钱球碳循环中的失汇及其形成原因

近20多年来,大气碳收支不平衡,即碳失汇（Missing carbon sink),一直是全球碳循环研究的核心问题之一,在总结全球碳失汇的主要研究成果基础上,分析了碳失汇数量和可能分布地点,并对形成的主要原因：CO2施肥作用,氮沉降的变化,变暖促进氮矿化和早期破坏后的森林再生等,进行了综述和分析。指出了该问题的复杂性。     

陆地生态系统碳源与碳汇及其影响机制研究进展

全球碳循环研究中发现,目前已知碳源与碳汇不能达到平衡。存在一个很大的碳失汇。大气、海洋和陆地生态系统是人工源CO2的3个可能的容纳汇,其中陆地生态系统最复杂、最具不确定性,因此陆地生态系统碳源与碳汇研究是全球碳循环研究的核心问题之一。大气成分监测、CO2通量测定、森林资源清查以及模型模拟等方面的研究都表明,CO2施肥效应、氮沉降增加、污染、全球气候变化以及土地利用变化,是影响陆地生态系统碳储量的主要生态机制,但不确定在过去的10～100年以及未来哪一种机制起最主要的作用。     

石灰碳汇综述

以“碳失汇”科学之谜和碳捕集与封存技术发展为背景,从石灰碳化原理、影响因素和石灰在化工、冶金、建筑以及石灰窑灰处理等领域的利用方式,综述了石灰物质流动过程的碳汇研究.结果发现: 石灰材料和环境条件是影响碳化的主要因素;石灰碳汇主要集中在化工、冶金和建筑领域;已有研究侧重分析石灰碳汇的机理、影响因素,但缺乏系统的碳汇核算方法.今后的研究工作应从以下几方面加强: 从物质流动的角度出发,建立系统完整的石灰碳汇核算方法;量化我国乃至全球的石灰碳汇量,阐明石灰生产过程中排放的CO₂抵消比例;分析石灰碳汇对碳失汇的贡献比例,明晰部分失踪碳汇;推动石灰碳捕集与封存技术发展,为我国应对气候变化国际谈判提供科学依据.     

服务双碳目标的中国人工林生态系统碳增汇途径

中国在相对较低的经济发展水平条件下提出了"碳达峰、碳中和"目标,在全球气候治理中起着关键作用。中国是全球人工林面积最多的国家,中国森林生态系统碳储量增加的主要贡献者是人工林,是中国陆地碳汇的主要来源,具有较高的碳汇增长潜力,加强人工林碳增汇方案研究对中国实现"碳达峰、碳中和"目标具有非常重要的作用。研究梳理了中国人工林生态系统碳汇能力提升的主要因子和环节,分别从增加碳汇强度型增汇、保护修复型增汇、减少碳排放型增汇、技术提高型增汇和市场引领型增汇5个方面提出了12条人工林碳增汇途径,以期为中国实现"碳达峰、碳中和"目标作出更大贡献。     

石灰碳汇综述

以“碳失汇”科学之谜和碳捕集与封存技术发展为背景,从石灰碳化原理、影响因素和石灰在化工、冶金、建筑以及石灰窑灰处理等领域的利用方式,综述了石灰物质流动过程的碳汇研究.结果发现: 石灰材料和环境条件是影响碳化的主要因素;石灰碳汇主要集中在化工、冶金和建筑领域;已有研究侧重分析石灰碳汇的机理、影响因素,但缺乏系统的碳汇核算方法.今后的研究工作应从以下几方面加强: 从物质流动的角度出发,建立系统完整的石灰碳汇核算方法;量化我国乃至全球的石灰碳汇量,阐明石灰生产过程中排放的CO₂抵消比例;分析石灰碳汇对碳失汇的贡献比例,明晰部分失踪碳汇;推动石灰碳捕集与封存技术发展,为我国应对气候变化国际谈判提供科学依据.     

