面向生态系统评估的多源数据融合体系

基于生态系统服务功能的生态系统评估是识别生态环境问题、开展生态系统恢复和生物多样性保护、建立生态补偿机制的重要基础,也是保障国家生态安全、推进生态文明建设的重要环节。生态系统评估涉及生态系统多个方面,需要多要素、多类型、多尺度的生态系统观测数据作为支撑。地面观测数据和遥感数据是生态系统评估的两大数据源,但是其在使用时常存在观测标准不一、观测要素不全面、时间连续性不足、尺度不匹配等问题,给生态系统评估增加了极大的不确定性。如何融合不同尺度的观测数据量化生态系统服务功能是实现生态系统准确评估的关键。为此,从观测尺度出发,阐述了地面观测数据、近地面遥感数据、机载遥感数据和卫星遥感数据的特点及其在问题,并综述了这几类数据源进行融合的常用方法,并以生产力、固碳能力、生物多样性几个关键生态参数为例介绍了“基于多源数据融合的生态系统评估技术及其应用研究”项目的多源数据融合体系。最后,总结面向生态系统评估的多源数据融合体系,并指出了该研究的未来发展方向。     

The response of ecosystem carbon and nitrogen pools to experimental warming in grasslands: a meta-analysis

草地生态系统碳氮库对增温响应的整合分析 陆地生态系统碳氮耦合过程有可能改变全球碳循环对气候变化的敏感性。然而,碳氮的交互作用对陆地生态系统碳固存的贡献仍不明确。本研究采用Meta分析的方法量化了野外增温条件下草地碳氮储量的变化,并且进一步评估了3个主要的碳氮耦合过程(生态系统氮总量的变化,氮在植被和土壤之间的重新分配,植被与土壤碳氮比的变化)对草地碳固存的相对贡献。增温使得土壤、凋落物 和植被的碳氮比增加,并导致约2%的氮从土壤转移到植被和凋落物中。增温提高了植被和凋落物的碳储量(111.2 g m⁻²),而降低了土壤的碳储量(30.0 g m⁻²),由此可见,增温提高了整个草地生态系统的碳储量。碳氮比的变化是温度升高条件下草地碳储量增加的主要贡献者,氮的重新分配次之。相反,氮总量的减少则降低了生态系统的碳储量。这些结果表明,温度升高对草地生态系统碳氮储量的变化及其耦合过程具有显著的影响,建议生态模型考虑碳氮循环的交互作用,以便更准确地预测未来陆地碳储量的变化。     

黄河源园区高寒草地碳储量估算及其影响因素

高寒草地碳储量及其影响因素研究是认识青藏高原草地生态系统乃至陆地生态系统碳循环和气候变化的关键之一。利用2021年8月上旬地面调查数据与同期高分6号遥感数据建立回归关系,在反演研究区植被地上、地下生物量碳密度和0—40cm土壤层有机碳密度基础上,估算了黄河源园区高寒草地有机碳储量,并通过路径分析探讨了土壤理化性质对碳密度的影响驱动机制。结果表明：(1)2021年黄河源园区地上生物量、地下生物量、0—40cm土壤层碳密度分别为37.65g/m²、1305.28g/m²、4769.11g/m²;总碳储量为100.44Tg(1Tg=10¹²g),植被层和土壤层碳储量分别分为22.06Tg、78.38Tg,占总碳密度的21.96%、78.04%。(2)黄河源园区高寒草甸和高寒草原两种草地类型地上生物量碳密度分别为41.27g/m²、30.76g/m²;地下生物量碳密度分别为1661.41g/m²、618.74g/m²;0...     

