滨海蓝碳湿地碳汇速率测定方法及中国的研究现状和挑战

滨海盐沼、红树林和海草床蓝碳湿地生态系统具有高效的固碳-储碳能力,准确测定滨海蓝碳湿地生态系统碳汇速率,对于评估滨海湿地碳中和能力、生态恢复新增碳汇规模及碳贸易至关重要。深入思考滨海蓝碳湿地生态系统碳汇定义的内涵,提出狭义碳汇和广义碳汇的概念,介绍沉积物碳累积+植被净初级生产力法以及生态系统碳通量收支法2个目前国际上应用最多的滨海蓝碳湿地碳汇速率测定方法,特别是深入分析作为开放系统的滨海盐沼生态系统和海草床生态系统碳汇速率测定面临的诸多问题与挑战,梳理中国红树林、滨海盐沼和海草床生态系统碳汇速率的测定结果及国家尺度滨海蓝碳湿地生态系统碳汇规模,最后提出中国在滨海蓝碳湿地碳汇速率测定实践中急需加强的基础研究领域,以期为科学地计量中国滨海蓝碳湿地生态系统碳汇速率与碳汇规模提供方法参考和技术支撑。     

陆地生态系统碳汇评估方法研究进展

“碳中和”是我国作出的一项重大的国家战略决策,陆地生态系统碳汇作为碳增汇的重要组成部分,在碳中和目标实现的过程中发挥着重要的作用。但当前基于不同观测数据和方法的陆地碳汇计算仍有很大的不确定性,为了全面了解陆地生态系统碳汇分布特征,提高陆地生态系统碳汇评估的准确性,梳理了近年来关于陆地生态系统碳汇评估的国内外研究进展,从“自下而上”和“自上而下”两类途径阐述了陆地生态系统碳汇评估的主要方法(样地清查法、涡度相关法、模型模拟法和碳同化反演法)的主要原理和特征,优势和缺陷,及在不同尺度碳汇研究中的应用,并从土地利用/覆盖变化、气候因素(大气CO₂浓度、氮沉降)、环境因素(太阳辐射、温度、降水)等因素阐述了陆地系统碳汇主要驱动因子;分析了我国陆地生态系统碳汇的主要特征及时空变化趋势,并从人类活动(生态工程)和环境因素阐述了中国陆地生态系统碳汇的驱动因素;最后,展望了新的监测手段和评估方法在提升陆地生态系统碳汇评估精度中的作用,从而更好的服务于我国“碳中和”的长远目标。     

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。     

区域生态保护修复碳汇潜力评估方法与应用——基于第一批山水林田湖草生态保护修复工程的研究

山水林田湖草生态保护修复工程是生态系统恢复的有效措施,借助生态保护与修复提升生态系统固碳潜力,无疑是土地利用碳减排的新路径。基于山水林田湖草沙综合整治视角,从生态系统的格局和质量两个方面评估了第一批山水林田湖草生态保护修复工程的实施效果,并借助InVEST模型定量化地分析了工程实施前后的生态系统碳汇能力。结果如下：(1)山水林田湖草生态保护修复试点工程加速了各类生态系统间的相互转化,主要表现为城镇生态系统的增加、农田生态系统的减少;工程区植被覆盖度整体提高,NDVI值平均水平不断上升、高值区逐步扩大,劣质、低质生态系统改造成果显著,陆地生态系统质量有效提升。(2)试点区生态系统碳汇能力和潜力得到有效改善,工程累积增加碳汇面积22.68%,其中工程实施前期增加碳汇面积18.06%,中后期增加面积4.62%;工程实施后2018年碳汇总量增加32.74 Tg, 2020年碳汇总量增加31.28 Tg,年均碳汇潜力的提升约1.24%;工程在增加生态系统质与量、碳汇潜力的巩固与提升上具有显著成效。分析结果表明,生态保护修复是实现“双碳”目标的必然选项,这也是生态保护修复在实现“双碳”目标中的基本...     

