与植物 ， 土壤和水一起工作 ， 以冷却气候并补充地球景观的水分。

早期预警 ， 新出现的问题和未来科学部FOREFORESISIGHGHTT简报1FORESIGHTBrief与植物 ， 土壤和水一起工作 ， 以冷却气候并补充地球景观的水分背景《前瞻简报》由联合国环境规划署出版，旨在突出环境变化的热点，以新兴科学主题为特色，或讨论当代环境问题。公众有机会了解他们不断变化的环境和日常选择的后果，并思考未来的政策方向。25th版本增强我们对植物 ， 土壤和地面以及大气中的水之间的交织关系以及随后的能量通量的理解。它解释了这些如何帮助减轻气候变化 ， 同时创造一个有弹性的生态系统。Abstract森林的持续破坏 ， 土壤退化 ， 随后陆地土壤储水量的流失以及景观中保水的减少正在破坏大气中和通过大气的水的运动。这种破坏导致降水发生重大变化 ， 这可能导致降雨减少和更多世界许多地区的干旱 ， 区域增加温度和气候变化的加剧。这些变化影响区域气候 ， 但也可能影响遥远的地区。了解植物 ， 土壤和地面以及大气中的水之间的相互交织的关系以及随后的能量通量 ， 可以帮助缓解气候变化并创建更具弹性的生态系统。Introduction植被起着重要的作用 - 经常被忽视- 在调节气候方面的作用。想想在炎热的夏季下午站在耕地贫瘠的土地上或茂密的森林中之间的区别。显然 ， 例如 ， 森林向农田或城市地区的转变会带来可能影响气候的重大变化。从太阳辐射到达密集植被的田野表面 ， 只有 1 ％ 用于光合作用 ， 5 - 10 ％ 加热空气 （ “显热 ”i) 。超过 70% 的辐射用于植物的蒸腾 ， 通过这种蒸腾 ， 液态水转化为水蒸气 ， 这是一个非常需要能量的过程 (“潜热 ”i) (图 1) 。计算非植被和水面 ， 大约 50% 的图 1:太阳能入射在植被上的分布。1图片来源 ： Shutterstock. com到达地面的太阳能用于蒸发和水的蒸腾作用 (“蒸散 ”ii)1–4随着这些大量的空气上升到大气中 ， 水蒸气最终会凝结并释放出与地面消耗相同的能量 ， 其中一些会消散到太空中。新产生的云层将反射入射的太阳辐射 ， 并且是新降水的来源。i潜热和显热是大气中释放或吸收的能量的类型。潜热与液体 ， 气体和固体之间的相变有关。感热与气体或物体的温度变化有关 ， 而相位没有变化。 （ https: / / climate. ncsu. edu / edu / Heat ）ii水从地球表面蒸发和蒸腾到大气中的综合过程。反射率 ： 10%感热通量 ： 5 - 10%潜热通量 ： 70 - 80%光合作用 ： 1%生物质中的热量 ： 1%地面热通量 ： 5 - 10%科学部2021 年 7 月025早期预警 ， 新出现的问题和未来 2FORESIGHTBrief早期预警 ， 新出现的问题和未来科学部系统思维视角人类土地利用植被、土壤和保水地面温度蒸腾量反照率效应云层覆盖进入太空的能量损失降雨量干旱该系统中的关键因果影响 - 人类土地利用的增加导致植被覆盖减少，土壤退化和保水能力下降，这直接减少了蒸散量，增加了地面温度，进而影响了全球温度上升。土地植被的增加将增加土壤肥力和地下水补给，增加蒸散量，进而导致云量增加和降雨量增加。云层的增加通过对入射的太阳辐射的额外反射以及向太空的能量转移的增加，导致大气冷却增加，这共同对地球的变暖产生调节作用。当这种平衡反馈减弱时，更热的地球将导致更多的干旱，降雨减少进一步恶化，更多的植被火灾反过来又进一步温暖了地球。这些循环可以通过促进土地利用的政策来逆转，这些政策可以增加植被覆盖率并改善土壤保水性。（ + ） 影响在同一方向，（ - ） 影响在相反的方向。地球变暖植被火灾 3FORESIGHTBrief早期预警 ， 新出现的问题和未来科学部为什么这个问题很重要 ？