能源对北京市城市碳循环的影响

研究城市碳循环过程并阐明能源对碳循环的影响,可为城市节能减排政策的制定和实施提供参考依据。基于城市碳循环模型核算了2005—2014年北京市的碳储量和碳通量,并通过能源碳效应指数来探讨能源对城市碳循环的影响。结果表明人为碳储量是北京市总碳储量增加的主要驱动力。北京市的碳输入主要来自水平方向,表明北京市的发展在很大程度上依赖于外部环境的物质供给;北京市的碳输出主要是能源消耗产生的垂直碳输出。能源活动相关的碳通量占北京市总碳通量的比重,即能源碳效应,在2006年高达79.46%,而后开始呈波动下降的趋势。能源对北京市碳循环影响最大的是垂直输出方向,其次是水平输入方向,因此低碳城市建设需要加强对垂直碳通量和水平碳通量的调节和管理,尤其是与能源活动相关的碳通量,与此同时,保护自然植被和增加生态用地对提高城市碳减排能力也至关重要。     

城市土壤碳循环与碳固持研究综述

城市化过程带来的土地利用变化和环境污染是全球变化的重要方面,城市为人们了解人类与自然复合生态系统对全球变化的影响及其对全球变化的响应过程提供一个独特的"天然实验室"。陆地生态系统碳循环是全球变化研究的热点领域之一,然而,人们对城市在全球碳循环中的作用和影响知之甚少,城市土壤碳循环研究处于起步阶段。介绍了城市土壤的主要特性和碳循环特征,指出强烈的人为作用是其最突出的特点;综述了城市土壤碳库、碳通量和碳固持研究方面取得的进展;探讨了城市化过程中土地利用变化、土壤中生物及土壤管护措施、城市小气候、大气污染沉降和土壤污染等对土壤碳循环的影响;提出未来城市碳循环研究需要开展长期系统监测、深化城市土壤碳循环机制研究、创新研究范式和研究方法、并将研究成果与城市景观规划与设计相结合,提升城市土壤碳管理能力。     

森林生态系统碳循环的基本概念和野外测定方法评述

全球气候变化与森林生态系统碳循环息息相关,定量评估森林碳收支是生态系统与全球变化研究的重要任务。30年来森林生态系统碳循环研究已经取得了长足的进展,但全球和区域森林碳收支仍然存在很大的不确定性。这一方面与森林生态系统本身的复杂性有关,另一方面也与具体研究方法有关。评述了森林生态系统碳循环的基本概念和主要野外测定方法,为我国森林生态系统碳循环研究提供可参考的方法论。从生态系统碳浓度、密度、通量、分配和周转5个方面回顾了碳循环相关概念,指出碳浓度和碳储量是对碳库的静态描述,而碳通量和碳周转是对碳库的动态描述。净初级生产力是测量最普遍的碳通量组分,但大多数情况下因忽略了一些细节而被系统低估。普遍使用的净生态系统生产力,由于没有包含非CO2形式的水文、气象和干扰过程产生的碳通量,通常情况下高于生态系统净碳累积速率。在详细介绍碳通量组分的基础上,改进了森林生态系统碳循环的概念模型。重点讨论了碳通量的3种地面实测方法:测树学方法、箱法和涡度协方差法,并指出了其注意事项和不确定性来源。针对当前碳循环研究的突出问题,建议从4个方面减小碳循环测定的不确定性:(1)恰当运用生物量方程估算乔木生物量;(2)尽可能全面测定生态系统碳组分;(3)给出碳通量估算值的不确定性;(4)多种途径交互验证。     

区域尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程研究进展

地球系统的碳库和碳循环过程变化是影响气候系统的重要因素,而陆地生态系统的碳收支及其循环过程机制研究一直是全球气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策分析领域的科学研究热点。回顾了过去几十年区域尺度陆地生态系统碳循环和碳收支研究领域的国际前沿及其关键科学问题,并分析了我国在该研究领域的科技需求和发展方向。当前国际科学研究的热点和前沿领域主要包括:生态系统和区域碳储量和碳收支的清查、综合计量与碳汇认证,陆地生态系统碳通量的联网观测及其循环过程机制,陆地生态系统碳循环过程对气候变化响应野外控制试验,陆地生态系统水、碳、氮循环及其耦合关系机制和模拟模型研究等,同时指出在这些研究领域依然存在且急需解决的关键科学问题。我国近期的科技工作重点工作应该是努力构建天-地-空一体化的碳储量和碳收支动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