水生生态系统的碳循环及对大气CO2的汇

水生生态系统,特别是海洋无疑是大气CO2的一个巨大的汇.海洋对大气CO2的汇以及大气圈和海洋之间碳的变换量在很大程度上取决于混合层碳酸盐化学、水中溶解碳的平流传输、CO2通过空气--海水界面的扩散、海洋生物生产和所产生的有机碳化合物的沉降等,现在已建立和发展了多种海洋碳子模型以对CO2的汇进行估测.根据国内外研究资料,综述了水生生态系统碳循环过程及"生物泵”作用机制等方面的研究进展;介绍了两大类主要的海洋碳子模型厢式模型和普通环流模型,采用这些模型对海洋碳汇的估算约为1.2～2.4GtC/a;分析了湖泊、河流等对大气CO2汇的特点及向海洋的转移,并对影响水体生态系统碳循环和大气CO2汇的因素进行了讨论.     

水生生态系统的碳循环及对大气CO2的汇

水生生态系统,特别是海洋无疑是大气CO2的一个巨大的汇。海洋对大气CO2的汇以及大气圈和海洋之间碳的变换量在很大程度上取于混合层碳酸盐化学、水中溶解碳的平流传输、CO2通过空气－－海水界面的扩散、海洋生物生产和所产生的有面碳化合物的沉隆等,现在已建立和发展了多种海洋碳子模型以对CO2的汇进行估测。根据国内外研究资料,综述了水生生态系统碳循环过程及“生物泵”作用机制等方面的研究进展;介绍了两大类主要的海洋碳子模型：厢式模型和普通环流模型,采用这些模型对海洋碳汇的估算约为1.2-2.4GtC/a;分析了湖泊、河流等对大气CO2汇的特点及向海洋的转移,并对影响水体生态系统碳循环和大气CO2汇的因素进行了讨论。     

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。     

微生物介导的碳氮循环过程对全球气候变化的响应

土壤是地球表层最为重要的碳库也是温室气体的源或汇。自工业革命以来,对土壤温室气体的容量、收支平衡和通量等已有较多研究和估算,但对关键过程及其源/汇的研究却十分有限。微生物是土壤碳氮转化的主要驱动者, 在生态系统碳氮循环过程中扮演重要的角色,对全球气候变化有着响应的响应、适应及反馈,然而其个体数量,群落结构和多样性如何与气候扰动相互关联、进而怎样影响生态系统过程的问题仍有待进一步探索。从微生物介导的碳氮循环过程入手,重点讨论微生物对气候变化包括温室气体(CO₂,CH₄,N₂O)增加、全球变暖、大气氮沉降等的响应和反馈,并由此提出削减温室气体排放的可能途径和今后发展的方向。     

珊瑚礁区碳循环研究进展

珊瑚礁是海洋中生产力水平最高的生态系统之一,其碳循环受到有机碳代谢(光合作用/呼吸作用)和无机碳代谢(钙化/溶解)两大代谢过程的共同作用,过程十分复杂.珊瑚礁植物的光合作用保证了有机碳的有效补充,动物摄食及微生物降解等生物过程驱动了珊瑚礁区有机碳高效循环,只有不超过7％的有机碳进入沉积物,而向大洋区水平输出的有机碳通量变化幅度较大,主要受到水动力条件的影响.珊瑚礁区碳酸盐沉积(无机碳代谢)是全球碳酸盐库的重要组成部分,年累积量达到全球CaCO3年累积量的23%～26%,是影响大气CO2浓度的重要组成;珊瑚礁是大气CO2源或汇则取决于净有机生产力与净无机生产力的比值(ROI),当ROI <0.6时,珊瑚礁区是大气CO2的源,反之,则是大气CO2的汇.     

1997-2006年中国城市建成区有机碳储量的估算

随着城市区域碳排放的增加,城市碳循环在全球碳循环中的地位越来越重要,而城市碳排放和碳储量的估算是城市碳循环研究的基础.本研究利用统计资料,参考国内外相关研究成果,对1997-2006年中国城市建成区有机碳储量进行估算.结果表明： 1997-2006年,中国城市建成区总有机碳储量呈上升趋势,由0.13～0.19 Pg C（平均值为0.16 Pg C）增加到0.28～0.41 Pg C（平均值为0.34 Pg C）;建成区有机碳密度由9.86～14.03 kg C·m^-2（平均值为11.95 kg C·m^-2）增加到10.54～15.54 kg C·m^-2（平均值为13.04 kg C·m^-2）.建成区的有机碳主要储存在土壤中,其次是建筑物和绿地,居民有机体的碳储量可忽略不计.1997和2006年,土壤、建筑物、绿地和居民有机体在总碳库中的比例分别为78%、12%、9%、1%和73%、16%、10%、1%.     