大约 120, 000 公里3 每年作为降水落在陆地表面的水 ， 大约 60% 来自海洋 ， 而 40% 来自陆地 (见图 2).5,6这种陆源大气水分的 60 - 80 ％ 来自植物的蒸腾作用2,7,8,展示了植被在供给降水周期以及将能量从地面转移到高层大气中的重要作用。直到最近 ， 与海洋的蒸发相比 ， 人类对大气中水蒸气的影响被认为是微不足道的。然而 ， 人类对大气水蒸气的影响源于人类引起的主要土地覆盖变化 ， 而不仅仅是工业排放 ， 正如先前所言。这些土地覆盖变化确实对大气水蒸气循环产生了重大影响。9–11自农业开始以来 ， 世界上几乎一半的森林已经消失 （ 大部分森林砍伐发生在 1950 年以来 ）12,13并转换成少得多的这些巨大的人类引起的土地覆盖变化对地球的水和能量通量有什么影响 ？主要调查结果树木作为水蒸气发生器森林中的每棵树都是一个喷泉，通过根部将水从地面中吸出，通过树干，树枝和树叶将其泵送，将水作为水蒸气通过其叶子中的孔隙释放到大气中。在正常的晴天，一棵树可以蒸发数百升水，以每 100 升 70 千瓦时的功率输出冷却其环境，这相当于两个家用空调运行 24 小时的冷却效果。14,15。树木在其数十亿中创造出巨大的空中水河 （ “飞行河流 ” ） - 形成云层并在数百甚至数千公里外产生降雨的河流 （图 3).16,17蒸散作为降水源在全球范围内 ， 落在陆地上的 40 - 60% 的降雨来自逆风、陆地蒸发产生的水分 -蒸腾 ， 主要是通过蒸腾的树木。11,14,18–20在世界某些地区 ， 该份额占降雨量的 70 ％ 。11这种回收在内陆变得更加占主导地位 (图 4).图 2:全球水流。超过 120, 000 公里3雨 ， 落在大陆上 ， 72, 000 公里3起源于海洋 ， 和 48, 000 公里3来自土地。其中 ， 60 - 80 ％ 来自植物的蒸腾作用 ， 20 - 40 ％ 来自水体和土壤。 32, 000 公里3 陆地蒸散量通过空气中的湿度返回海洋 ； 40, 000 公里3通过河流排入海洋。11图 ： Stefan Schwarzer ， 联合国环境规划署 / 日内瓦全球资源信息数据库热带常绿阔叶林仅占地球陆地表面的 10 ％ ， 但占全球蒸散量的 22 ％2， 强调了它们对超区域水循环的重要性。从陆地蒸发的水分在回落到陆地之前在大气中传播的典型距离约为 500 - 5000 公里 ； 典型的时间尺度范围为 8 - 10 天。23,24 例如 ， 从欧亚大陆蒸发的水分占中国水资源的 80 ％ 。11 刚果盆地的主要降雨来源是东非蒸发的水分 ， 而反过来 ， 它是萨赫勒地区降雨的主要水分来源。11 西非雨林的状况尤为重要单位: 公里3水源 ： 海洋土地-蒸腾-蒸发* 55-70%.004400OceanOcean土地 4FORESIGHTBrief早期预警 ， 新出现的问题和未来科学部图 3:飞行的河流在森林覆盖的长距离输送水蒸气 ， 这在这种蒸气的产生中起着至关重要的作用 ， 通过吸收和释放数十亿升水以湿气的形式充当大型水泵。图片 ： 图片改编自皮尔斯72印度次大陆和中国东南部以及亚洲夏季风环流的减弱。31在热带地区 ， 由于景观变化 （ 主要是森林向农田的转换 ） ， 深层积云对流发生了很大变化。这不仅影响当地的降水 ， 而且还通过称为 “远程连接 ” 的过程对长距离产生影响。这些远程连接可能在高纬度地区产生影响 ， 从而显着改变了这些地区的天气。10,25,32,33即使热带地区相对较小的土地覆盖扰动也可能导致高纬度地区的影响34,35例如 ， 亚马逊和美国西北部之间的联系。36 消失的森林也可能导致当地降雨减少和干旱季节延长 ， 例如巴西的朗多尼亚报道37或者婆罗洲 ， 在那里发现森林损失最大的流域降雨量减少了 15% 。38 在印度 ， 印度季风期间降雨减少的模式尼罗河的流动。25 这解释了为什么即使在主要流域 ， 包括亚马逊河 ， 刚果和扬子 ， 降水也比流域内部受到外部土地利用变化的影响更大。即使在不跨越多个国家的几个流域中 ， 流量也受到其他国家土地利用的严重影响。