中国陆地生态系统碳源/汇整合分析

国家尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程的研究对于提升地球系统科学与全球变化科学的科技创新能力、提高我国参与应对全球气候变化国际行动和维护国家利益的话语权、保障国家生态安全和改进生态系统管理都具有重要意义。近年来,我国已经在气候变化与陆地生态系统碳循环领域开展了大量的研究工作,主要包括国家清查、生态系统模型模拟、大气反演等手段。然而,由于大尺度陆地生态系统碳源/汇的估算存在很大的不确定性,目前尚未形成国家尺度的陆地生态系统碳源/汇的整合分析。通过搜集已发表的关于中国陆地生态系统及其组分碳源/汇的59篇文献,整合国家清查、生态系统模型模拟、大气反演3种研究手段,分析中国陆地生态系统碳源/汇大小以及时间尺度上的动态变化。结果表明,在1960s-2010s期间中国陆地生态系统碳汇整体呈上升趋势,平均为（0.213±0.030）Pg C/a,其中森林、草地、农田和灌木生态系统碳汇分别为（0.101±0.023）Pg C/a、（0.032±0.007）Pg C/a、（0.043±0.010）Pg C/a和（0.028±0.010）Pg C/a。森林生态系统中的植被碳汇远大于土壤碳汇,然而这种格局在草地和农田生态系统却相反,而且1960s-2010s期间中国主要植被类型的生态系统碳汇总体上随时间呈增加趋势。融合多源数据（地面观测、激光雷达、卫星遥感等）、多尺度数据（样地尺度、站点尺度、区域尺度）以及多手段数据（联网观测、森林清查、模型模拟）,有助于全面准确地评估中国陆地生态系统碳源/汇及其对气候变化的响应。     

白洋淀湿地区土壤有机碳密度及储量的空间分布特征

湿地生态系统碳储量是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,提供重要的生态系统服务功能。白洋淀湿地是国家重要生态湿地和华北平原最大的淡水湿地,同时是雄安新区的核心水系,湿地区土壤碳储量的估算研究将为湿地生态系统服务评估和湿地生态恢复提供数据支撑。研究通过对白洋淀湿地7种不同地类的105个土壤剖面进行分层取样,揭示了其湿地土壤有机碳密度及储量的空间分布特征,结果表明:(1)白洋淀湿地区土壤有机碳含量整体偏低,在各层土壤中,淹水芦苇湿地的有机碳含量均显著高于其他植被类型,约为其他类型土壤碳含量的3倍左右。(2)在各植被类型中土壤有机碳含量均以表层(0—20 cm)最高,其分配比例均集中在30%左右,随着土壤剖面深度的增加,湿地土壤的有机碳含量逐渐减少。(3)不同植被类型土壤有机碳含量与土壤有机碳密度的差异显著,具体表现为:乔木园地<旱地<常绿针叶林<落叶阔叶林<水田<台田芦苇<淹水芦苇。(4)根据估算,白洋淀湿地区的土壤有机碳储量约为5816.77×10³Mg。随着雄安新区环境治理工作的推进,白洋淀湿地区生态系统固碳将呈现持续向好态势,结...     

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。     

土壤有机碳库的关键影响因素及其不确定性

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,比植被碳库或大气碳库的两倍还多。准确评估土壤有机碳库是预测全球变化与土壤有机碳之间反馈关系的关键。但目前对土壤有机碳库的估算还存在很大不确定性。该文综述了土壤有机碳库估算及其影响因素和土壤有机碳库估算不确定性的来源和常用的采样方法,以及计算土壤碳汇的最新研究进展。未来技术进步以及模型的不断完善可能会降低土壤有机碳库估算的不确定性,提高其估算的精度     

南亚热带六种典型人工林碳收支研究

集成生物圈模型(IBIS)有效整合了陆地生态系统的地表过程、植被冠层过程、植被物候和植被动态,被广泛应用于研究生态系统的碳平衡和碳收支情况。在采集研究区域气象数据、植被功能型和光合参数、叶面积指数、各植被类型枯落物月分解比例、土壤参数的基础上,运用IBIS 模型对广州市六种林分的总生产力(GPP)、净第一性生产力(NPP)、生态系统净生产力(NEE)进行了预测,结合每种林分碳储量、年固碳量的野外实测数据,对模型的运行结果进行了验证。结果表明,阔叶林的GPP 和NPP 均高于针叶林;从时间序列来看,NPP 和NEE 月变化数据呈双峰曲线,两个峰值分别出现在春季和秋季,而夏季较少,这可能与夏季的自养呼吸和异养呼吸高有关。该研究有助于理解位于南亚热带植被的碳动态规律。     

