“我們(men) 在西藏申紮建了野外台站，這是目前全球從(cong) 事生態觀測海拔最高的站。這個(ge) 地方的氧氣隻有內(nei) 地的50%，我經常調侃說這是神仙住的地方。”

王小丹

中國科學院、水利部成都山地災害與(yu) 環境研究所研究員

大家好，我是王小丹，來自山地所。非常感謝格致論道講壇的邀請，讓我分享研究二氧化碳過程中的一些故事。

氣候變暖的推手：二氧化碳

碳大家都很熟悉，它是支撐我們(men) 新陳代謝的重要元素，可以占到生命體(ti) 生物量的40%-48%，可以說生物量的一半都是由碳組成的。

同時，碳還是地球係統重要的環境要素，就是大家現在關(guan) 注的二氧化碳。自工業(ye) 革命以來，化石燃料的排放、森林的砍伐等導致了大氣中二氧化碳濃度的升高，據統計已經提高了大概30%。

“基林曲線”：地球的呼吸

這張圖是在美國夏威夷的一個(ge) 島上監測到的大氣二氧化碳變化曲線——基林曲線，這是基林博士在1958年的時候首次監測到的。其實他當時並沒有在監測二氧化碳，但他發現有這樣的變化後，就一直堅持觀測，到現在已經有62年的數據了。我們(men) 認為(wei) 基林曲線是20世紀最偉(wei) 大的科學發現之一。

二氧化碳濃度的升高會(hui) 帶來什麽(me) 樣的效應呢？研究表明，大致地球表麵每平方米增加了2.5瓦的熱量。人類在享受社會(hui) 和經濟發展的同時，也在承受著二氧化碳排放引起的環境苦果。我們(men) 要積極地去麵對它，就需要科技的支撐。

我國已經確定在2030年達到碳達峰，在2060年做到碳中和。這是一個(ge) 雄心勃勃的目標，也是一個(ge) 極其艱難的目標，因為(wei) 我們(men) 的生產(chan) 生活水平還要進一步提高和改善。

在這個(ge) 過程中有兩(liang) 條途徑：第一要減排，就是減少排放；第二要增匯，就是讓自然係統能夠吸收更多二氧化碳。 

地球碳庫總儲(chu) 存量約4.2萬(wan) Pg

（圖片來自網絡，數據來自IPCC）

這張圖顯示了地球幾大圈層的碳庫。實際上，岩石圈占了碳庫的大部分，達到90%以上。但它相對比較穩定，大家關(guan) 注得很少。另一個(ge) 主要的庫就是海洋，海洋庫的儲(chu) 存量大概是3.9萬(wan) Pg，1Pg相當於(yu) 10億(yi) 噸。大氣圈的儲(chu) 存量是750Pg。

大家知道植物吸收二氧化碳，排出氧氣。那麽(me) ，怎麽(me) 提高陸地係統的吸收功能呢？全球統計，陸地生態係統基本上可以吸收人類排放二氧化碳的30%。我們(men) 中國的統計是中國的生態係統大致可以吸收我們(men) 排放二氧化碳的10%-40%。

為(wei) 什麽(me) 要到青藏高原去研究碳？ 

那為(wei) 什麽(me) 我們(men) 要關(guan) 注青藏高原的碳呢？我把它歸納為(wei) “靜、淨、近”。

首先是青藏高原很安靜。西藏有120萬(wan) 平方公裏，第七次人口普查顯示常住人口大概是360萬(wan) ，也就是每平方公裏隻有3個(ge) 人，人類活動的強度很低，所以我們(men) 可以聆聽到大自然的聲音。 

第二是青藏高原很幹淨。我們(men) 經常講藍天、碧水、淨土，所以我們(men) 能夠排除其他因素對聆聽高原碳過程的影響。

俯瞰4000+ 米的“空中花園” 

第三是青藏高原離天很近，這樣地-氣的過程和輻射反饋的過程產(chan) 生的影響肯定比低海拔地區要強烈。這種高聳的地形帶來的地-氣的效應肯定是不一般的，它的影響不僅(jin) 僅(jin) 在高原內(nei) 部，還可能在周邊其他地區產(chan) 生更廣泛的影響。

