大尺度森林碳循环过程模拟模型综述

森林生态系统碳循环是全球陆地生态系统碳循环的重要组成部分,而碳循环模型已经成为研究森林碳循环的必要手段。森林碳循环模型可以分为统计模型和过程模型,其中过程模型以其完整的理论框架、严谨的结构分析和清晰的过程机理,逐渐占据了主导地位。从地球化学过程模型、陆面物理过程模型和生物过程模型等3个方面综述区域尺度到全球尺度(本文称为大尺度)森林碳循环过程模型研究进展,论述了各类模型的主要特征、优缺点以及应用现状,探讨了森林碳循环模拟研究中存在的问题,并讨论了森林碳循环过程模型的主流研究方向。可为不同空间尺度下森林生态系统碳循环模拟模型的选择提供参考,以及为森林碳循环研究提供借鉴。     

陆地生态系统碳循环模型研究概述

陆地碳循环研究是全球变化研究中的一个重要组成部分,而碳循环模型已成为目前研究陆地碳循环的必要手段.本文针对有关碳循环研究方面的进展,介绍了陆地碳循环模型的基本结构、碳循环过程中涉及的两个基本模型以及目前陆地生态系统碳循环模型的两大类型,并通过对现有主要陆地生态系统碳收支模式的分析,指出了未来陆地碳循环模型的研究方向可能是发展基于动态植被的生物物理模型.这种耦合模型也可能是地球系统模式的重要组成部分.     

森林溶解性有机碳淋溶驱动机制及模拟研究进展

溶解性有机碳(DOC)淋溶是陆地生态系统碳循环中一个关键环节。森林生态系统是陆地生态系统DOC的主要来源之一。DOC通过淋溶作用进入底层土壤,引起底层土壤有机碳变化。森林生态系统DOC通过地表径流汇集和地下水渗漏进入水体,最终参与海洋碳循环。因此,探索森林生态系统DOC淋溶驱动机制对理解全球碳循环关键过程具有重要意义。本文阐述了森林生态系统DOC来源和去向,总结了DOC淋溶的几种重要驱动机制,包括土地利用、气候变化、酸沉降、大气CO_2增加和土壤铁铝氧化物等影响因素,并归纳了模拟DOC淋溶及输出通量的经验统计模型和过程机理模型的优缺点。结合目前中国森林生态系统DOC研究现状和不足,我们建议建立中国森林生态系统DOC淋溶观测网络,为模型预测DOC变化提供准确和可靠的观测数据。此外,在未来研究中,需要将野外观测-室内实验-模型模拟相结合,深入研究森林生态系统DOC淋溶驱动机制,尤其要加强环境变化情境下典型区域或国家尺度DOC淋溶的模拟研究。     

陆地碳循环研究中的模型方法

陆地碳循环是全球变化研究中的重要内容,碳循环模型已成为研究陆地碳循环的必要方法．其中气候变化、大气ＣＯ２浓度上升以及人类活动引起的土地利用和土地覆盖变化导致陆地生态系统在结构、功能、组成和分布等方面的变化及其反馈关系对陆地碳循环的影响是模型模拟的关键问题．生物地理模型和生物地球化学模型是碳循环模型的两大类型,建模方法、模型性质、特点和应用范围各异．碳循环模型的发展方向是综合两类模型的特点,建立全球动态碳循环模型．     

森林生态系统碳水关系及其影响因子研究进展

森林生态系统的碳水关系是陆地生态系统碳循环和水循环相互耦合的作用过程,对研究森林碳汇、森林生态水文过程和全球变化响应有重要意义.在全球变化背景下,森林生态系统碳水关系已成为生态水文学领域中的一个热点科学问题.本文在总结国际上森林碳汇研究的基础上,概述了森林碳水关系的过程机制,包括森林水分利用效率、不同尺度上的碳水关系、尺度推绎和碳水关系的模拟研究方面的进展;总结了影响森林碳水关系的因子和研究进展,包括水分条件、CO₂浓度升高、增温、氮沉降、臭氧浓度变化、辐射因子和海拔梯度因子对森林碳水关系的影响;最后对已有研究存在的问题进行了初步分析,并对未来研究内容和方向进行了展望.     