2005年中国科学院生命科学和医学学部新当选院士简介

方精云生态学家。北京大学教授。1959年出生于安徽怀宁。1982年毕业于安徽农学院林学系,1989年获日本大阪市立大学生物学博士学位。现任中国生态学会副理事长及国内外多个学术刊物的副主编或编委。建立了我国陆地植被和土壤碳储量的研究方法,系统研究了我国陆地生态系统的碳储量及其变化,较早地开展了碳循环主要过程的野外观测,构建了中国第一个国家尺度的陆地碳循环模式,为我国陆地碳循环的研究奠定了基础;系统研究了我国大尺度的植被动态及时空变化,揭示了我国植被生产力的变化趋势、空间分异及其对气候变化响应的规律;系统开展了我国植被分布与气候关系的定量研究,提出了基于植被气候关系的我国植被带划分的原则和依据,首次采用统一的调查方法,较系统地研究了我国山地植物多样性的分布规律。     

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。     

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段, 已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用, 长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测, 明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测, 在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征, 揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 并对通量研究发展前景进行了展望。     

Spatial patterns of China's carbon sinks estimated from the fusion of remote sensing and field-observed net primary productivity and heterotrophic respiration

Accurately assessing the carbon sink and spatial distribution pattern of China's terrestrial ecosystems is of great significance to the implementation of climate change and carbon neutrality strategy. However, the views of various studies are still very controversial due to the differences in carbon sink estimation methods and data sources. In this study, vegetation net primary productivity (NPP) and ecosystem heterotrophic respiration (Rh) estimation models were constructed based on machine learning methods by fusing multisource data, such as remote sensing and ground observation data. The magnitude and spatial pattern of carbon sink in China from 2000 to 2018 were then revealed, and the carbon sink capacity of various ecosystems was quantitatively assessed. The main conclusions include the following: (1) The use of scale-matched carbon input and output data can help reduce the system error in carbon sink estimation. (2) China's terrestrial ecosystem carbon sink since the twenty-first century is approximately 0.458 Pg C/yr, which is equivalent to 22.72% of China's anthropogenic carbon emissions. (3) Deciduous forest has a higher carbon sink capacity than evergreen forest, while coniferous forest has a more stable carbon sink capacity than broad-leaved forest. The magnitude and spatial distribution of carbon sink in China reported in this study provides a scientific reference for achieving carbon neutrality and sustainable development.     

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。     

基于文献计量的生态系统观测研究网络长期观测数据应用研究

基于CNKI数据库,采用文献计量和知识图谱的方法,通过对应用生态系统观测研究网络长期定位观测数据的文献进行分析,探讨长期观测数据的应用领域、具体用途、用户特点及不同生态站数据的应用状况与研究主题,以期为提高生态系统观测研究网络长期观测数据的共享服务能力、充分发挥长期观测数据的价值提供参考。分析结果表明:生态系统观测研究网络长期观测数据受到越来越多学者的关注,其应用学科领域以林业、农业基础科学为主,同时不断扩展到其他学科中,呈多元化态势;数据主要在生态系统服务研究、模型模拟、人工林研究、水污染研究、生物多样性研究、小麦玉米研究、土壤水分研究等方面发挥作用;数据的主要用户群体为高等院校和科研院所,不同机构应用长期观测数据开展的研究各有侧重;各生态站的长期观测数据能够为揭示其所代表生态区和生态系统类型的生态系统结构与功能、能量流动与养分循环的变化规律,分析主要生态环境问题的现状、动态变化及驱动机制等方面提供重要支撑。最后,对生态系统观测研究网络长期观测数据应用的相关方面提出几点建议:(1)健全数据引用机制,制定相应的科学数据引用和著录标准;(2)发挥生态网络长期观测数据优势,开展专题数据产品的生产,充分开发生态网络长期观测数据的潜在价值;(3)加大和稳定生态站的经费投入,提高生态站的观测能力和水平,同时还要完善、优化生态站布局。     

