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。     

海岛陆地生态系统固碳估算方法

陆地生态系统在调节全球碳平衡和减缓全球气候变化中起着重要作用。海岛作为一种特殊的生态系统,生物群落和环境与大陆基本相似。虽然海岛生态结构相对简单,物种的丰富程度比大陆低,但对全球碳循环也有一定的影响。在海岛陆地生态系统中,森林和灌草的种属相对较少,且不同纬度的海岛森林植被种属差异明显,可采用典型样地清查和生物量模型估算相结合的方法估算乔木层和灌草层的碳储量。采用模型估算固碳潜力时,根据海岛生态环境的特殊性,综合考虑岛陆面积、季节、风向、坡度、坡向、海拔、平均温度、降雨量、土壤理化性质等参数对其碳储量估算的影响。海岛植被生物多样性影响其土壤碳储存的生态服务功能,利用多元统计分析方法,建立岛陆植物物种丰度与土壤碳储量的空间回归模型,明确植物多样性的改变对岛陆土壤固碳能力的影响。此外,从土壤固碳的角度而言,海岛土壤-植物-微生物间相互作用是其重要的研究方向。利用现代分子生物学技术,研究海岛陆地生态系统的土壤-植物-微生物相互作用关系,有利于海岛土壤固碳潜力估算精度的提高。     

气候变暖对陆地生态系统碳循环的影响

作为全球变化的主要表现之一,气候变暖对全球陆地生态系统碳循环的影响巨大,揭示这一作用对于精确理解碳循环的过程和相关政策的制定具有重要的指导意义。该文综述了此领域近十几年来的主要研究工作,总结了陆地生态系统碳循环对气候变暖响应的主要内部机制及其过程,简述了相关模型的发展及其主要应用,并指出以往研究中存在的主要问题以及未来研究的主要方向。在气候变暖条件下,陆地生态系统碳循环的变化主要体现在以下几个方面:1)低纬度地区生态系统NPP一般表现为降低,而在中高纬度地区通常表现为增加,而在全球尺度上表现为NPP增加;2)土壤呼吸作用增强,但经过一段时间后表现出一定的适应性;3)高纬度地区的生态系统植被碳库表现为增加趋势,低纬度地区生态系统植被碳库变化不大,或略微降低,在全球尺度上表现为植被碳库增加;4)地表凋落物的产量和分解速率增加;5)土壤有机碳分解加速,进而减少土壤碳储存,同时植被碳库向土壤碳库的流动增加从而增加土壤碳库,这两种作用在不同生态系统的比重不同,在全球尺度上表现为土壤碳库的减少;6)尽管不同生态系统表现各异,总体上全球陆地生态系统表现为一个弱碳源。生物物理模型、生物地理模型和生物地球化学模型陆续被开发出来用于研究工作,并取得了一定的成果,但是研究结果仍然存在很大的不确定性。在未来的数年甚至是数十年间,气候变暖与全球变化的其它表现间的协同影响将是下一步的研究重点,气候变暖和陆地生态系统间的双向反馈作用机制是进行更准确研究的理论基础,生态系统结构和功能对气候变化的适应性是准确理解和预测未来气候情景下陆地生态系统碳循环的前提。     

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     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度, 经过几十年的发展, 形成了一系列成熟的标记方法, 在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前, 自然丰度法、与¹³C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法; 通过将长期定位实验和室内模拟实验结合, 量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征, 明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制; 阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献, 评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而, 生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响, 碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪, 结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制, 从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此, 该文以稳定碳同位素为主, 综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展, 归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景, 并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

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．     

陆地生态系统碳密度格局研究概述

 准确了解陆地生态系统中碳密度的时空格局及其影响因子和作用机制,对于估算和预测不同类型生态系统中的植被和土壤的碳存储能力、判定碳汇、制定缓解全球变化的合理政策措施,具有重要意义。该文综述了现有研究中发现的世界陆地生态系统碳密度空间分布的地带性规律及中国陆地生态系统碳密度格局的独特特点。在全球尺度上,植被碳密度分布与植物生物量格局基本一致,除北方森林外其余大部分随纬度升高而减小;土壤碳密度则随纬度升高而增大。陆地生态系统中北方森林和热带森林的总体碳密度最高,不同的是,前者的碳主要集中在土壤中,而后者则集中在植被中。但在区域尺度上,由于气候、地形及人类活动影响,这种规律性可能会发生变化甚至不起作用。水热条件、土壤养分、生物多样性、气候和大气CO2浓度的变化以及土地利用与覆盖变化等是碳密度空间格局形成和发生变化的驱动因子。在某一特定区域,它们通过直接或间接提高植被净初级生产力,抑制呼吸和分解作用来增加陆地生态系统碳密度。综合分析特定时空条件下各因子对碳存储量的影响是解释碳密度分布现状,预测碳密度格局变化的关键,但目前的研究对各项驱动因子的作用机制、影响强度及多个因子间的相互作用仍不是很清楚,需要加强该方面的研究力度。碳密度研究中的数据获取、机理分析和过程模拟等方面仍存在很大的不确定性,因此有必要建立规范统一的碳密度测量估算系统和更为精准有效的估算模型,进行多尺度、多精度水平的综合研究。     

