2024年是人类有记录以来最热的一年，全球平均气温比工业化前水平高出1.55 ℃ 。伴随这一极端高温的是前所未有的旱涝灾害与极端野火。在这一系列极端气候的叠加影响下，2024年全球大气CO2增长率（CGR）达到了惊人的3.73 ppm/yr，不仅远超过去20年平均水平（2.24 ppm/yr），更是大幅打破了 2015/2016 年超强厄尔尼诺事件期间创造的 2.96 ppm/yr极值，成为自有观测记录以来大气CO2增速最快的一年。

针对这一严峻的气候异常与碳循环突变事件，南京大学国际地球系统科学研究所江飞教授课题组基于自主开发的全球碳同化系统（GCASv2）和多源遥感观测数据，系统解析了这一历史峰值的形成原因与内在机制。

核心发现：

（1） 2024年全球陆地碳汇跌入“十年谷底”

研究结果显示，2024年的陆地碳汇是过去十年中最低的一年，相比于气候与CGR相对正常的2022年，2024年陆地碳汇减少了2.62 PgC，贡献了全球净碳通量异常的91%。空间格局上，全球约64%的陆地区域呈现碳汇的降低现象，主要集中在在美国东部、欧洲大部分地区、南美洲、非洲南部、印度及中国东部等地；仅在西伯利亚中东部、加拿大部分地区出现陆地碳汇的增强现象（图1a）。按纬度统计发现，热带地区主导了2024年全球陆地碳汇的降低，贡献约54%的碳汇异常。有趣的是，在不同的植被类型中，灌木和草地贡献了近一半的全球陆地碳汇异常，而森林和农田生态系统仅贡献了33%和18%，这说明热带非森林主导了2024年陆地碳汇的降低。

（2）生态系统呼吸碳排放的激增主导了2024年陆地碳汇的下降

传统观点普遍认为，极端气候导致的陆地碳汇减弱通常与植被光合作用（GPP）的降低有关，但2024年的碳循环异常呈现出截然不同的全新模式。研究发现，相比于2022年， 2024年全球GPP增长了2.28 PgC，但是生态系统呼吸碳排放（TER）增加了约4.30 PgC，其增长量接近GPP的两倍。并且，全球约40%的陆地区域是由TER增加主导的碳汇降低，而由GPP下降主导的碳汇降低仅占陆地面积的20%（图2a）。这种由于TER激增导致的碳汇降低现象在各纬度带上均呈现主导地位（图2b）。

（3）气温和土壤水分的增加驱动了生态系统呼吸碳排放的激增

本研究进一步解析了2024年TER大幅增加的气候驱动机制，并在全球尺度上区分了陆地碳循环对复合高温干旱与复合高温湿润条件的响应差异。结果表明，2024年陆地碳汇的降低与高温和土壤水分异常密切相关：在复合高温干旱条件下，GPP与TER呈现出同步的降低现象，且GPP的降幅超过了TER的降幅；而在复合高温湿润的气候条件下，GPP和TER均普遍呈现出增强现象，但是TER的增幅超过了GPP。而TER激增区域（如欧洲、非洲东部、南美洲北部等区域）普遍呈现出增温增湿的气候条件，也就是增温增湿导致了TER的激增，从而主导了该年陆地碳汇的大幅下降（图2d）。令人警惕的是，2024年多数区域的平均温度仍低于生态系统呼吸的最适温度。这意味着，在未来持续变暖背景下，生态系统呼吸碳排放仍存在大幅上升的可能，呼吸主导的陆地碳汇降低风险可能将进一步加剧。

总结与展望：

本研究将GCASv2系统的碳同化反演结果与多源遥感数据相结合，揭示了2024年破纪录大气CO2增长速率成因及潜在机制，明确了由于生态系统呼吸碳排放主导的陆地碳汇降低机制，为理解暖气候下的碳循环响应提供了新范式。过去研究聚焦极端高温干旱对陆地碳汇的负面影响，而本研究证实，极端高温高湿的气候条件会通过增加生态系统呼吸碳排放引发更剧烈的碳汇降低。在未来全球变暖背景下，极端湿热事件的发生频率和强度将持续上升，生态系统呼吸碳排放引发的碳汇降低风险将会提高。此外，单纯依靠植被恢复、提升光合作用来增强陆地碳汇的策略，在极端湿热气候下效果有限，甚至可能因生态系统呼吸碳排放增加而适得其反；减少人为温室气体排放、控制升温幅度，才是实现碳中和战略目标的根本途径。

该研究成果以“Dramatic increase in ecosystem respiration causes record-breaking atmospheric CO2 growth rate in 2024”为题发表于国际学术期刊Nature Communications。该论文第一单位为南京大学国际地球系统科学研究所，南京大学2024级博士研究生董冠宇为论文第一作者，江飞教授为通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划课题（编号：2023YFB3907404）、国家自然科学基金（编号：42377102）以及江苏省杰出青年基金（编号：BK20231530）的支持。

图1. 相比于2022年，2024年全球陆地（a）NBE、（b）GPP、（c）TER、（d）Fire异常的空间格局。插图为2024年不同植被类型的碳通量异常。

图2. 2024年陆地碳汇异常的主导因素。（a）2024年陆地碳汇异常的主导因素的空间格局，定义为在每个1°×1°网格中对NBE异常贡献最大的碳通量。（b）不同碳通量主导区域对2024年各纬度带陆地碳汇异常值的贡献。（c）2024年各主导区的陆地碳通量异常。（d）各碳通量主导区的2024年气候异常。