陆地碳循环的动态非平衡假说

生态系统维持物质与能量的动态平衡是地球系统孕育与维持生物多样性的重要基础。自工业革命以来, 人类活动导致陆地生态系统的碳循环转变为动态非平衡,进而使陆地生态系统的结构与功能出现许多难以预测的变化动态。本文阐释了陆地生态系统碳循环的动态非平衡假说。该假说构建于陆地碳循环内部过程的四点基本特征和五类外部驱动因素。基于这些内部特征与外部因素, 本文归纳了陆地生态系统碳循环动态非平衡在不同时间与空间尺度的表达现象, 并从观测、实验与模型的角度讨论了其检测方法。陆地生态系统碳循环的动态非平衡假说不仅有助于我们理解复杂的陆地碳循环现象, 也为预测未来陆地碳汇动态提供了新的理论框架。     

基于森林资源清查资料的生物量估算模式及其发展趋势

基于森林资源清查资料的森林生物量估算是在景观、区域甚至全球尺度上评估森林碳收支的重要手段。且在陆地生态系统碳循环和全球变化研究中起着十分重要的作用．对3种常见的基于森林资源清查资料估算生物量的方法及其不足进行较为系统概述的基础上,指出了其未来的研究方向：1)综合考虑森林生物学因素与非生物学因素对森林生物量的影响,特别是蓄积量和林龄,以及气候因子在估算生物量中的作用;2)明确森林总生物量与活立木生物量的关系;3)建立基于森林资源清查资料的遥感驱动生物量估算模型,为森林生物量的准确估算提供方法和依据．     

陆地土壤碳循环的研究动态

１　引　言陆地碳循环不仅关系到陆地生态系统生产力的形成，同时也影响到整个地球系统的能量平衡，是陆地生态系统结构和功能的综合体现。近几十年来，由于人类活动引起大气ＣＯ２浓度的急剧上升，并可能导致全球气候变化，而且这种变化与陆地碳循环之间存在复杂的相互反馈机制，陆地碳循环已成为生态学、气候学、土壤学、生理学及地质学等众多学科研究的共同目标。在国际地圈生物圈研究计划（ＩＧＢＰ）中，碳循环也是全球尺度模型化工作最初集中的主要目标［１３］。然而由于陆地生态系统的多样性和复杂性，目前在陆地碳循环研究中仍存…     

森林碳计量方法研究进展

森林是陆地生态系统的主体,不仅是巨大的碳库而且对减缓气候变暖具有积极作用。科学有效的森林碳计量方法,有助于加深对全球碳循环过程的理解。然而,由于森林生态系统结构复杂,对森林碳计量的估算结果普遍存在精度低、不确定性高的问题。近年来,国内外发展了大量对森林碳计量进行估算的方法,主要有基于样地清查的森林植被和土壤碳估算、基于生长收获的经验模型估算、基于定量遥感雷达观测的遥感估测、基于多尺度森林生态系统网络的通量观测和陆地生态系统过程模型模拟等方法。在实际的森林碳计量中,根据不同的森林类型特征和数据获取情况,往往采取不同的碳计量方法,甚至不止一种。以生态过程模型模拟、遥感反演和数据同化技术为主要手段,基于碳通量观测数据、控制实验数据和遥感影像数据,发展多学科、多过程、多尺度的综合联网观测,充分认识森林碳循环过程中碳源/汇的时空分布特征,开展区域、洲际乃至全球尺度碳循环及其对全球变化和人类活动响应的系统性、集成性研究,以便建立高效、可靠的碳计量体系是未来林业碳计量的发展趋势。随着世界各国温室气体排放清单的编制,中国迫切需要科学的方法体系计量森林碳源/汇,提升我国在生态环境问题上的国际发言权和主导权,同时对我国森林可持续经营、生态环境保护以及美丽中国建设提供建议与支持。分析了各类森林碳计量方法的主要特征、优缺点,同时探讨了目前的森林碳计量方法存在的问题和未来的发展趋势,为不同时空尺度下森林碳计量提供参考。     

陆地生态系统类型转变与碳循环

 土地利用变化引起的陆地生态系统类型转变对于全球碳循环有着极其重要的作用。　通过总结国内外有关森林砍伐以及森林、草地转变成农田对于碳循环的影响,阐述了可能引起全球“未知汇”现象的重要原因,强调未来中国陆地生态系统碳循环研究应充分重视陆地生态系统类型转变对于全球碳循环的影响研究,包括研究陆地生态系统的不同发展阶段(自然与退化生态系统)、利用方式的改变(森林转化为人工林或农田,草地转化为农田、退耕还林草等)所引起的碳库类型转换的增汇机理及其对全球变化响应,并指出了建立统一观测方法与规范的陆地生态系统碳通量观测网     