碳中和的生态学透视

在简述碳中和概念的基础上, 重点对碳中和的实现途径及生态系统碳汇的重要性进行了评述, 认为碳减排和碳增汇是实现“碳中和”的两个决定因素; 碳减排的核心是节能、调结构、增效和发展清洁能源, 碳增汇的核心是生态保护、建设和管理。由于植被自然生长和生态建设等因素, 中国陆地生态系统发挥了, 并将在未来继续发挥着重要的碳汇作用。为增强生态系统的固碳能力, 作者提出“三优”生态建设和管理原则, 即“最优的生态系统布局、最优的物种配置、最优的生态系统管理”。此外, 文章还对“后碳中和”时代可能出现的问题和挑战进行了展望, 认为碳中和后, 由于气候变化, 特别是大气CO₂浓度增速减缓甚至下降等因素, 可能导致全球性的植被生产力下降, 对此可能带来的新的环境问题需要提前谋划和应对。     

黄土高原土壤水分-有机碳-微生物耦合作用研究进展

黄土高原植被恢复后土壤水分、有机碳和微生物群落发生了非同步性演变。土壤微生物是各种生命活动的载体,在土壤水-碳耦合过程中参与了一系列的氧化与还原反应,因此,土壤微生物在水-碳耦合关键过程中起着重要的调节作用,三者存在着密切的耦合关系。尽管关于植被恢复后土壤水分和有机碳变化的研究已开展较多,但是由于土壤微生物活动和群落结构复杂性和易变性,这给土壤微生物介导的水-碳耦合研究带来了相当大的困难。迄今为止,黄土高原植被恢复后土壤水、碳、微生物三者之间的耦合关系缺乏总体性的融合,大多数研究只能假设各个生物化学过程是相对独立的,对土壤水、碳、微生物耦合的认知仍存在局限性。由此,首先对黄土高原植被恢复进程、土壤水分过程和有机碳变化分别进行了综述,结合已有的理论和证据进一步概括了黄土高原土壤有机碳、微生物群落对降水格局的响应。最后整合植被、土壤和微生物界面等关键生态过程,总结了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合界面过程,采用HYDRUS-2D模型(水文过程模型)和ORCHIDEE模型(生态系统碳模型),并融入土壤微生物种群生长动态,基于稳定碳、水同位素技术和DNA探针技术,初步构建了黄土高原土壤水-碳-微...     

复杂地形草地植被碳储量遥感估算研究进展

草地生态系统是我国最大的陆地生态系统,其植被碳储量的准确评估对维护国家生态安全和指导畜牧发展有重要作用。植被生物量和草地面积是草地植被碳储量估算的关键,随着遥感技术的发展,两者估算精度和效率显著提高,先后发展出多种草地生物量遥感估算模型和土地覆被产品,并已在平坦地区取的较好估算结果。然而,复杂地形区迥异于平地的几何形态和水热分布所产生的不均一的生态系统结构和功能,给草地生物量和草地面积的遥感估算带来诸多困难,影响对草地植被碳储量的准确判定。本文在回顾国内外草地植被碳储量遥感估算方法与所需关键参数的基础上,对遥感估算复杂地形草地植被碳储量过程中所面临“遥感影像地形效应的去除和尺度选择”、“植被指数与地形指标的选取”、“过程模型植被生长参数的率定”、“草地面积估算”以及“气象数据与复杂地形上微气候的匹配”等问题进行了总结并提出相应的解决思路,以期为草地植被碳储量遥感估算模型的合理构建以及估算精度的提高提供参考。     

“双碳”目标下山水林田湖草沙一体化保护和修复工程优先区与技术策略研究

巩固与提升生态系统碳汇能力是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径之一。生态保护修复对生态系统固碳增汇有着重要影响。2016—2021年,财政部、自然资源部、生态环境部在我国27个省(自治区、直辖市)共支持了三批山水林田湖草生态保护修复工程试点和第一批山水林田湖草沙一体化保护和修复工程,共35个山水工程。通过分析已部署的35个山水工程布局的空间特征和碳汇效益,结合国家重点关注的生态保护修复区域、全国重要生态系统保护和修复重大工程分布、生态系统碳汇重要区域和敏感区域,探索“双碳”目标下山水工程布局优先区及生态保护修复技术策略。研究发现山水工程的碳汇效益具有空间差异性,且山水工程优先区主要依次分布在青藏高原生态屏障区、东北森林带、长江重点生态区(含川滇生态屏障)、南方丘陵山地带、黄河重点生态区(含黄土高原生态屏障)、北方防沙带等的森林、高原草地、荒漠、岩溶地区等区域。基于此,提出未来山水工程在不同区域的技术策略。在森林生态系统为主地区,不仅要提高森林覆盖度、森林质量,还应当加强生物多样性的保护和土壤碳汇能力的提升;在高原草原及冻土地区应加强草地退化和冻土监测,提高草地质量;在西北荒漠化地区加强碳...     

