2019). The global tree restoration potential. Science, 365(6448),76–79. https://doi.org/10.1126/science.aax0848
[6]Hepburn, C., Adlen, E.,Beddington, J., Carter, E. A., Fuss, S., MacDowell, N., … Williams, C. K.(2019). The technological and economic prospects for CO2 utilization and removal. Nature, 575, 87–97. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1681-6
[7]Stovall, A. E. L.,Shugart, H. H., & Yang, X. (2019). Tree height explains mortality riskduring an intense drought. Nature Communications, (2019), 1–6. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12380-6
[8]https://www.nytimes.com/2019/10/24/climate/california-wildfires-climate-change.html
[9]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/satellite-data-record-shows-climate-changes-impact-on-fires
[10]Goulden, M. L., &Bales, R. C. (2014). Mountain runoff vulnerability to increasede vapotranspiration with vegetation expansion. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(39), 14071–14075.https://doi.org/10.1073/pnas.1319316111
[11]Mankin, J. S., Seager, R.,Smerdon, J. E., Cook, B. I., & Williams, A. P. (n.d.). Mid-latitude freshwater availability reduced by projected vegetation responses to climate change. Nature Geoscience.https://doi.org/10.1038/s41561-019-0480-x
[12]Piao, S.,Friedlingstein, P., Ciais, P., de Noblet-Ducoudre, N., Labat, D., & Zaehle,S. (2007). Changes in climate and land use have a larger direct impact than rising CO2 on global river runoff trends. Proceedings of the National Academy of Sciences, 104(39),15242–15247. https://doi.org/10.1073/pnas.0707213104
[13]Sagan, C., Toon, O.B.and Pollack, J.B., 1979. Anthropogenic albe do changes and the earth's climate. Science, 206(4425), pp.1363-1368.
[14]Li, Y., Zhao, M.,Motesharrei, S., Mu, Q., Kalnay, E., & Li, S. (2015). Local cooling and warming effects of forests based on satellite observations. Nature Communications, 6, 1–8.https://doi.org/10.1038/ncomms7603
[15]Bala, G., Caldeira, K.,Wickett, M., Phillips, T. J., Lobell, D. B., Delire, C., & Mirin, A.(2007). Combined climate and carbon-cycle effects of large-scale deforestation.Proceedings of the National Academy ofSciences, 104(16), 6550–6555. https://doi.org/10.1073/pnas.0608998104
[16]https://www.ted.com/talks/antonio_donato_nobre_the_magic_of_the_amazon_a_river_that_flows_invisibly_all_around_us?language=en
[17]https://www.guokr.com/article/441478/
[18]Chen, C., Park, T.,Wang, X., Piao, S., Xu, B., Chaturvedi, R. K., … Myneni, R. B. (2019). China and India lead in greening of the world through land-use management. Nature Sustainability, 2(2), 122–129. https://doi.org/10.1038/s41893-019-0220-7
[19]Song, X. P., Hansen, M.C., Stehman, S. V, Potapov, P. V, Tyukavina, A., Vermote, E. F., &Townshend, J. R. (2018). Global land change from 1982 to 2016. Nature.https://doi.org/10.1038/s41586-018-0411-9
[20]http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=306645&do=blog&id=1074315
[21]Feng,X., Fu, B., Piao, S., Wang, S., Ciais, P., Zeng, Z., … Wu, B. (2016).Revegetation in China’s Loess Plateau is approaching sustainable water resource limits. Nature Climate Change, 6(11), 1019–1022.https://doi.org/10.1038/nclimate3092
[22]Huang, J., Yu, H., Guan,X., Wang, G., & Guo, R. (2016). Accelerated dryland expansion under climate change. Nature Climate Change, 6(2), 166–171.https://doi.org/10.1038/nclimate2837
[23]http://www.forestry.gov.cn/main/65/20190620/103419043834596.html
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