大兴安岭多年冻土区森林流域碳湿沉降通量与河流碳输出

流域碳湿沉降与河流碳输出是全球碳循环的重要组成部分,对区域碳收支评估具有重要意义,然而在我国高纬度多年冻土区的相关研究仍然缺乏。本研究以大兴安岭多年冻土区典型森林流域——老爷岭流域为对象,在2022年5月28日—10月30日通过对流域内碳湿沉降过程及河流碳输出过程的动态监测,分析了降水和河流中各碳组分浓度与通量的变化特征及影响因素,并估算了流域内碳湿沉降对河流碳输出的贡献。结果表明：观测期内,老爷岭流域溶解有机碳(DOC)、溶解无机碳(DIC)和总溶解碳(TDC)湿沉降通量分别为1354.86、684.59和2039.45 kg·km^-2;河流中DOC、DIC、TDC的输出通量分别为601.75、1977.30、2579.05 kg·km^-2,颗粒有机碳(POC)、颗粒无机碳(PIC)、总碳(TC)的输出通量分别为125.13、21.99、2726.17 kg·km^-2;流域内TDC湿沉降对河流TDC输出的贡献量为9941.89 kg,相对贡献率为17.6%;河流中DIC浓度表现出显著的季节性差异,降水引起径流量的增加使...     

东亚地区碳循环研究新进展

近百年来,温室效应的日益加剧,引发了全球温暖化、海平面上升等一系列重大环境问题,碳循环研究因此而受到全球范围的普遍关注和重视.东亚地区因其独特的气候特征,多样化的物种和生态系统,以及活跃的人类活动而成为世界碳循环研究中不可或缺的一部分.在中、日、韩三国联合启动东亚碳循环前沿研究计划(A3 Foresight Program)三周年之际,《中国科学生命科学》(Science China Life Sciences)2010年第7期发表了东亚地区碳循环研究专题,包括14篇述评和研究论文,从区域碳储量及其变化特征,不同地带森林生态系统的碳源汇变化,草地和农田生态系统的碳储量和碳循环研究中的新方法等多个方面系统展示了东亚地区碳循环研究的最新进展.     

基于涡度相关技术的城市碳通量研究进展

城市化所带来的土地利用变化和化石燃料燃烧对全球碳循环和气候变化产生了深远影响.准确认识城市系统碳收支状况及其变化特征,是开展城市碳循环过程及其影响机制研究的前提.本文从涡度相关技术理论基础及城市大气边界层与碳循环特征出发,系统总结了利用涡度相关技术开展城市地表-大气间碳通量监测所面临的问题、后期数据处理和评价的主要方法,以及目前涡度相关技术在城市碳通量监测中的应用现状及主要研究进展.现有研究成果表明,城市系统总体表现为碳源,受城市交通流量、生活供暖及植被生长的影响,城市地表-大气间CO₂交换存在明显的日、周及季节变化特征.然而,由于城市下垫面的高度异质性及复杂碳源汇分布,涡度相关技术获取的城市碳通量特征及其解释还存在较大的不确定性.今后需加强复杂城市环境下涡度相关通量观测技术与评价方法研究,从系统整体性出发构建城市系统碳循环模拟模型,结合空间化技术手段,深入开展城市区域尺度碳循环影响机制及其变异特征的客观评价.     

森林生态系统碳循环动态仿真系统的设计

模型方法是森林碳循环研究的有力工具.在Simulink环境下设计开发了通用的森林生态系统碳循环动态仿真系统FORCASS,从仿真系统的模式框架、设计方案和开发过程方面进行综合分析表明,FORCASS具有可行性.该仿真系统具有如下特点：1）将森林生态系统划分为植被碳库、枯落物碳库、土壤碳库和动物碳库4个分室,考虑了众多碳流转移项,具有较高的机理性和解释性;2）仿真系统基于过程,以植被器官生物量碳储量Richards生长方程为驱动项,带入差分方程组进行计算,可操作性高,能够实现林龄变化下的植被净第一性生产力（NPP）、净生态系统生产力（NEP）等多种输出;3）仿真系统基于通用的碳循环模式框架建立,可扩展性能良好.     

西南岩溶区植被碳循环研究进展

由于岩溶关键带是地球关键带系统中重要的部分,岩溶区的植被是陆地生态系统重要的碳汇项,岩溶区植被的地上部分通过植物生长固碳的同时其地下部分的碳储量也非常可观,地下生物量生长和凋落物分解也会提高土壤有机碳和无机碳的含量,因此岩溶区植被碳循环已成为当前岩溶碳汇研究的热点之一。该文梳理了近四十年来岩溶植被固碳过程的研究文献,阐述了西南岩溶区植被特有的生理学特征,重点论述了以下4个方面的内容:(1)西南岩溶区植被生物量、生产力、碳储量评估;(2)西南岩溶区植被时空变化格局与碳源汇效应;(3)岩溶区植被碳利用特殊机制;(4)岩溶区植被碳循环模型预测与碳汇潜力。同时,提出了目前研究中存在的问题,并对今后的研究方向进行了展望,认为今后应在岩溶区植被碳循环的相关参数系统测定和机理过程研究,精细识别西南岩溶地区植被景观类型、量化固碳过程,以及对岩溶植被碳循环模型进行校正和修改等方面开展研究。该文可为深入理解岩溶区碳的时空演化规律、探索区域碳循环机理提供参考。     