Terrestrial nitrogen–carbon cycle interactions at the global scale

Interactions between the terrestrial nitrogen (N) and carbon (C) cycles shape the response of ecosystems to global change. However, the global distribution of nitrogen availability and its importance in global biogeochemistry and biogeochemical interactions with the climate system remain uncertain. Based on projections of a terrestrial biosphere model scaling ecological understanding of nitrogen–carbon cycle interactions to global scales, anthropogenic nitrogen additions since 1860 are estimated to have enriched the terrestrial biosphere by 1.3 Pg N, supporting the sequestration of 11.2 Pg C. Over the same time period, CO₂ fertilization has increased terrestrial carbon storage by 134.0 Pg C, increasing the terrestrial nitrogen stock by 1.2 Pg N. In 2001–2010, terrestrial ecosystems sequestered an estimated total of 27 Tg N yr⁻¹ (1.9 Pg C yr⁻¹), of which 10 Tg N yr⁻¹ (0.2 Pg C yr⁻¹) are due to anthropogenic nitrogen deposition. Nitrogen availability already limits terrestrial carbon sequestration in the boreal and temperate zone, and will constrain future carbon sequestration in response to CO₂ fertilization (regionally by up to 70% compared with an estimate without considering nitrogen–carbon interactions). This reduced terrestrial carbon uptake will probably dominate the role of the terrestrial nitrogen cycle in the climate system, as it accelerates the accumulation of anthropogenic CO₂ in the atmosphere. However, increases of N₂O emissions owing to anthropogenic nitrogen and climate change (at a rate of approx. 0.5 Tg N yr⁻¹ per 1°C degree climate warming) will add an important long-term climate forcing.     

2001-2009年中国碳排放与碳足迹时空格局

碳排放引发的全球变暖给自然环境及人类社会都带来了显著影响,而碳足迹可以衡量自然生态系统对人类活动碳排放的响应。为研究自然-社会二元系统碳动态,基于MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)数据和统计资料计算2001—2009年中国陆地植被净初级生产力、能源消费碳排放、碳足迹和碳赤字;在GIS(Geographic Information System)技术支持下,运用空间自相关分析方法讨论其时空格局;据此划分生态经济区。结果表明:(1)2001—2009年全国植被净初级生产力(Net Primary Production,NPP)平均值为3.32 Pg C/a(1 Pg=1015g),呈西南地区东南沿海华中、华东地区东北、华北地区西北地区的空间格局;(2)2001—2009年全国能源消费碳排放逐年增加,年均增长率16.7%,多年平均值2.53 Pg C/a,呈东部中部西部的空间格局;(3)2001—2009年全国碳足迹逐年增加,年均增长率14.7%,多年平均值6.98×106km2;具有正碳赤字(即碳源)的省份为山西、环渤海地区各省、长三角地区各省、广东;相邻省份碳赤字的相对大小由于互相影响而改变;(4)全国分为中东部、南部、北部、西部四个生态经济大区。研究结果直观揭示了中国碳排放和碳足迹的时空动态,为实现自然-社会二元系统的可持续发展提供科学依据。     

Carbon Pools and Emissions from Deforestation in Extra-Tropical Forests of Northern Argentina Between 1900 and 2005