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。     

农田生态系统碳汇研究进展

农田生态系统碳汇包括农作物生物量碳汇和农田土壤碳汇两个方面,中国农田生态系统面积大,碳储量高,是全球生态系统碳循环的重要组成部分。厘清中国农作物生物量和土壤有机碳含量、变化率和影响因素对于解析全球碳循环和维系粮食安全具有重要意义。梳理农田生态系统碳汇相关概念的基础上,比较农田生态系统碳汇研究方法的适用性及存在问题,通过以往研究和SoilGrids250数据研究中国农田生态系统碳库时空分布,并分析农田生态系统碳汇的影响因素及固碳方法。结果表明,中国近30年来农作物生物量呈现增加趋势,农田土壤有机碳含量普遍较低且空间分布不均,0-5cm土壤有机碳含量平均值在16.7 g/kg到86.5 g/kg之间,增加农田土壤有机碳含量是未来中国农田生态系统碳汇的重要方向。肥料和有机残留管理、保护性耕作、种植模式、灌溉等管理措施是增加土壤有机碳汇的主要措施,但农田生态系统碳汇潜力估算仍存在不确定性。最后,从农田生态系统碳汇潜力估算、影响因素厘定和增汇技术研发3个方面提出未来研究方向。研究结果有助于推动农田生态系统碳汇科学研究和技术推广,为实现农田生态系统助力"碳中和"寻求重要路径。     

Ecosystem carbon storage does not vary with mean annual temperature in Hawaiian tropical montane wet forests

Theory and experiment agree that climate warming will increase carbon fluxes between terrestrial ecosystems and the atmosphere. The effect of this increased exchange on terrestrial carbon storage is less predictable, with important implications for potential feedbacks to the climate system. We quantified how increased mean annual temperature (MAT) affects ecosystem carbon storage in above‐ and belowground live biomass and detritus across a well‐constrained 5.2 °C MAT gradient in tropical montane wet forests on the Island of Hawaii. This gradient does not systematically vary in biotic or abiotic factors other than MAT (i.e. dominant vegetation, substrate type and age, soil water balance, and disturbance history), allowing us to isolate the impact of MAT on ecosystem carbon storage. Live biomass carbon did not vary predictably as a function of MAT, while detrital carbon declined by ~14 Mg of carbon ha^?1 for each 1 °C rise in temperature – a trend driven entirely by coarse woody debris and litter. The largest detrital pool, soil organic carbon, was the most stable with MAT and averaged 48% of total ecosystem carbon across the MAT gradient. Total ecosystem carbon did not vary significantly with MAT, and the distribution of ecosystem carbon between live biomass and detritus remained relatively constant across the MAT gradient at ~44% and ~56%, respectively. These findings suggest that in the absence of alterations to precipitation or disturbance regimes, the size and distribution of carbon pools in tropical montane wet forests will be less sensitive to rising MAT than predicted by ecosystem models. This article also provides needed detail on how individual carbon pools and ecosystem‐level carbon storage will respond to future warming.     

氮输入对东北土壤碳蓄积氮素利用效率的影响

由于人类活动影响,通过沉降和施肥方式进入生态系统的活性氮显著增加,其对土壤有机碳库产生重要影响。氮素利用效率(NUE)作为深入理解陆地生态系统碳氮耦合关系的重要参数,对NUE时空规律的研究不仅可以评估目前氮输入对陆地生态系统碳汇增加的贡献,同时也有助于预测未来氮输入情况下陆地生态系统的碳平衡。利用生态系统过程模型——CEVSA2模型的模拟结果,分析了东北地区氮输入情况下,土壤碳的氮素利用效率(SNUE)的时空变化规律及其影响因素,结果表明:(1)1961—2010年,氮输入的显著增加促进了土壤碳的蓄积,但SNUE显著下降;(2)森林的平均SNUE最高,农田最低;灌丛的下降速率最大,森林的SNUE变化趋势最不显著;(3)三江平原和长白山地区以及大小兴安岭的部分地区SNUE最大,其次是辽河平原、松嫩平原地区;内蒙古高原、呼伦贝尔高原地区以及大、小兴安岭的部分地区SNUE出现负值,说明在这些地区,外援氮输入抑制了土壤碳的蓄积;(4)氮输入的空间分异和不同生态系统响应氮输入的差异共同决定了SNUE及其变化的空间格局。该研究结果可为进一步分析不同区域氮促汇潜力和预测未来氮输入情景下的区域碳平衡提供参考。