暖温带落叶阔叶林碳循环的初步估算

 森林生态系统碳循环过程与大气中二氧化碳含量有密切的关系,直接影响着大气成分的组成,进而对全球气候变化有重要影响。以我国暖温带落叶阔叶林生态系统近10年的定位研究为基础,初步建立了该类生态系统碳循环数值模式。结果表明：暖温带落叶阔叶林典型生态系统每年从外界主要是大气中吸收的碳是10.3 t·hm-2·a-1,植物呼吸释放到大气中的碳通量为5.5 t·hm-2·a-1。森林植物干物质积存的碳量为4.8 t·hm-2·a-1,通过凋落物分解释放到大气中的碳通量为2.46 t·hm-2·a-1。森林同化的碳绝大部分以活生物呼吸和凋落物分解的形式释放到大气中去了,存留在活生物体和凋落物中的很少。通过对碳现存量的研究发现,所研究的森林生态系统碳现存量为165.05 t·hm-2,其中活生物体碳现存量为61.2 t·hm-2,死生物体碳现存量为104.05 t·hm-2 (包括土壤中碳),土壤碳现存量为96 t·hm-2。土壤碳储量占总碳储量的58%,土壤是该地区森林生态系统主要的碳库,森林生态系统土壤中碳储量的变化必然引起整个区域碳储量整体动态的变化。     

城市碳代谢过程研究进展

碳代谢过程分析是城市代谢研究的重要环节,而通过土地利用/覆盖的空间调整优化城市碳代谢过程已成为区域可持续发展的关键。利用城市代谢思想,本文综述了城市碳代谢过程核算、碳代谢网络模拟、碳代谢过程与土地利用/覆盖变化关系分析、碳代谢空间格局演替等方面的内容,并指出了当前研究中存在着空间属性表达缺乏、核算/模拟结果较难直接应用于实践调控、自然和社会经济代谢过程难以并重考虑等问题。在此基础上,提出了此领域未来发展预期:(1)基于土地流转,将碳排放/碳吸收垂向流映射到碳存量变化的水平流,以"存量"变化推导出网络"流量"分布,实现节点、流互动关系的空间表达,构建时空维度碳代谢网络模型;(2)强调自然节点在城市碳代谢网络中的重要作用,形成社会经济节点与自然节点并重的生态网络模型,有效服务于城市规划及设计。     

土地利用/覆盖变化对陆地生态系统碳循环的影响

土地利用/覆盖变化是学术界最为关注的环境变化问题之一,它能够影响陆地生态系统的生物多样性、水、碳和养分循环、能量平衡,引起温室气体释放增加等其它环境问题。不同类型的土地利用/覆盖变化对生态系统碳循环的作用不同,由高生物量的森林转化为低生物量的草地、农田或城市后,大量的CO₂将释放到大气中。全球土地利用/覆盖变化具有很强的空间变异性,对生态系统碳循环的影响同样具有明显的空间差异:热带地区的土地利用/覆盖变化造成大量的碳释放,而中高纬度地区土地利用/覆盖变化则表现为碳汇。目前,土地利用/覆盖变化引起的生态系统碳循环变化主要是通过模型模拟来估算的。尽管土地利用/覆盖变化及其相关过程与生态系统碳循环的关系已经比较清楚,但是,由于土地利用/覆盖变化过程复杂且影响广泛,对于如何量化两者之间的关系还存在很多不确定性。目前的量化过程主要是利用经验数据来实现的,机理性不强,使得对土地利用/覆盖变化造成的陆地生态系统CO₂释放量的估测差异很大。除了进一步加强长期定位研究以获得土地利用/覆盖变化与生态系统碳循环过程的定量关系外,土地利用/覆盖变化模型与植被动态模型、生态系统过程模型的耦合也是今后模型发展的主要方向之一。采用合理的管理措施能够大量增加土地利用/覆盖变化过程中的碳储存量,降低碳释放量,因此在模型中耦合管理措施来研究土地利用/覆盖变化过程对生态系统碳循环的影响是未来几年的工作重点。     