中国陆地生态系统土壤有机碳变化研究进展

通过文献资料, 对中国陆地生态系统土壤有机碳变化研究进行评述. 20世纪80年代初至21世纪初, 中国森林、草地、灌丛和农田土壤有机碳库合计年均增加(71±19) Tg/a, 三江平原沼泽湿地垦殖导致土壤有机碳损失(6±2) Tg/a. 该结果存在极大的不确定性, 尤其是对森林、灌丛和草地碳库变化的估计. 未来研究需重点关注土地利用变化及其碳源、碳汇效应, 放牧管理对草地土壤有机碳库的影响, 灌丛和非森林树木(经济林、防护林及四旁绿化造林)土壤有机碳变化估算, 深层土壤有机碳变化的测定和估算, 中国土壤的固碳潜力及陆地生态系统碳收支模型开发.     

磷影响陆地生态系统碳循环过程及模型表达方法

全球气候变暖已大大改变了陆地植物碳吸收能力, 提高了全球植被净初级生产力。随着气候变暖的加剧, 磷对植物生长的限制作用逐渐显现且不断增强, 磷影响陆地生态系统碳循环的机理和模型研究已成为研究热点。该文系统分析了磷影响陆地生态系统碳循环的相关机理以及模型对相关过程的定量化表达方法。综合对比分析了国际上的Carnegie- Ames-Stanford Approach-CNP (CASA-CNP)、Community Land Model-CNP (CLM-CNP)和Jena Scheme for Biosphere-Atmosphere Coupling in Hamburg-CNP (JSBACH-CNP)等碳、氮、磷耦合模型中磷影响植物光合作用与同化物分配过程、植物对磷的吸收过程、土壤中磷的转化过程以及生态系统磷输入与输出等过程的相关数学表达方法, 指出了模型算法的局限与不确定性以及未来模型发展与改进的方向。同时综合对比分析了CASA-CNP、CLM-CNP、JSBACH-CNP模型的基本特征, 总结了磷循环模型的建模方法, 为未来开展磷影响陆地生态系统碳循环的模型模拟研究提供了借鉴方法与参考思路。     

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…     

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.     

湿地生态系统碳储量估算方法综述

湿地生态系统碳储量测算一直是湿地研究领域的难点。目前仅能粗略估算湿地生态系统碳储量,很难做到精确计算。本文对湿地生态系统各组成部分碳储量估算方法进行分析,指出湿地生态系统碳储量估算应当充分融合水域和陆域各碳储存库的估算方法。另外,对影响湿地生态系统碳储量估算精度的各种因素进行了总结,认为湿地面积、碳密度以及水体、土壤和沉积物的深度是影响区域尺度碳储量估算精度的主要因素。     

UV-B辐射增强对陆地生态系统碳循环的影响

作为全球变化的重要现象之一,紫外射线B(UV-B,波长280～320 nm)辐射增强对陆地生态系统碳循环具有重要影响.UV-B辐射增强主要通过改变植物的光合作用、凋落物分解以及土壤呼吸来影响陆地生态系统碳的输入和转化输出.其他气候因子(大气CO2浓度、温度和水分)可能会促进或减缓UV-B辐射对陆地生态系统碳循环的作用.本文介绍了UV-B辐射增强的背景,综述了国内外近年来UV-B辐射增强及与其他气候因子交互作用对陆地生态系统碳循环的影响,总结了目前研究存在的不足,讨论了未来的研究重点和方向.     

土壤有机碳分组方法及其在农田生态系统研究中的应用

农田土壤有机碳成分复杂,活性有机碳对管理措施具有敏感性,而惰性有机碳具有固碳作用.碳分组技术主要包括物理技术、化学技术和生物学技术.物理分组的依据是密度、粒径大小和空间分布,可分离出有机碳的活性组分和惰性组分.化学分组基于土壤有机碳在各种提取剂中的溶解性、水解性和化学反应性从而分离出各种组分:溶解性有机碳是生物可代谢有机碳,包括有机酸、酚类和糖类等;酸水解方法可将有机碳分成活性和惰性成分;利用KMnO4模拟酶氧化可分离出活性碳和非活性碳.利用生物技术可测定出微生物生物量碳和潜在可矿化碳.在不同农田管理措施下,有机碳组分的化学组成和库容会发生不同变化,对土壤有机碳沉积速率产生不同影响.为了探明土壤有机碳组分与碳沉积之间的定性或定量关系,今后应该加强对各种分组方法的标准化研究,探索不同分组方法的整合应用,针对不同农田管理措施,总结出适合的有机碳分组方法或联合分组方法.     