遥感在森林地上生物量估算中的应用

生物量是地表C循环研究的重要组成部分,生物量研究有助于深入认识区域乃至全球的C平衡。森林作为地球最重要的陆地生态系统,区域乃至全球尺度的森林地上生物量估算一直是生态学研究的难点之一。在大的空间尺度上,遥感技术是估算森林地上生物量的有效手段。TM、AVHRR、SAR等数据以及多源数据的融合在森林生物量估算方面广泛应用,并取得了显著效果。运用遥感技术进行森林生物量估算时,所采用的数据源不同,分析方法也不相同,主要分析方法有:相关分析、多元回归分析、神经网络和数学模型模拟等。随着测定不同空间、时间和波谱分辨率的各种传感器的广泛使用,以及生物量遥感估算模型的进一步发展和完善,大尺度森林生物量的遥感估算研究必将向前迈进一大步。     

森林生态系统粗死木质残体碳储量研究进展

粗死木质残体（CWD）是森林生态系统重要的结构性与功能性单元，作为连接植被碳库与土壤碳库的关键纽带，对全球森林生态系统碳循环发挥着重要而独特的作用，越来越多的学者开始关注CWD碳储量相关研究。系统阐述了国内外CWD碳储量研究的发展历程、研究范围与基本特征等内容，总结概括了CWD体积测算、CWD碳浓度估算等碳计量相关方法的研究进展。通过梳理发现：国内外学者对CWD碳储量的研究仍处于初级阶段，主要集中于探讨不同树种、不同林龄、不同腐解等级、不同海拔、不同存在形式的森林CWD碳储量分布特征，而较少关注CWD碳库对土壤碳库和植被碳库的作用机制以及对未来气候变化的响应和反馈机制；CWD碳计量方法较为单一，普遍采用的是传统的"生物量-碳浓度法"，而运用机器学习算法对CWD碳储量进行估算的研究尚不多见。此外，相对国外研究而言，国内研究主要局限于小尺度范围。文章据此提出未来CWD碳储量研究的发展方向：（1）拓展研究尺度，建立CWD碳储量长期观测体系；（2）深入开展不同森林生态系统CWD碳储量对气候变化的响应机制研究；（3）探索更加多元化的CWD碳储量计量方法；（4）深入探讨CWD碳库对土壤碳库与植被碳库的影响与作用机制。     

Toward an integrated monitoring framework to assess the effects of tropical forest degradation and recovery on carbon stocks and biodiversity

Tropical forests harbor a significant portion of global biodiversity and are a critical component of the climate system. Reducing deforestation and forest degradation contributes to global climate‐change mitigation efforts, yet emissions and removals from forest dynamics are still poorly quantified. We reviewed the main challenges to estimate changes in carbon stocks and biodiversity due to degradation and recovery of tropical forests, focusing on three main areas: (1) the combination of field surveys and remote sensing; (2) evaluation of biodiversity and carbon values under a unified strategy; and (3) research efforts needed to understand and quantify forest degradation and recovery. The improvement of models and estimates of changes of forest carbon can foster process‐oriented monitoring of forest dynamics, including different variables and using spatially explicit algorithms that account for regional and local differences, such as variation in climate, soil, nutrient content, topography, biodiversity, disturbance history, recovery pathways, and socioeconomic factors. Generating the data for these models requires affordable large‐scale remote‐sensing tools associated with a robust network of field plots that can generate spatially explicit information on a range of variables through time. By combining ecosystem models, multiscale remote sensing, and networks of field plots, we will be able to evaluate forest degradation and recovery and their interactions with biodiversity and carbon cycling. Improving monitoring strategies will allow a better understanding of the role of forest dynamics in climate‐change mitigation, adaptation, and carbon cycle feedbacks, thereby reducing uncertainties in models of the key processes in the carbon cycle, including their impacts on biodiversity, which are fundamental to support forest governance policies, such as Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation.     

