导读
近期，河北大学张扬建联合来自中国科学院、北京大学、美国、加拿大、德国、法国等多国不同单位的相关学者，全面综述了北半球高纬度地区大气CO2浓度的季节循环振幅的变化趋势、归因及未来研究方向。表明气候变暖带来的生长季生产力的增加是大气CO2浓度的季节循环振幅变化的主要因素，气候变暖导致的非生长季呼吸作用增加也是重要驱动力，当前地球系统模型需要更好的模拟野火干扰、冻土融化和植被变化等景观过程以更好的模拟碳循环的季节变化，最后从加强生态系统观测网络和改进陆地生态系统模型模拟两个方面提出了未来的研究方向。河北大学张扬建教授为唯一通讯作者，河北大学为第一通讯作者单位。
研究背景
化石燃料排放和土地利用变化显著改变了全球碳循环，使大气CO2浓度从工业革命前约280 ppm增加到2023年的420 ppm。与此同时，大气CO2浓度的季节动态也发生了显著变化。表征大气CO2浓度季节变化的关键指标是大气CO2浓度的季节循环振幅（seasonal cycle amplitude of atmospheric CO2, 简称 SCA）。SCA指某地每年大气CO2浓度的最大值（峰值）与最小值（谷值）之间的差值。全球范围内，SCA总体上呈现增长趋势。但与热带和低纬度地区相比，北半球高纬度地区（Northern High latitude (NHL)；>45° N）SCA的增幅尤其显著。
SCA的变化反映了陆地生态系统碳循环的动态平衡，是综合反映碳循环和气候变化的一个关键指标。因此理解SCA变化的驱动机制可以深入理解碳循环与气候变化之间的反馈机制，也可以作为气候变化的早期预警信号，为地球系统模型的优化和改进提供参考。
主要结果
SCA变化的时间和空间特征：SCA具有明显的纬度梯度特征。南半球及低纬度地区SCA周期较弱（图1a）。全球尺度上，SCA呈现普遍增加趋势，但是NHL的SCA的增加幅度尤其显著（图2）。未来模拟预测结果显示，SCA将在21世纪继续增加， 且NHL的SCA增速高于低纬度地区（图1b）。
图1 当前（1980-2020）及未来（2081–2100）的SCA空间分布及纬度特征。
图2 1980–2020年间SCA的变化趋势。
SCA变化的主要原因： SCA的增加趋势可能由大气CO2浓度最小值（谷值）的下降趋势引起（表明陆地净CO2吸收增加），或者由大气CO2最大值（峰值）的上升趋势引起（表明陆地净CO2释放增加），或者由这两种过程的结合导致。1980-2020年间，大气CO2浓度谷值的下降幅度大于峰值的上升幅度，这表明生长季生产力的增加是导致SCA增加趋势的主要原因（图3）。陆地生态系统碳通量季节变化及其对大气CO2浓度影响的概念图见图4。
图3 大气CO2浓度峰值和谷值变化趋势。
图4 陆地碳汇“季节补偿”是大气CO2浓度季节循环振幅增加的主要因素
SCA变化的环境驱动机制：NHL的陆地生态系统CO2通量的季节性变化受到多种驱动因素的综合影响，这些驱动因素在不同时空尺度相互作用（图5）。区域-全球尺度的驱动要素作为宏观尺度的驱动力，为各种生态系统和环境变化设定了边界条件，而景观尺度的驱动因素则具有更高的动态性和空间异质性，并反作用于宏观尺度驱动因素。温度升高、CO2施肥效应和干旱是主要的区域-全球尺度驱动因素，而植被变化、冻土融化、干扰和积雪动态则是关键的景观尺度驱动因素（图5）。
图5 影响生态系统CO2通量季节动态的环境驱动因素。
未来研究方向
1. 改进观测网络：增加高纬度地区的CO2监测站点覆盖范围，并结合遥感数据和地面测量，提供更高空间分辨率、全年的环境和碳通量观测信息。
2. 加强模型模拟能力：地球系统模型需要更加注重冻土融化、野火干扰和植被变化等景观过程的模型，同时整合多尺度驱动因素的动态响应，以更准确地模拟碳循环的季节动态及其驱动机制。
3. 跨学科研究：结合生态学、大气科学和地球系统建模的跨学科方法，全面理解NHL碳循环的季节性变化及其气候反馈。