青藏高原和碳有關(guan) 的陸表生態係統中，包括了森林。下圖展示的就是青藏高原的亞(ya) 高山森林。開花的是高山的杜鵑，這裏還有以雲(yun) 冷杉為(wei) 主的亞(ya) 高山樹木。

亞(ya) 高山森林

我們(men) 做了一個(ge) 初步的估算，現在西藏亞(ya) 高山的喬(qiao) 木和灌叢(cong) 的碳庫大概是9.3億(yi) 噸，土壤碳庫大概是17.7億(yi) 噸，兩(liang) 者加起來有27億(yi) 噸，這就是西藏森林的碳庫量。 

高寒草甸

除了森林以外，青藏高原還有一個(ge) 重要的陸表係統——草地。草地有很多的亞(ya) 類，其中麵積比較大的是草甸，主要分布在降水600-800毫米的濕潤地區，是一個(ge) 重要的碳庫。

高寒草原 

另一個(ge) 是高寒草原，相對高寒草甸，它分布的地方更幹旱，降水大概在400毫米以下，即幹旱半幹旱區。它的麵積大概占西藏草地麵積的49%。盡管它的固碳能力比森林和草甸弱，但它是野生動物的樂(le) 園，大家喜愛的藏野驢、藏羚羊就分布在高寒草原，它對生物多樣性功能的維護是非常重要的。 

高寒濕地 

這張很漂亮的照片是高寒濕地，它主要分布在江河的源區、山間的盆地和窪地等相對有水的地方。它的固碳效果比較好，另外也是冬春的草場。在遊牧地區，牧民夏天要到很遠的有牧草的地方去放牧；到了冬天、春天，青藏高原冰天雪地的時候，他們(men) 就需要找到冬季牧草，也叫做救命草，主要就分布在高寒濕地。所以高寒濕地尤其是高寒沼澤，既是我們(men) 重要的碳庫，也是冬春季節缺草的時候畜牧業(ye) 發展的重要場所。

青藏高原為(wei) 什麽(me) 變綠了？

那麽(me) ，青藏高原生態係統的碳庫這些年發生了怎樣的變化呢？我們(men) 可以用歸一化植被指數（NDVI）的數據來解釋，NDVI指數反映出青藏高原近些年正在變綠，或者說碳庫大概有5%的增加。這對於(yu) 應對氣侯變化是好事。這樣的變化是怎麽(me) 發生的呢？我們(men) 做了三個(ge) 方麵的分析。

青藏高原歸一化植被指數（NDVI）的變化（1983-2015）

第一個(ge) 方麵就是青藏高原總體(ti) 的暖濕化趨勢：“暖”是指溫度在升高，“濕”是指降水增加。

青藏高原向暖濕化轉變

青藏高原氣侯變暖的幅度比較大，全球平均10年的氣侯變暖幅度是0.2度，而青藏高原大概是0.5度。同時青藏高原的氣侯變化來得比其他地方要快。我們(men) 認為(wei) 這對於(yu) 高寒生態係統來講，對碳庫的增加、高原的變綠起到了好的作用。

青藏高原二氧化碳濃度提高

第二方麵是青藏高原的二氧化碳濃度提高了10%。這有什麽(me) 好處呢？因為(wei) 二氧化碳的濃度越高，植物的光合作用就更強，這樣固定的碳就更多。我們(men) 在青藏高原上的瓦裏關(guan) 有一個(ge) 監測數據，這個(ge) 數據在世界上也是很寶貴的，已經積累了20年。

青藏高原上的自然保護區

第三方麵就是到了2000年以後，我們(men) 國家為(wei) 保護青藏高原的生態環境做出了重大的部署，在西藏批準了生態安全屏障的建設，還在三江源、祁連山和橫斷山建立了自然保護區，總投入大概超過了千億(yi) 元，使青藏高原80%以上的區域得到了有效保護。這在全球來講應該都是一項偉(wei) 大的工程，其他國家都沒有在單個(ge) 自然地域單元投入這麽(me) 大的精力和金錢去保護自然生態係統。

雅魯藏布江河穀人工林

人類活動對青藏高原碳庫的增加和變綠是非常重要的。這張照片展示的是西藏的雅魯藏布江河穀人工林，實際上是在治沙。大家早些年去西藏的時候可能會(hui) 遇到飛機到了拉薩上空因為(wei) 風沙返航，但是近些年很少有飛機返航了。以前一年大概有80多天會(hui) 有飛機返航，現在可能不到30天。人工林在造林、固沙的同時保證了航班的安全穩定，另外也是很重要的碳庫。從(cong) 2000年以來，造林使得西藏的森林碳庫增加了21%，將近四分之一，這很了不得。