We estimated carbon pools and emissions from deforestation in northern Argentine forests between 1900 and 2005, based on forest inventories, deforestation estimates from satellite images and historical data on forests and agriculture. Carbon fluxes were calculated using a book-keeping model. We ran 1000 simulations for a 105-year period with different combinations of values of carbon stocks (Mg C ha⁻¹), soil carbon in the top 0.2 m, and annual deforestation series. The 1000 combinations of parameters were performed as a sensitivity analysis that for each run, randomly selected the values of each variable within a predefined range of values and probability distributions. Using the simulation outputs, we calculated the accumulated C emissions due to deforestation from 1900 to 2005 and the annual emission as the average of the 1000 simulations, and uncertainties of our estimates as the standard deviation. We found that northern Argentine forests contain an estimated 4.54 Pg C (2.312 Pg C in biomass and 2.233 Pg C in soil). Between 1900 and 2005 approximately 30% of the forests were deforested, yielding carbon emissions of 0.945 (SD = 0.270) Pg C. Estimated average annual carbon emissions between 1996 and 2005, mostly from deforestation of the Chaco dry forests, were 20,875 (SD = 6,156) Gg C y⁻¹ (1 Gg = 10⁻⁶ Pg). These values represent the largest source of carbon from land-cover change in the extra-tropical southern hemisphere, between 0.9 and 2.7% of the global carbon emissions from deforestation, and approximately 10% of carbon emissions from the Brazilian Amazon. Deforestation, which has accelerated during the last decades as a result of modern agriculture expansion, represents a major national source of greenhouse gases and the second emission source, after fossil fuel consumption by fixed sources. We conclude that Argentine forests are an important carbon pool and emission source that need more attention for accurate global estimates, and seasonally dry forest deforestation is a key component of the Argentine carbon cycle. Electronic supplementary material  The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.     

中国森林植被碳库的动态变化及其意义

利用1949年至1998年间7次森林资源清查资料,结合使用森林生物量实测资料,采用改良的生物量换算因子法,推算了中国50年来森林碳库和平均碳密度的变化,分析了中国森林植被的CO2源汇功能,结果表明,70年代中期以前,主要由于森林砍伐等人为作用,中国森林碳库和碳密度都是减少的,碳储量减少了0．62PgC（Pg＝10^15g),年均减少约0．024PgC。之后,呈增加趋势。在最近的20多年中,森林碳库由70年代末期的4．38PgC增加到1998年的4．75PgC,共增加0．37PgC,年平均增加0．022PgC。这种增加主要由人工造林增加所致。20多年来,由于人工林增加导致碳汇增加0．45PgC,年平均增加吸收0．021PgC／a。人工林的平均碳密度也显增加,共增加了约一倍。这除了人工成林增多外,气温上升和CO2浓度施肥也可能是促进森林生长的重要因子。     

中国森林生态系统的植物碳储量和碳密度研究

提高森林生态系统C贮量的估算精度,对于研究森林生态系统向大气吸收和排放含C气体量具有重大意义.中国的森林生态系统植物C贮量的研究刚刚开始,由于估算方法问题,不同估算结果存在着较大的差异.本研究以各林龄级森林类型为统计单元,得出中国森林生态系统的植物C贮量为3.26～3.73Pg,占全球的0.6～0.7%;各森林类型和省市间有较大的差异.森林生态系统植物C密度在各森林类型间差异比较大,介于6.47～118.14Mg·hm^-2,并且有从东南向北和西增加的趋势.这种分布规律与我国人口密度的变化趋势正好相反,两者有一种对数关系.这说明我国实际森林植物C密度大小首先取决于人类活动干扰的程度.     

中国森林生态系统的植物碳储量和碳密度研究

提高森林生态系统C贮量的估算精度,对于研究森林生态系统向大气吸收和排放含C气体量具有重大意义.中国的森林生态系统植物C贮量的研究刚刚开始,由于估算方法问题,不同估算结果存在着较大的差异.本研究以各林龄级森林类型为统计单元,得出中国森林生态系统的植物C贮量为3.26～3.73Pg,占全球的0.6～0.7%;各森林类型和省市间有较大的差异.森林生态系统植物C密度在各森林类型间差异比较大,介于6.47～118.14Mg·hm^-2,并且有从东南向北和西增加的趋势.这种分布规律与我国人口密度的变化趋势正好相反,两者有一种对数关系.这说明我国实际森林植物C密度大小首先取决于人类活动干扰的程度.     

