极端野火不仅会破坏生态系统和生物多样性，还向大气中释放大量有害污染物和温室气体，威胁人群健康与全球气候。近日，清华大学深圳国际研究生院郑博助理教授带领的国际研究团队基于自主研发的全球野火碳排放近实时量化追踪系统，发现全球变暖背景下土壤水分亏缺加剧，北半球中高纬地区（北纬50°以北）极端干旱事件显著增加，使得该区域逐渐成为全球野火活动及碳排放的热点地区。2021年北半球中高纬地区野火二氧化碳排放创历史新高，占当年全球野火碳排放的23%。
北极变暖速率是全球其他区域的两倍以上，气候变暖使植被茂盛生长，高温热浪将“燃料”变得异常干燥，导致北半球中高纬地区的野火发生风险增加。为准确、及时追踪全球野火排放，团队创新性地建立了利用一氧化碳卫星遥感数据反演全球野火二氧化碳排放的新方法，基于一氧化碳排放反演数据重构野火燃烧效率的时空动态变化，实现了对野火二氧化碳排放的高精度动态监测。
在这一新方法基础上，团队进一步自主研制了全球野火碳排放近实时量化追踪系统，反演量化了2000至2021年野火二氧化碳排放的时空格局，系统解析了北半球中高纬地区野火（以下简称“北方野火”）2021年创历史新高排放背后的驱动因素，揭示了气候变暖-野火排放之间的正反馈机制与潜在未来风险。
研究发现，北方野火二氧化碳排放自2000年以来呈上升态势，在2021年创纪录地达到了17.6亿吨，占当年全球野火碳排放总量的23%，而在20年前这一比例通常仅为10%左右。与此相反，受到广泛关注的赤道地区野火燃烧及碳排放呈下降趋势，年际振幅小于北方野火2021年排放异常高值，2021年排放量与多年平均水平相当（图1）。
图1 基于大气反演得到的北方野火排放年际和季节变化及与赤道地区野火排放的比较
研究结果显示，野火活动开始侵入以往较少发生的高纬度寒带森林，北方野火碳排放的时空分布格局正在产生剧烈变化，北方森林碳汇面临严重威胁（图2）。2000年北方野火碳排放主要集中于北纬50°到60°之间，但近年来北纬60°到70°的高纬地带的野火碳排放增长速率明显加快。2021年这一区域的野火碳排放相比2000至2020年平均值增加了300%以上，而在北纬50°附近野火排放只增加了70%。结合植被类型分布数据的分析结果表明，北半球高纬度地区野火碳排放的增长主要发生在森林覆盖率较高的地区。北方寒带森林土壤中富含有机碳，野火发生时地上植被和有机土壤同时燃烧，碳释放量巨大。以往高纬度地带受火灾干扰较少，但是目前受野火的影响正在增加，严重威胁北方森林土壤的碳汇功能。
图2 相对于2000-2020年均值，2021年北纬50°以北区域大气中CO柱浓度、野火CO2排放及气象参数距平
研究指出，土壤水分亏缺是北方野火燃烧增加的重要驱动力，野火向高纬度寒带森林的扩张与土壤水分亏缺程度的加剧密切相关，2021年的极端干旱与热浪共同助推了这一年的野火燃烧与碳排放打破历史纪录（图3）。在高纬度寒带森林，过去二十年夏季土壤水分亏缺程度逐年加重的区域均伴随有夏季野火燃烧及碳排放的快速增加。在水分亏缺严重的年份和地区，如2017年加拿大北部森林、2019年西伯利亚森林，均发生了严重的野火燃烧，二氧化碳排放量显著高于多年平均水平。2021年夏季，这两个区域的气温偏高、降水及土壤湿度偏低、热浪指数偏高，均达到了自2000年以来的极值水平。俄罗斯西伯利亚及加拿大北部森林同时出现严重的土壤水分亏缺，7至8月累计水分亏缺量均超过了20毫米，这在2000年以来是第一次出现。
在北极加速变暖，即北极放大效应下，未来北半球高纬度地区高温热浪和干旱可能会更频繁发生，类似2021年的极端野火发生的频率和强度可能持续增加，释放的二氧化碳排放则将进一步推动全球变暖，形成气候变暖-野火排放之间的正反馈。北极变暖趋势增加了森林生物量并加剧了土壤水分亏缺程度，伴随着蒸散发增强、空气湿度增大与北极地区雷暴增多，极端野火发生风险上升。在极端野火发生后土壤微生物群落和植被的恢复与重建缓慢，碳汇功能削弱，野火燃烧释放的大量碳推高大气中二氧化碳的浓度，促进全球变暖，极端野火发生的风险进一步增加。
图3 北美及欧亚大陆北方森林区域野火CO2排放及与土壤水分亏缺的关联分析
研究建议，未来应当加大对全球变暖背景下北方森林野火发生风险及生态环境影响的关注，建立野火排放动态监测与生态环境影响评估系统，预报野火发生风险、预警野火污染危害、监测野火排放通量、评估火后生态恢复与重建，为制定科学有效的野火管理与调控政策提供支撑。
郑博团队自2018年起着手研发基于卫星遥感的全球野火排放监测与反演技术方法，历经五年时间持续改进提升数据精度与准确性。团队构建的全球野火二氧化碳排放近实时量化追踪系统，可作为野火排放动态监测与生态环境影响评估系统的重要模块，动态评估野火对大气环境、生态系统与地球气候的影响。随着卫星遥感监测技术的迅速发展，这一系统未来将进一步完善。
上述相关成果以 “北方野火CO2排放2021年创历史新高”（Record-high CO2 emissions from boreal fires in 2021）为题以研究论文（Research Article）形式发表在《科学》（Science）期刊上，并入选当期亮点研究（RESEARCH HIGHLIGHTS）。
清华大学深圳国际研究生院郑博助理教授为论文第一作者兼通讯作者，清华大学地球系统科学系张强教授为论文共同通讯作者，清华大学深圳国际研究生院为第一单位。论文作者还包括中国科学院外籍院士、清华大学杰出访问教授、法国环境与气候科学实验室菲利普·西亚斯（Philippe Ciais）研究员，中国工程院院士、清华大学环境学院贺克斌教授，以及来自清华大学、哈尔滨工业大学（深圳）的多名国内合作者，和来自德国、澳大利亚、美国、荷兰、西班牙等国的十余名海外合作者。研究得到了中国科协青年人才托举工程、国家自然科学基金创新研究群体项目、清华大学深圳国际研究生院科研启动经费等项目的支持。
《科学》期刊在2023年3月2日举行的美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science，AAAS）年会上举办了专题新闻发布会（News Briefings），邀请包括郑博在内的四名论文作者出席，向全球百余名新闻媒体记者介绍该项研究成果的科学意义和价值。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0805
文/图：郑博
编辑：叶思佳
封面设计：王晨
审核：林洲璐