Climate more important than soils for predicting forest biomass at the continental scale

Above-ground biomass in forests is critical to the global carbon cycle as it stores and sequesters carbon from the atmosphere. Climate change will disrupt the carbon cycle hence understanding how climate and other abiotic variables determine forest biomass at broad spatial scales is important for validating and constraining Earth System models and predicting the impacts of climate change on forest carbon stores. We examined the importance of climate and soil variables to explaining above-ground biomass distribution across the Australian continent using publicly available biomass data from 3130 mature forest sites, in 6 broad ecoregions, encompassing tropical, subtropical and temperate biomes. We used the Random Forest algorithm to test the explanatory power of 14 abiotic variables (8 climate, 6 soil) and to identify the best-performing models based on climate-only, soil-only and climate plus soil. The best performing models explained ~50% of the variation (climate-only: R² = 0.47 ± 0.04, and climate plus soils: R² = 0.49 ± 0.04). Mean temperature of the driest quarter was the most important climate variable, and bulk density was the most important soil variable. Climate variables were consistently more important than soil variables in combined models, and model predictive performance was not substantively improved by the inclusion of soil variables. This result was also achieved when the analysis was repeated at the ecoregion scale. Predicted forest above-ground biomass ranged from 18 to 1066 Mg ha⁻¹, often under-predicting measured above-ground biomass, which ranged from 7 to 1500 Mg ha⁻¹. This suggested that other non-climate, non-edaphic variables impose a substantial influence on forest above-ground biomass, particularly in the high biomass range. We conclude that climate is a strong predictor of above-ground biomass at broad spatial scales and across large environmental gradients, yet to predict forest above-ground biomass distribution under future climates, other non-climatic factors must also be identified.     

The role of amoeboid protists and the microbial community in moss-rich terrestrial ecosystems: biogeochemical implications for the carbon budget and carbon cycle, especially at higher latitudes

Moss-rich terrestrial communities are widely distributed in low- and high-latitude environments, covering vast surface areas in the boreal forests and tundra. The microbial biota in these organic-rich communities may contribute substantially to the carbon budget of terrestrial communities and the carbon cycle on a global scale. Recent research is reported on the carbon content of microbial communities in some temperate and high-latitude moss communities. The total carbon content and potential respiratory carbon dioxide (CO(2)) efflux is reported for bacteria, microflagellates, naked amoebae, and testate amoebae within sampling sites at a northeastern forest and the tundra at Toolik, Alaska. Quantitative models of the predicted total CO(2) efflux from the microbes, based on microscopic observations and enumeration of the microbiota in samples from the research sites, are described and predictions are compared with published field-based data of CO(2) efflux. The significance of the predictions for climate change and global warming are discussed.     

林木树干呼吸变化及其影响因素研究进展

树干呼吸是森林生态系统碳平衡的重要组成部分,它每年消耗碳同化总量(NPP)的11%~33%。受测定技术所限,过去对树干呼吸的研究未能引起足够的重视。近十几年来,由于大气CO₂温室气体浓度的持续升高,树干呼吸已成为研究的热点。测定树干呼吸的方法较多,早期一般采用气体交换法和密闭方法,最近利用便携式光合测定系统(Li-Cor6400)或土壤碳通量测量系统(Li-8100)对树干呼吸采用开路系统测定方法。大量研究结果表明: 1)树干呼吸的日变化呈双峰型曲线,即从早晨开始,树干呼吸速率随温度的上升而增加,到午间有所降低,之后逐渐增加,达到峰值后又逐渐降低。2)树干呼吸的季节动态为:生长季的树干呼吸速率明显高于非生长季,即从春季到夏季树干呼吸速率呈持续升高态势,高峰值出现在7或8月,尔后逐渐下降。树干呼吸活动是一个复杂的生物学过程,其影响因子较多。直接影响因子有气象因子(如温度、湿度和CO₂浓度)和生物因子(如树种、树龄、径阶、边材积和树干氮含量等);而纬度、海拔和地形因子通过影响气象因子或生物因子而间接影响树干呼吸。诸多因子中,树干温度对树干呼吸的贡献最大(Q₁₀可描述树干呼吸对温度升高的敏感性)。树干呼吸机理及其影响因子乃是今后研究的主要内容,一方面要采用统一的测量方法和技术,另一方面要综合考虑影响树干呼吸的内外因素,建立树干呼吸的相关模型,为构建森林生态系统碳循环模型、了解森林生态系统碳收支状况及其对大气CO₂浓度变化的贡献和对全球变化的响应提供理论依据。     