CO_2失汇与北半球中高纬度陆地生态系统的碳汇

化石燃料消耗及热带林破坏导致约 7.0 Pg C· a- 1 (1Pg=10 9t)的 CO2 向大气排放 ,其中 3.0～ 3.4Pg C·a- 1 的 CO2 被用于大气 CO2 浓度的升高 ,约 2 .0 Pg C· a- 1 的 CO2 被海洋吸收 ,而陆地生物圈被认为是 CO2 净吸收与净排放基本达到平衡。因此 ,在人工源 CO2 中 ,尚有 1.6～ 2 .0 Pg C· a- 1的 CO2 去向不明。这就是著名的 CO2 失汇之谜。大气成分监测、CO2 通量测定以及模型模拟等方面的研究都表明 ,北半球陆地生态系统是一个重要的碳汇 ,但其值存在很大的不确定性 ,且具有较大的时空变化。全球温暖化、CO2 施肥效应 ,氮和磷沉降的增加以及人工植被的扩大是形成碳汇的主要因素。为减少碳汇估计值的不确定性 ,除加强长期定位监测、改良现有估测模型外 ,重视研究土壤圈在碳循环中的作用至关重要     

Potential for biochar carbon sequestration from crop residues: A global spatially explicit assessment

Global warming necessitates urgent action to reduce carbon dioxide (CO₂) emissions and remove CO₂ from the atmosphere. Biochar, a type of carbonized biomass which can be produced from crop residues (CRs), offers a promising solution for carbon dioxide removal (CDR) when it is used to sequester photosynthetically fixed carbon that would otherwise have been returned to atmospheric CO₂ through respiration or combustion. However, high-resolution spatially explicit maps of CR resources and their capacity for climate change mitigation through biochar production are currently lacking, with previous global studies relying on coarse (mostly country scale) aggregated statistics. By developing a comprehensive high spatial resolution global dataset of CR production, we show that, globally, CRs generate around 2.4 Pg C annually. If 100% of these residues were utilized, the maximum theoretical technical potential for biochar production from CRs amounts to 1.0 Pg C year⁻¹ (3.7 Pg CO₂e year⁻¹). The permanence of biochar differs across regions, with the fraction of initial carbon that remains after 100 years ranging from 60% in warm climates to nearly 100% in cryosols. Assuming that biochar is sequestered in soils close to point of production, approximately 0.72 Pg C year⁻¹ (2.6 Pg CO₂e year⁻¹) of the technical potential would remain sequestered after 100 years. However, when considering limitations on sustainable residue harvesting and competing livestock usage, the global biochar production potential decreases to 0.51 Pg C year⁻¹ (1.9 Pg CO₂e year⁻¹), with 0.36 Pg C year⁻¹ (1.3 Pg CO₂e year⁻¹) remaining sequestered after a century. Twelve countries have the technical potential to sequester over one fifth of their current emissions as biochar from CRs, with Bhutan (68%) and India (53%) having the largest ratios. The high-resolution maps of CR production and biochar sequestration potential provided here will provide valuable insights and support decision-making related to biochar production and investment in biochar production capacity.     

全球森林生态系统碳储量、固碳能力估算及其区域特征

从气候地带性和地理区域分布两方面对森林生态系统碳储量及固碳能力,以及土地利用变化对森林固碳的影响和森林固碳估算不确定性的原因进行综述.据估算,全球森林生态系统碳储量为652～927 Pg C,固碳能力达到4.02 Pg C·a^-1.各气候地带森林碳储量表现为热带最大(471 Pg C),寒带次之(272 Pg C),温带(113～159 Pg C)最小,固碳能力表现为热带(1.02～1.3 Pg C·a^-1)最大,温带次之(0.8 Pg C·a^-1),寒带(0.5 Pg C·a^-1)最小;各地理区域森林碳储量表现为南美洲(187.7～290 Pg C)最大,其次是欧洲(162.6 Pg C)、北美洲(106.7 Pg C)、非洲(98.2 Pg C)和亚洲(74.5 Pg C),而大洋洲(21.7 Pg C)最小,固碳能力为南美洲热带(1276 Tg C·a^-1)和非洲热带(753 Tg C·a^-1)较大,其次是北美洲(248 Tg C·a^-1)和欧洲(239 Tg C·a^-1),而东亚(98.8～136.5 Tg C·a^-1)较小.为进一步减少森林生态系统固碳估算的不确定性,今后应综合运用连续长期观测技术、样地清查、遥感分析和模型模拟等方法.