草地圍欄（左）和人工草地（右）

另外就是人工草地保護，和通過草地的圍欄，使退化草地得到治理。草地覆蓋度增加，固碳的量也就增加了。右圖中的人工草地起到什麽(me) 作用呢？它可以解決(jue) 牲畜飼料的問題，減少對天然草地的影響，使天然草地得到有效的保護。

總之，青藏高原碳庫的提升和生態環境的變好充分體(ti) 現了一句話：天在幫忙，人在努力。這是個(ge) 總體(ti) 的趨勢，如果一定要讓我給出一個(ge) 量，我認為(wei) 70%是天在幫忙，我們(men) 人做了30%的努力。這是有依據的，我們(men) 做了大量的模型演算。

氣候因子解釋度減弱，人類活動影響解釋度增強

這展示了我們(men) 通過14種模型的演算結果，我們(men) 發現氣候因子對生態的解釋在逐步減弱，而反倒生態保護、生態工程的成效對生態環境正向的貢獻是增強的。這是好事，對我們(men) 應對氣侯變化提供了新的思路。

從(cong) 另一個(ge) 角度來講，這些年為(wei) 了保護生態，青藏高原的牲畜，包括犛牛、藏綿羊都在減少，大概減少了20%。

上天入地，深入青藏高原發現碳的秘密

前麵給大家介紹了青藏高原碳的宏觀格局。實際上要把這個(ge) 問題講清楚，我們(men) 還必須要更深地理解碳的構成。

監測設備：捕捉風裏的CO2分子

氣象觀測可以觀測到大氣中二氧化碳的濃度，很多數據就是通過上圖中的設備長期監測到的。

在2010年的時候，我們(men) 在西藏申紮建了野外台站，主要就是為(wei) 了監測二氧化碳的變化。這個(ge) 站已經運行了10年，現在還有很多科學家在站上積極開展相關(guan) 的工作。

野外台站

它的海拔接近4760米，按照我現在掌握的情況，這是目前全球從(cong) 事生態觀測的海拔最高的站。這個(ge) 地方的氧氣隻有內(nei) 地的50%，我經常調侃說這是神仙住的地方，相當於(yu) 是半空中了。 

當然單點的工作是不夠的。在整個(ge) 青藏高原，從(cong) 東(dong) 邊的若爾蓋一直到西邊的阿裏地區日土縣，從(cong) 南邊的亞(ya) 東(dong) 到北邊的可可西裏，我們(men) 部署了從(cong) 點到線再到麵的監測網絡。總之，我們(men) 的目的就是要把碳的故事講清楚。

監測網絡

上麵圖片中的這些儀(yi) 器，現在正大概以每秒10次的頻率傳(chuan) 輸數據，這個(ge) 時間分辨率是很高的。因為(wei) 青藏高原的條件艱苦，我們(men) 部署這樣一個(ge) 監測網絡已經很不容易了。這些網點就像給青藏高原裝了聽診器一樣，隨時能夠監測到地表的呼吸。

這張照片展示的是雪山、濕地和草地之間的美景，渦度相關(guan) 靜靜地守護在高海拔地區，傳(chuan) 遞給監測者大地的呼吸。

這就是我們(men) 架設在可可西裏的通量塔，最左邊的蔚藍色就是卓乃湖，那是藏羚羊生產(chan) 的地方。

 在裝機器的過程當中，我們(men) 用手機拍到了一隻棕熊，它就跟在我們(men) 後麵，一直跟著了幾公裏，後麵可能體(ti) 力跟不上，它就離開了。

更要命的是遇到野犛牛，野犛牛的力氣很大，它會(hui) 橫向攻擊，對汽車來說是致命的。當時從(cong) 兩(liang) 邊過來兩(liang) 隻野犛牛，我們(men) 很快地前車往前走，後車往後倒，避免了野犛牛的攻擊。

同時這也反映我們(men) 對青藏高原的保護使得野生動物的數量增加了。以前藏羚羊的數量是7萬(wan) 多，現在已經達到了25萬(wan) 。這表明野生動物得到了保護，環境在日趨變好。