土地利用变化对区域碳源汇的影响研究进展

土地利用变化对陆地生态系统碳循环有着重要的影响,既可能成为碳源,也可能是碳汇。在国内外相关研究的基础上,综述了土地利用变化对全球及区域尺度上森林、草地和农业生态系统碳循环的影响。全球范围内,森林砍伐后向草地和农田的转化发挥碳源的作用,在毁林碳排放中占主导地位,其中热带地区森林转变为农田和草场的碳排放均高于温带和北方森林。另一方面,土地利用变化可促进森林的碳贮存,如退耕还林、改善森林管理等。各区域森林生态系统通过土地利用变化贮存碳的潜力存在显著差别,热带湿润和半湿润地区具有较大的碳汇潜力,而干旱地区减少碳排放的空间相对较少。开垦活动是影响草地生态系统碳储存最主要的人类活动,草地转变为农田伴随着土壤碳的流失。森林或草场转变为农田的过程伴随着植被和土壤碳储量的减少,生态系统碳储量降低,因此它是一个碳排放的过程。伴随着城市的扩张,农田向建设用地的转化也是一个碳排放的过程。当前评估土地利用变化影响的研究方法主要有遥感观测和遥感模型、统计估算、生态系统模型以及土地利用与生态系统模型的耦合。研究方法得到不断地完善和改进的同时,还存在着一些不确定性,因此需要建立统一的观测统计方法,降低数据中的不确定性;完善土地利用与生态系统模型的耦合研究;建立多尺度土地利用变化及生态系统综合技术方法体系;开展碳减排目标下土地利用最优化布局研究。     

气候变化对森林土壤有机碳贮藏影响的研究进展

森林土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解的变化直接影响陆地生态系统的碳贮藏与全球的碳平衡.气候变化将影响植物光合作用及土壤有机碳的分解和转化过程,进而影响森林土壤有机碳贮量及土壤碳动态.温度、降水、大气CO2浓度等气候因子对森林土壤碳贮藏均具有重要影响.了解气候变化对森林土壤有机碳贮藏的影响有助于人们科学管理森林碳库以及进一步寻找缓解气候变化的可行途径.为此,本文综述了森林土壤有机碳贮量的分布以及升温、降水变化和大气CO2浓度升高对森林土壤有机碳贮藏影响的国内外研究进展,并提出了有关的研究展望.     

林窗尺度对侧柏人工林土壤微生物量和功能多样性的影响

微生物活性是影响土壤碳循环等地下生态系统过程的重要因素。以徐州市侧柏(Platycladus orientalis(L.)Franco)人工林为研究对象,以未受干扰的侧柏林为对照(CK),设置半径分别为4、8、12m的3种尺度近圆形林窗,从林窗边缘(D1)到距林缘4m(D2)及8m处林下(D3)水平梯度上分析土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)和代谢功能多样性的变化。结果表明:1)与CK相比,林窗样地土壤MBC总体降低,MBN含量显著下降(P0.05),MBC/MBN显著上升(P0.05)。在3种尺度林窗中,MBC在大林窗偏小,MBN在小林窗偏小;MBC/MBN总体上随林窗尺度增大而减小。2)与CK相比,大中林窗降低了土壤微生物代谢活性(AWCD),小林窗变化不大。从D1到D3点,小林窗的AWCD先降后升,中林窗呈上升趋势,大林窗则相反。而且林窗降低了土壤微生物对各类碳源的利用,主要利用聚合物类和氨基酸类碳源,中林窗样点对碳水化合物和氨基酸类小分子碳源的利用最低。3)林窗总体提高了土壤微生物功能多样性,其中多样性(H')、丰富度(S)和均匀度(E)3个指数在各点之间均无显著差异,小林窗和CK的优势度指数(D_s)显著大于(P0.05)大林窗。侧柏林人工林窗对土壤微生物量和功能多样性的影响有着明显的尺度和位置梯度效应,林窗有望促进侧柏林土壤碳固持和大分子物质降解,提高其应对全球气候变化的能力,综合而言,中尺度林窗对侧柏林生态功能的发挥较为有利。