26土地利用变化和热通量变化模型表明 ， 从森林或草原到农田的局部变化使其年度陆地蒸散量减少了 30 - 40 ％ 。27在全球范围内,1950 - 2000 年之间的土地覆盖变化使陆地年蒸散量减少了 4 - 5 ％ 或 3, 000 - 3, 500 公里3， 并使地表水径流量增加 6.8% 。27,28另一方面 ， 科学家发现 ， 增加的植被具有冷却作用 ， 这来自于陆地表面和大气之间热量和水蒸气的垂直运动效率的提高。29而且在温带地区 ： 森林的消失会导致当地云层的显着减少 ， 从而导致降雨。30 建模表明 ， 1700 年代至 1850 年代之间广泛的全球森林砍伐导致季风降雨减少与印度不断变化的森林覆盖率相匹配 ， 这是由于蒸散量的减少以及随后降水的再循环成分的减少。39这证明了水蒸气和沉淀流的大模式。森林砍伐导致的大气模式变化卫星观测表明 ， 森林不仅在热带地区对云的形成有重大影响 ，图 4:大陆平均降水循环比 (1999 - 2008 年) 。数字越高 ， 来自土地蒸散的降水越多。11,21 5FORESIGHTBrief早期预警 ， 新出现的问题和未来科学部土壤 ： 5 - 10%降水重新排列至表面云建筑辐射进入太空反照率潜热 ： 80 - 90%感热 ： 5 - 10%温度19.8 ° C18161412.7 ° C裸露土壤的再辐射通常 ， 到达地球表面的太阳超过 50 ％ 的太阳辐射将通过蒸散转化为潜热 ， 潜热又被转移到大气中 ， 供给降水周期 ， 并部分辐射回太空。在裸露的表面上 ， 例如休耕的田野 ， 干燥的草甸 （ 在夏季和干草收获后 ） ， 以及在混凝土或沥青表面上 ， 土壤将吸收更多入射的太阳辐射 ， 加热 ， 产生显热和排放 ， 正比于其绝对值的四次方温度 (斯特凡 - 博尔兹曼定律) ， 进入大气的热能 (图 5 ， 图 6).根据中欧的例子 ， 这些裸露的表面和森林地区之间的表面温度差异在夏季下午可能高达 20 ° C （图 7).40在印度尼西亚的苏门答腊岛 ， 发现森林和砍伐土地之间的温差高达 10 ° C ， 再次解释为森林的蒸发冷却效应 ， 这超过了较暗的森林表面产生的反照率变暖效应。41图 6:在红外光谱和可见光谱中拍摄的稀疏植被的同一片。地面的裸露表面明显比蒸腾作用冷却的叶子表面温暖。9这凸显了一个事实 ， 即森林损失引发的当地生物物理过程可以有效地提高世界所有地区的夏季温度。42图 5:蒸散降低了地面温度，增加了云的反照率，在凝结过程中辐射到空间，云的建立和降水。去除植被会增加地面温度，随着地面温度的增加而散发成指数增加的热能，产生高压区，阻碍低压 （ 从而潮湿 ） 气团的通过，减少云建设潜力，从而减少降水。图 ： Stefan Schwarzer ， 联合国环境规划署 / 日内瓦全球资源信息数据库历史上的森林砍伐确实减少了土地上的潜热通量 ， 并增加了地面上的显热。43–47 森林砍伐在 2003 年至 2013 年的十年中造成了显着的变暖 ， 热带平均温度趋势高达 0.28 ° C土壤 ： 10 - 15%温度高压区潜热 ： 10 - 20%感热 ： 70 - 80%降水云建筑 6FORESIGHTBrief早期预警 ， 新出现的问题和未来科学部用于云形成的生物气溶胶除了森林对能量通量和降水产生的重要性之外 ， 大型森林似乎是生物地球化学反应器 ， 其中生物圈和大气光化学产生用于云和降水形成的核 ， 从而维持水文循环。53树木产生挥发性有机化合物并 “释放 ” 微生物 - 细菌和真菌孢子 ， 花粉和其他生物碎片 - 生活在叶子上 ， 并在森林生态系统降雨期间和之后传播。54–57 在大气中 ， 它们构成云凝结和冰核的重要组成部分 ， 进而影响云的形成和降水。53,54,57–59生物气溶胶可以通过产生冰核来进一步帮助提高冻结温度。没有这种现象 ， 直到云达到 - 15 ° C 或更低温度时才会发生冻结。借助这些冰核 ， 可以在接近 0 ° C 的温度下实现该过