全球海拔最高的氣相色譜實驗室

除了建立觀測體(ti) 係以外，我們(men) 建了室內(nei) 的實驗室。我們(men) 有個(ge) 小夥(huo) 子為(wei) 了建這個(ge) 實驗室，在這個(ge) 高海拔地區呆了8年。我也想鼓勵咱們(men) 年輕人多到這裏，隻要堅守你的夢想，就會(hui) 有成果。

青藏高原碳匯1.3億(yi) 噸 

上圖是我們(men) 近期的一個(ge) 很重要的成果。以前我們(men) 總是認為(wei) 氣侯變化可能使凍土融化，會(hui) 帶來二氧化碳的排放。現在通過遙感手段、地麵監測和實驗室的分析，我們(men) 得出了一個(ge) 重要結論：現在青藏高原總體(ti) 來講，每年吸收的碳是1.3億(yi) 噸，是我們(men) 原來預想的4倍。這不但對中國，而且對全球都是一個(ge) 了不起的貢獻，凸顯了我們(men) 對青藏高原的保護在應對氣侯變化上的成效。

當然，如果未來氣侯繼續變暖，這個(ge) 數字還會(hui) 不會(hui) 變？我們(men) 團隊還有其他的科學家團隊在青藏高原開展了一些模擬增溫的實驗：就是把植被圍起來，圍起來以後裏麵的溫度就會(hui) 升高。

土壤含水量高的地方，增溫有利於(yu) 固碳；土壤含水量低的地方則反之

通過這些年的工作，我們(men) 有了新認識：在草甸等土壤含水量比較高的地方，增溫對固碳是有利的；在土壤含水量比較低的區域，溫度持續上升可能會(hui) 造成植物的凋亡，帶來不利的影響。這是我們(men) 對未來預估的一個(ge) 比較重要的結論。

青藏高原的精彩在地下

前麵我們(men) 對碳的理解是要從(cong) 天上到地表，其實在青藏高原的高寒生態係統中，碳的分布更重要的是在地下。

這是在高寒草原上拍攝的一張照片，大家可以看到地下的根係。地下根係的生物量其實是地上的8到10倍。

另外，因為(wei) 青藏高原的溫度低，土壤有機質的分解速度慢，所以它的固碳能力就比較強。最新研究數據表明，青藏高原上草地的碳儲(chu) 量是366億(yi) 噸，相當於(yu) 中國15年的人類碳排放量。

青藏高原草地碳儲(chu) 量高達366億(yi) 噸（左）和科學家積累的土壤碳庫的資料（右）

右圖展示的是山地所三代科學家從(cong) 80年代開始積累的土壤碳庫的資料，我也有幸參與(yu) 其中。現在我要把整個(ge) 青藏高原的碳庫從(cong) 量的時空變化，再到模擬實驗整個(ge) 建立起來。後來者如果繼續做相關(guan) 的工作，就可以在我們(men) 樣品的基礎上深入開展。

垂直監測

為(wei) 了把碳的故事講清楚，我們(men) 還開展了垂直的監測。左圖是我們(men) 站上的一個(ge) 地下5米深的觀測。這個(ge) 監測體(ti) 係既可以監測二氧化碳濃度，也可以監測水分和溫度。我們(men) 等間距設置了5米深的檢測，和右圖中地上的檢測同步起來，叫做垂直觀測體(ti) 係。總體(ti) 的認識是：從(cong) 有機碳的角度來講，在植物根係30公分的根層裏，對有機碳的影響比較活躍；在更深的地方，氣體(ti) 的量是比較少的。

通過掃描儀(yi) 感知根係生長

除了監測量以外，我們(men) 還需要進一步監測根係的生長。左圖是我帶的研究生，在冬天還在無人區裏監測根係的生長。我們(men) 用微根窗來看根係的生長過程，因為(wei) 隻有了解了根係的生長過程，才知道碳變化的機理在哪裏。

青藏高原正在發生前所未有的變化

我前麵談的是通過遙感監測來看整個(ge) 高原碳的變化，以及地表和地下的監測。其實要認識這個(ge) 問題，在我從(cong) 事的短短20多年時間裏是完全不夠的，因為(wei) 高原正在經曆著前所未有的變化。 