牡蛎礁生境：海岸带可持续发展的潜在碳汇

牡蛎礁生境是指由聚集的牡蛎和其他生物及环境堆积形成的复合生态系统,其固碳和储碳潜力巨大,在海岸带生态系统中发挥着重要的作用。然而,目前对牡蛎礁生境碳源与汇的认识仍存在不足,主要在于牡蛎钙化和呼吸作用都释放CO₂,而碳源与汇的评估忽视了钙化、同化和沉积过程带来的整体碳汇价值及牡蛎礁生态系统功能带来的碳汇效应。因此,有必要重新认识牡蛎礁生境的碳汇价值。一方面,牡蛎礁生境的碳源和碳汇需要从牡蛎礁自身的整体碳循环中进行评估,包括牡蛎礁系统中的沉积、钙化、呼吸作用及侵蚀、再悬浮和再矿化作用; 另一方面,牡蛎礁生态系统服务引起的碳汇效应需从牡蛎礁的生态系统服务价值角度进行评估,将生态系统服务价值及碳价值进行关联,从而纳入碳汇核算体系。从实现海岸带可持续增汇角度出发,综述了牡蛎礁生境中碳的源与汇;阐述了容易被人们忽视的微生物在牡蛎礁生境碳汇中的作用;以保护和生态修复为目的,进一步提出可实现牡蛎礁生境最大潜在碳汇的策略,以期为实现海洋负排放及践行"国家双碳战略"提供理论和技术支撑。     

基于CEVSA2模型的亚热带人工针叶林长期碳通量及碳储量模拟

随着造林活动的开展,准确评估人工林的碳储量和固碳能力,对于准确估算全球和区域碳平衡具有重要意义。基于生态系统机理模型为分析和预测人工林生态系统碳储量和碳汇功能的动态特征提供了重要手段。CEVSA2模型是在CEVSA模型的基础上,改进了碳水循环关键过程的定量表达方法而发展的新版本。基于改进后的CEVSA2模型,模拟分析了亚热带红壤丘陵区人工林自造林以来生态系统碳储量和碳通量的变化特征。模拟结果表明,造林后,植被碳持续增加,研究时段内平均每年的增长速率为22%。土壤碳储量在造林后最初的7-8a间是逐渐下降的,而后逐渐升高,约15a后土壤碳增加到初始水平,随后土壤碳继续增加。生态系统的总碳储量也表现为先降低后增加,造林4a后,总碳储量由降低转为增加趋势,6a后,总碳储量即超过造林当年的总碳储量。造林后,总初级生产力和净初级生产力逐渐升高,而总呼吸则先降低后升高,呼吸组分中自养呼吸所占比例逐渐升高而异养呼吸逐渐下降。人工林在造林初期表现为一个碳源,随着人工林的生长,碳汇功能逐渐增强。由此可见,造林初期,生态系统碳储量下降,生态系统向大气释放碳,随着人工林的生长,生态系统转变为一个碳汇,植被碳、土壤碳和总碳储量均显著增加。     

黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应

黄土高原大规模植被恢复显著影响了这一区域土壤水分和有机碳(SOC),从而影响其承载的土壤水源涵养和固碳服务。明确深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应特征是当前黄土高原地区生态水文与生态系统服务研究的一个重要科学问题,其中植被类型以及生长年限是这一过程的重要影响因素。然而,目前关于深层土壤有机碳和土壤水分对植被恢复的响应及二者关系的研究较少。通过对陕北典型黄土丘陵区不同植被类型和生长年限下0—5 m土壤水分与有机碳的监测,分析了深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应及其特征。研究发现:(1)植被恢复后0—5 m土层均出现水分亏缺,土壤水分亏缺在表层1 m最低,2—3 m最高;对于不同恢复方式,林地土壤水分亏缺在恢复至21—30a时显著高于前一阶段(11—20a),而在恢复31a后水分开始恢复,而灌木、草地土壤水分亏缺程度则随恢复年限延长不断增加。(2)林地、灌木、草地0—5 m平均土壤有机碳含量为1.97、1.77、1.72 g/kg;林地土壤固碳量随恢复年限的增加而增加,并且在恢复20a时固碳量与对照农田相比出现净增;灌木土壤固碳量随恢复年限先增加后降低;草地土壤固碳量则随退耕年限增加呈下降趋势并且低于对照农田。(3)表层0—1 m土壤水分随恢复年限增加变化不显著,深层土壤水分则随恢复年限增加显著降低;相比而言,随恢复年限增加,土壤有机碳随年限的变化在各层土壤中均不显著。深层土壤水分与土壤有机碳呈现显著的正相关,且土壤有机碳的增加速率低于土壤水分,研究认为,深层土壤固碳与土壤水分关系密切,且深层土壤固碳需要充足水分参与。深层土壤水分亏缺可能限制植被细根的发展,使深层土壤有机碳输入减少。     