从湿地到农田:围垦对生态系统碳排放的影响

湿地围垦转化为农田直接影响碳循环过程,但之前的众多研究忽略了相关人为活动如农资生产、农用器械使用等所产生的碳排放.为了更全面认识湿地围垦为农田所导致的这种变化,以崇明岛为研究地区,基于通量观测和生命周期评价,本文分别探讨当考虑和不考虑人为活动伴随的碳排放时,生态系统总碳排放的变化.结果表明: 如果只考虑生态系统与大气间的碳通量,农田仍表现为碳汇,但与自然湿地相比,其碳排放增加了10.47 t (CO₂-eq)·hm^-2;当将农业生产中人为活动碳排放纳入计算后,崇明岛自然湿地和围垦农田的碳排放总量分别为-15.38和6.54 t (CO₂-eq)·hm^-2,碳排放增加了21.92 t (CO₂-eq)·hm^-2,其中,人为活动碳排放为11.45 t (CO₂-eq)·hm^-2;田间种植和农资生产的碳排放共占农田生命周期碳排放总量的84.6%,化肥的生产施用是农田生命周期碳排放的主要来源之一.围垦使生态系统乃至区域尺度的碳源汇属性发生变化,需重新评估其影响;同时,为了达到低碳农业的目的,需减少化肥施用、提高化肥使用效率.     

Interannual variation of terrestrial carbon cycle: Issues and perspectives

With accumulation of carbon cycle observations and model developments over the past decades, exploring interannual variation (IAV) of terrestrial carbon cycle offers the opportunity to better understand climate–carbon cycle relationships. However, despite growing research interest, uncertainties remain on some fundamental issues, such as the contributions of different regions, constituent fluxes and climatic factors to carbon cycle IAV. Here we overviewed the literature on carbon cycle IAV about current understanding of these issues. Observations and models of the carbon cycle unanimously show the dominance of tropical land ecosystems to the signal of global carbon cycle IAV, where tropical semiarid ecosystems contribute as much as the combination of all other tropical ecosystems. Vegetation photosynthesis contributes more than ecosystem respiration to IAV of the global net land carbon flux, but large uncertainties remain on the contribution of fires and other disturbance fluxes. Climatic variations are the major drivers to the IAV of net land carbon flux. Although debate remains on whether the dominant driver is temperature or moisture variability, their interaction,that is, the dependence of carbon cycle sensitivity to temperature on moisture conditions, is emerging as key regulators of the carbon cycle IAV. On timescales from the interannual to the centennial, global carbon cycle variability will be increasingly contributed by northern land ecosystems and oceans. Therefore, both improving Earth system models (ESMs) with the progressive understanding on the fast processes manifested at interannual timescale and expanding carbon cycle observations at broader spatial and longer temporal scales are critical to better prediction on evolution of the carbon–climate system.     

碳中和视角下福建省国土空间分区特征与优化策略

城市低碳转型发展背景下研究国土空间分区,可为国土空间开发保护格局优化和高质量发展提供参考依据。本研究以福建省79个县(市、区)为研究单元,分析县域土地利用碳排放量及空间分异特征,基于碳中和目标,结合碳排放经济贡献率、碳吸收生态承载系数和主体功能区划进行福建省国土空间分区划分,并提出差别化国土空间低碳优化策略。结果表明: 2017年,福建省碳排放总量为6204.16万t,碳吸收总量为4909.71万t,总体处于碳赤字状态;福建省各县域碳排放和碳吸收分别呈现自沿海向内陆递增和递减的相反空间分布特征;福建省79个县域划分为6个国土空间分区,分别为低碳发展-生态功能区、低碳发展-农产品主产区、低碳发展-城市优化区、碳汇功能-农产品主产区、碳强度控制-城市优化区、高碳优化-城市优化区,针对各个分区提出相应的国土空间低碳优化策略。     

Terrestrial carbon stocks across a gradient of urbanization: a study of the Seattle,WA region

Most of our global population and its CO₂ emissions can be attributed to urban areas. The process of urbanization changes terrestrial carbon stocks and fluxes, which, in turn, impact ecosystem functions and atmospheric CO₂ concentrations. Using the Seattle, WA, region as a case study, this paper explores the relationships between aboveground carbon stocks and land cover within an urbanizing area. The major objectives were to estimate aboveground live and dead terrestrial carbon stocks across multiple land cover classes and quantify the relationships between urban cover and vegetation across a gradient of urbanization. We established 154 sample plots in the Seattle region to assess carbon stocks as a function of distance from the urban core and land cover [urban (heavy, medium, and low), mixed forest, and conifer forest land covers]. The mean (and 95% CI) aboveground live biomass for the region was 89±22 Mg C ha^?1 with an additional 11.8±4 Mg C ha^?1 of coarse woody debris biomass. The average live biomass stored within forested and urban land covers was 140±40 and 18±14 Mg C ha^?1, respectively, with a 57% mean vegetated canopy cover regionally. Both the total carbon stocks and mean vegetated canopy cover were surprisingly high, even within the heavily urbanized areas, well exceeding observations within other urbanizing areas and the average US forested carbon stocks. As urban land covers and populations continue to rapidly increase across the globe, these results highlight the importance of considering vegetation in urbanizing areas within the terrestrial carbon cycle.