清华大学地学系李伟课题组揭示全球生物能源作物种植引起的陆地降水改变

生物能源碳捕获与封存（BECCS）是实现碳中和目标、减缓气候变化的主要负排放技术之一。其基本原理是通过种植速生的能源作物（如桉树、柳树、柳枝稷等）将大气中的二氧化碳（CO2）固定在生物质中，并在生物质能燃烧之后将排出的CO2进行封存，从而达到从大气中移除CO2（Carbon Dioxide Removal，CDR）的目的。然而，BECCS技术的大规模实施仍然存在诸多不确定性。例如，速生作物的生长过程需要消耗大量的水资源，可能会对淡水资源产生威胁。以往研究只关注生物能源作物生长本身的水分需求，而未考虑大规模能源作物种植通过生物物理过程对气候的反馈作用。

清华大学地球系统科学系（以下简称“地学系”）李伟副教授课题组联合国内外多所研究机构，针对上述问题展开研究，揭示了全球大规模生物能源作物种植对全球陆地水循环的影响，并探究了不同种植策略（即不同生物能源作物类型、种植区分布/种植面积）通过生物地球物理作用对陆地降水和其他陆地水平衡分量（蒸散发、地表径流和土壤水存储量）的影响。

 图1. 两种生物能源作物种植引起的年降水变化（黑点表示有显著降水改变的格点）

研究使用了嵌入自主开发的第二代能源作物模块的动态植被模型，并与大气模式进行耦合，进而对6种生物能源作物种植情景的陆表生物物理特性和关键水文变量进行模拟。研究发现，在全球水平上，桉树（木本）和柳枝稷（草本）的种植分别使全球陆地年平均降水提高了9.0±2.4 mm year-1和 4.7±2.7 mm year-1，其中，分别有15.5% 和11.9%的陆地面积年均降水呈现显著改变（图1）。同时，利用大气水汽收支方程进行降水诊断的结果表明，在桉树种植情景中，地表蒸散发是增加降水的主要来源；而在柳枝稷的种植情景中，增加的降水同时来源于地表蒸散发和水汽平流（图2）。增加的降水和减少的地表径流在一定程度上抵消了生物能源作物生长本身所消耗的水分。研究表明，土地利用变化引起的生物地球物理效应是作用于气候系统和陆地水循环的重要一环，在考虑基于陆地生态系统的气候变化减缓措施时，需要全面评估其生物地球化学和生物物理效应，以制定更为有效的气候变化减缓政策。

图2. 降水诊断（ΔP：降水改变；ΔET：蒸散发改变；ΔQadvt：水汽平流改变；ΔQcnvg：水汽辐合改变；和Δε：残差项改变）

上述成果以 “大规模生物能源作物种植的气候反馈导致了陆地降水的增加”（Increased precipitation over land due to climate feedback of large-scale bioenergy cultivation）为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。清华大学地学系博士后李钊为论文第一作者，李伟副教授为论文通讯作者。合作者包括法国气候与环境科学实验室（LSCE）的菲利普·西亚斯（Philippe Ciais）教授、法国国家科学研究中心(CNRS)的李肇新（Laurent Z.X. Li）研究员、清华大学地学系赖特·乔纳森（Jonathon S. Wright）副教授、王勇副教授、卢麾教授、黄小猛教授、王景萌博士、博士生刘姝和朱磊。研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、清华大学自主科研计划、博士后科学基金等项目支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39803-9

来源 | 清华大学地球系统科学系

转自：“创新清华”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！