熱熔滑塌

這是我們(men) 今年在野外考察時拍攝的照片。實際上青藏高原這個(ge) 地方廣泛分布著凍土，大家知道凍土裏有一部分是水。在夏天是水，冬天就會(hui) 變成冰。冰和水的比重是不一樣的，變成冰的時候它會(hui) 膨脹，變成水它就會(hui) 變小，然後就引起了熱熔滑塌。

現在熱熔滑塌在高原上比較普遍，實際上它在整個(ge) 北半球的北極地區也是廣泛分布的，專(zhuan) 業(ye) 上叫做熱熔喀斯特，這個(ge) 問題可能接下來要引起大家的廣泛關(guan) 注。在這個(ge) 過程中我們(men) 怎麽(me) 去計量對碳的排放量？計算的量是不是準確？可能是我們(men) 要麵臨(lin) 的新問題，也是下一步要開展的研究。

另外，還有凍脹草丘的問題。我們(men) 原來發展的一些碳的模型和計量方法，都是基於(yu) 均質下墊麵的，例如草地和森林。但是青藏高原有很多這種凍起來以後形成的丘狀體(ti) ，通過測量後我們(men) 發現，丘狀體(ti) 裏的碳含量是比較高的，而且在這種丘狀體(ti) 上端的植被群落的生長和平坦的地方也是有差異的。類似這樣的問題，會(hui) 不會(hui) 影響碳的估算精度，這也是值得研究的。

凍脹草丘（上）和肥力島（下）

此外，還有在西藏西部因大風匯集起來的肥力島。因為(wei) 藏西8級以上的大風一年大概可以達到100天以上，風一吹，土壤中的細顆粒就會(hui) 發生遷移，就會(hui) 在有植被的地方堆積起來。在這種情況下，會(hui) 引起地表碳的分布不均勻。我們(men) 用傳(chuan) 統的模型和計算方法來計算碳行不行？精度怎麽(me) 樣？這也是需要我們(men) 進一步提高的。

隨著高原冰川的退化和隆升以後，地表的礫石會(hui) 增加。這裏給大家分享一個(ge) 很小的故事，我在上研究生的時候去到阿裏，發現老百姓在撿這些石頭。我心想，把石頭撿走，風一刮不更把土都吹跑了嘛。大概在2006年的時候，我就認為(wei) 這個(ge) 石頭肯定對碳有好處，於(yu) 是我就做了一個(ge) 小實驗。

適度礫石覆蓋利於(yu) 固碳

我把這些礫石按照不同的覆蓋程度做了一個(ge) 測定，發現礫石的覆蓋程度在40%左右的時候，下麵土壤裏的碳會(hui) 更高，當然礫石含量再高就不行了，但如果減掉了礫石就更不行了。

後來我們(men) 也做了一些分析，從(cong) 機理上給出一個(ge) 回答：礫石可以調節溫度。白天溫度高的時候可以使土壤的升溫慢一點；夜間空氣溫度降低的時候，下麵的熱量就會(hui) 釋放得慢一點，土壤相對的溫差就要小一些。

另外，從(cong) 水分上來講，一方麵降水時礫石可以減緩對土壤的衝(chong) 刷，可以使水慢慢地滲透到土裏麵。另一方麵，土裏水的蒸發也會(hui) 受到礫石的阻擋，於(yu) 是就會(hui) 蒸發得緩慢一些。這在青藏高原，包括西北的幹旱區都是一個(ge) 共性的現象。

當然還有一個(ge) 問題，礫石有物理的壓力作用，它可以在區域的孔隙裏保持二氧化碳的濃度。綜上，我們(men) 可以從(cong) 機理上解釋，為(wei) 什麽(me) 在有礫石的地方可以固碳，不需要去搞去石工程，是沒有必要的，這也回到了應用上的問題。

我們(men) 團隊的這些工作也得益於(yu) 老一輩科學家的傳(chuan) 承。左圖是我的老師鍾祥浩先生，他是一位70歲的勞模，也還在上高原。我們(men) 年輕一代需要在前人的基礎上，持之以恒地傳(chuan) 承創新，為(wei) 科研事業(ye) 做出貢獻。

歡迎掃碼入群！

深圳科普將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的活動和科普好物！