黄土高原人工苜蓿草地固碳效应评估

苜蓿草地作为黄土高原草地的重要组成部分,在黄土高原草地生态系统碳循环占有重要地位。同时由于苜蓿具有固氮和固碳的双重作用,使它在低碳农业的发展中具有重要意义。本文以一年生（建植初期）、三年生（盛产期）、五年生（稳产期）和十年生（衰败期）的人工苜蓿草地为研究对象,利用地上地下生物量和土壤碳贮量,定量分析了人工苜蓿草地不同发育阶段的固碳能力;结合种植面积,对黄土高原区人工苜蓿草地的总固碳效应进行了评价。研究结果表明：苜蓿草地地上生物固碳能力以三年生和五年生最强,并显著高于其他年限;地下生物固碳和土壤固碳量均以十年苜蓿草地最高,且显著高于其他年限。总体而言,人工苜蓿草地以土壤固碳为主,并集中在0~80cm土壤,各年限0-80cm土层土壤固碳量分别占到总固碳量的41.02%、39.43%、41.56%、39.59%;而地下生物固碳主要发生在0~20cm土层,各年限该层生物固碳量分别占到地下生物总固碳量的45.74%、 55.68%、53.12%和 43.28%。苜蓿草地在整个生命周期中总固碳量随生长年限逐年增长,但增长速度不明显,各年限单位面积总固碳量分别为12.69kg/m2、13.49 kg/m2、13.31 kg/m2和14.83 kg/m2。估算得到黄土高原的人工苜蓿草地年总固碳量为1.430?1011 Kg（143.0 Tg）,其中地上、地下、土壤分别为5.43Tg、1.15Tg和136.4Tg。本研究结果为正确分析区域碳循环和发展低碳大农业提供了重要理论参考。     

黄土高原北部草地的恢复与重建对土壤有机碳的影响

草地的恢复与重建是黄土高原生态建设的重要内容,探讨草地恢复过程中土壤有机碳密度（SOCD）的变化规律对于合理评价北方水蚀风蚀交错带地区生态恢复的环境效应及其对土壤碳固存潜力的影响具有重要的理论价值。以黄土高原北部水蚀风蚀交错带地区不同生长年限的紫花苜蓿（Medicago sativa）人工草地及其退化后形成的次生草地为主要研究对象,探讨了SOCD的动态变化特征。结果表明,研究区0-100cm土体的SOCD普遍较低,变化范围为1.18-2.81kgCm^-2,略高于地球上荒漠带的水平（1.4kgCm^-2）,显著低于黄土高原中部（4.46-9.95kgCm^-2）与全国（11.52-12.04kgCm^-2）的平均水平。但是当土地利用方式由农田转变为人工草地以后,以及随着人工草地向长芒草（Stipabungeana）次生天然草地的自然演替,SOCD均有不同程度的增加,增加幅度最大可达72%,土壤表现为明显的碳汇。不同土地利用方式0-100cmSOCD的变化顺序为：灌木林地（2.11kgCm^-2）〉次生天然草地（1.95kgCm^-2）〉人工草地（1.91kgCm^-2）〉弃耕地（1.69kgCm^-2）〉农田（1.68kgCm^-2）,但统计差异不显著,意味着植被恢复对土壤碳固存的影响相对较小,该地区土壤固存CO2的潜力并不大,发育较好的次生天然草地0-100cm土体SOCD平均仅为2.20kgCm^-2。对SOCD垂直变化的分析结果表明表层SOC主要固存于表层0-20cm土壤,而且与0-100cm土体的SOCD具有显著的线性相关性,由表层观测值可以有效估计0-100cm土体的SOCD,估计误差为9.9%（0.18kgCm^-2）。     