陆地生态系统物质交换模型

陆地生态系统物质交换模型是生态系统水、碳、养分循环研究的重要方向和极具发展前景的不可替代的手段.本文对近年来发展的众多陆地生态系统物质交换模型进行了归类:1)根据建模思路不同分为经验模型、过程模型和混合模型;2)根据物质传输机制的不同分为生物物理模型和生物地球化学模型;3)根据对植被结构处理方式的不同分为单层模型、双层模型和多层模型;4)根据模型应用性不同分为诊断性模型和预测性模型;5)根据构建模型的逻辑结构不同分为自下而上模型和由上而下模型;6)根据研究尺度的不同分为生态系统尺度模型、景观尺度模型和区域尺度模型;7)根据植物生理过程的不同分为光合作用模型和蒸腾作用模型.最后对不同类型模型的优缺点进行综合分析,探讨了新的发展方向.     

陆地生态系统水分利用效率对气候变化的响应研究进展

气候变化显著影响陆地生态系统生产力以及水分利用格局,而水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是衡量生态系统碳水耦合关系的重要指标之一。研究陆地生态系统水分利用效率对气候变化的响应,有助于深入理解生态系统的变化规律,模拟和预测生态系统碳水过程的发展状况,从而为应对全球气候变化提供新的依据。为了更好地掌握生态系统水分利用效率研究现状以及其对温度、CO2等关键气候因子的响应情况,本文总结了陆地生态系统水分利用效率对气候变化响应的最新研究进展。首先介绍了相关的定义并归纳了两种不同计算方式的差异和特点;接着重点总结了陆地生态系统水分利用效率对大气温度、CO2、水分、干旱以及太阳辐射等影响因素的响应;最后文章总结了目前3个相关的研究态势,主要包括:(1)长时间序列水分利用效率与气候要素的关系研究;(2)土地利用/覆被变化对水分利用效率的影响及其对气候的反馈研究;(3)多尺度水分利用效率综合研究。本研究可为深入研究生态系统过程对气候变化的响应提供参考。     

陆地生态系统碳水通量贡献区评价综述

综述了通量贡献区研究的基本理论、最新进展、研究热点与难点,旨在促进中国区域碳水通量数据空间代表性的定量评价.通量贡献区是通量观测点上风向的空间代表区域,能够反映代表区域对应下垫面的源区内每一点对观测点的通量贡献权重影响,主要受观测高度、空气动力学粗糙度和大气稳定度等因素的影响.通量贡献区通常随着观测高度的增加、空气动力学粗糙度的降低和大气稳定度的增加而变大,反之则变小.通量贡献区的评价模型包括解析模型、拉格朗日随机模型、大涡模拟和闭合模型四类.通量贡献区的评价结果可以广泛应用于通量数据质量评价、实验设计的指导、与遥感技术结合的区域尺度的总初级生产力的估算、城市CO2通量变化的评估以及能量闭合的评价等研究.最新研究表明,对流边界层的通量贡献区存在负的通量贡献区域;有裸地存在的情况下解析模型通常会低估裸地对观测通量的贡献;与水平地面处的通量贡献区相比,山谷处通量贡献区变小而山脊处的通量贡献区变大.通量贡献区模型研究应进一步考虑大气中的平流效应、湍流的非高斯扩散以及建立冠层内部的通量贡献区模型.解决森林冠层内流场的不均匀性、冠层重叠问题、冠层湍流的不稳定性是建立适合冠层内部通量贡献区模型的前提条件.在理想条件的气体释放验证试验的基础上,需要开展复杂条件下的相关试验.     

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。     

Accelerated terrestrial ecosystem carbon turnover and its drivers

The terrestrial carbon cycle has been strongly influenced by human‐induced CO₂ increase, climate change, and land use change since the industrial revolution. These changes alter the carbon balance of ecosystems through changes in vegetation productivity and ecosystem carbon turnover time (τ_eco). Even though numerous studies have drawn an increasingly clear picture of global vegetation productivity changes, global changes in τ_eco are still unknown. In this study, we analyzed the changes of τ_eco between the 1860s and the 2000s and their drivers, based on theory of dynamic carbon cycle in non‐steady state and process‐based ecosystem model. Results indicate that τ_eco has been reduced (i.e., carbon turnover has accelerated) by 13.5% from the 1860s (74 years) to the 2000s (64 years), with reductions of 1 year of carbon residence times in vegetation (r_veg) and of 9 years in soil (r_soil). Additionally, the acceleration of τ_eco was examined at biome scale and grid scale. Among different driving processes, land use change and climate change were found to be the major drivers of turnover acceleration. These findings imply that carbon fixed by plant photosynthesis is being lost from ecosystems to the atmosphere more quickly over time, with important implications for the climate‐carbon cycle feedbacks.