小兴安岭7种典型林型林分生物量碳密度与固碳能力

森林生物碳储量作为森林生态系统碳库的重要组成部分, 在全球碳循环中发挥着重要作用。以小兴安岭7种典型林型为研究对象, 通过外业样地调查与室内实验分析相结合的方法, 从林分尺度对林分生物量与碳密度进行计量, 分析了林分生物碳储量的空间分配格局, 并对林分年固碳能力与碳汇潜力进行了探讨。结果表明: 小兴安岭不同林型从幼龄林到成熟林的乔木层碳密度增长速率为: 蒙古栎(Quercus mongolica)林>兴安落叶松(Larix gmelinii)林>云冷杉(Picea-Abies)林>樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)林>山杨(Populus davidiana)林>红松(Pinus koraiensis)林>白桦(Betula platyphylla)林。7种典型林型不同龄组(幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林)林分生物量碳密度分别为: 红松林31.4、74.7、118.4和130.2 t·hm^-2; 兴安落叶松林28.9、44.3、74.2和113.3 t·hm^-2; 樟子松林22.8、52.0、71.1和92.6 t·hm^-2; 云冷杉林23.1、44.1、77.6和130.3 t·hm^-2; 白桦林18.8、35.3、66.6和88.5 t·hm^-2; 蒙古栎林25.0、20.0、47.5和68.9 t·hm^-2; 山杨林19.8、28.7、43.7和76.6 t·hm^-2。红松林、兴安落叶松林、樟子松林和蒙古栎林在幼龄林时林分年固碳量较高, 其他林型在成熟林时林分年固碳量较高。7种典型林型不同龄组的林分生物量碳密度均随林龄增长而增加, 但不同林型的碳汇功能存在差异, 同一林型不同林龄的生物量碳密度增幅差异也较大。林分年固碳量在0.4-2.8 t·hm^-2之间, 碳汇能力较强、碳汇潜力较大。尤其是小兴安岭目前林分质量较差, 幼龄林和中龄林所占的比重较大, 具有较大的碳汇潜力。研究结果可为森林经营管理及碳汇功能评价提供参考。     

泥炭藓: 一类具有重要生态、经济和科学价值的碳封存植物

全球气候变暖是人类面临最严峻的环境挑战。有效控制碳排放, 充分发挥生态系统的固碳能力是实现碳中和目标的重要手段。作为碳封存能力最强的一种湿地类型, 泥炭地是加快实现碳中和目标的关键陆地生态系统。作为泥炭地“有效的生态系统工程师”, 泥炭藓(Sphagnum)在泥炭地的碳汇功能、过滤淡水及保护土地免受洪水侵袭等方面具有极其重要的作用。100多年来, 泥炭藓广泛应用于医药保健、污染监测和废水处理等领域, 尤其是作为一类最值得信赖的土壤介质和保湿材料一直被广泛用于园艺产业。在全球气候变暖和“双碳”目标的大背景下, 泥炭藓已经成为生命科学和生态学研究的热点。该文主要从泥炭藓的形态、物种多样性和起源、生境与分布、繁殖和保护、培养与种植、环境指示和监测、用途和应用, 以及碳封存、储水和酸化能力等方面进行综述, 旨在为泥炭藓研究、泥炭地的保护和恢复以及泥炭藓开发利用和产业发展提供借鉴与参考。     

植被和梯田对黄土高原小流域泥沙连通性的影响

黄土高原经过长期水土流失治理,泥沙问题得到有效解决,但植被恢复和梯田修建对泥沙空间输移的影响尚未完全揭示。通过土地利用数据和Landsat影像确定梯田分布和植被覆盖情况,使用能表征植被和梯田对泥沙输移的阻滞作用的植被覆盖与作物管理因子和工程因子计算泥沙连通性指数(IC),分析泥沙连通性的时空动态变化,量化植被与梯田共同影响下黄土高原第三副区典型流域泥沙连通性。调整权重因子模拟不同情景下泥沙连通性指数的计算,分析植被与梯田对泥沙连通性的单独影响。结果表明由于植被快速恢复和梯田大面积修建,IC在35年间(1986—2020年)从-3.42到-9.17显著下降。情景模拟发现,在1986—1999年间,梯田为泥沙连通性减弱主要驱动因素,1999年后植被与梯田共同作用。植被影响下的IC从1986年到2020年下降73.05%,在1986—2020年间梯田影响下IC下降26.75%。在空间上梯田及高植被覆盖度区域呈弱泥沙连通性,中下游主沟及部分支沟区域为强泥沙连通性。总体而言,植被恢复和梯田修建减弱泥沙输移能力,流域输沙路径集中于主沟中下游及部分支沟区域。研究结果有助于深化黄土丘陵区小流域植被恢复...