基于个体的中国森林生态系统碳收支模型FORCCHN及模型验证

以植物生理学、森林生态学和土壤环境学的基本原理为基础,建立了基于个体的中国森林生态系统碳收支模型FORCCHN。模型通过两种步长运行:在步长为天时的基本过程包括林分(个体)的光合、呼吸、分配和凋落,以及凋落物和土壤有机物的呼吸和转移;在步长为年时的基本过程包括林分的同化物分配、树高和胸径增长、大凋落物生成。通过对模型样地水平上与全国总量上NPP、NEP的验证,说明该模型在考虑幼龄林基础上,能较好的模拟出中国森林生态系统的碳收支,因此可以用来模拟中国森林生态系统碳收支的过去动态和未来发展趋势。     

森林生态系统可溶性碳和颗粒碳通量

可溶性碳(Dissolved carbon,DC)和颗粒碳(particulate carbon,PC)通量作为森林生态系统碳收支的重要组分,在森林固碳功能的评价和模型预测中具有重要意义,但常因认识不足、测定困难等而在森林碳汇研究中被忽略。综述了森林生态系统DC和PC的组成、作用、相关生态过程及其影响因子,并展望了该领域应该优先考虑的研究问题。森林生态系统DC和PC主要包括可溶性有机碳、可溶性无机碳和颗粒有机碳,主要来源于生态系统的净初级生产量。DC和PC是森林土壤的活性碳库,主要以大气沉降、穿透雨和凋落物的形式输入森林土壤系统,并通过土壤呼吸、侧向运输及渗透流失的方式输出生态系统。从局域尺度看,DC和PC通量受根系分泌、细根分解、微生物周转等生物过程的影响较大;从区域尺度看,它们受土壤和植被特性、生态过程耦联关系、气候因子以及全球变化的综合影响。该领域应该优先考虑:(1)探索不同时空尺度下森林生态系统DC和PC通量的控制因子及其耦联关系,揭示其中的驱动机理;(2)探索DC和PC与其它森林生态系统碳组分的相互关系及转化,阐明DC和PC通量与其它养分之间潜在的生态化学计量关系;(3)探索全球变化,特别是人类活动(如森林经营)和极端干扰事件(如林火、旱涝、冰冻、冻融交替等)对森林生态系统DC和PC通量的影响。     

森林生态系统碳循环的基本概念和野外测定方法评述

全球气候变化与森林生态系统碳循环息息相关,定量评估森林碳收支是生态系统与全球变化研究的重要任务。30年来森林生态系统碳循环研究已经取得了长足的进展,但全球和区域森林碳收支仍然存在很大的不确定性。这一方面与森林生态系统本身的复杂性有关,另一方面也与具体研究方法有关。评述了森林生态系统碳循环的基本概念和主要野外测定方法,为我国森林生态系统碳循环研究提供可参考的方法论。从生态系统碳浓度、密度、通量、分配和周转5个方面回顾了碳循环相关概念,指出碳浓度和碳储量是对碳库的静态描述,而碳通量和碳周转是对碳库的动态描述。净初级生产力是测量最普遍的碳通量组分,但大多数情况下因忽略了一些细节而被系统低估。普遍使用的净生态系统生产力,由于没有包含非CO2形式的水文、气象和干扰过程产生的碳通量,通常情况下高于生态系统净碳累积速率。在详细介绍碳通量组分的基础上,改进了森林生态系统碳循环的概念模型。重点讨论了碳通量的3种地面实测方法:测树学方法、箱法和涡度协方差法,并指出了其注意事项和不确定性来源。针对当前碳循环研究的突出问题,建议从4个方面减小碳循环测定的不确定性:(1)恰当运用生物量方程估算乔木生物量;(2)尽可能全面测定生态系统碳组分;(3)给出碳通量估算值的不确定性;(4)多种途径交互验证。     

基于模型数据融合的中国温带和亚热带典型森林生态系统碳通量模拟

生态系统碳循环过程对水分响应的研究已成为全球变化关注的焦点问题之一。基于长白山温带针阔混交林与千烟洲亚热带人工针叶林观测站2003—2009年生长季的碳通量(NEE)和气象观测数据,综合考虑水分对光合、呼吸作用的影响,构建不同的NEE模型,并应用模型数据融合方法优化模型参数、遴选最适模型,系统分析了水分因子对不同森林生态系统碳循环的影响。结果表明:(1)优化后的模型参数均能被NEE实测数据较好约束。长白山生长季的光合、呼吸参数值均高于千烟洲,未考虑空气饱和水汽压差(VPD)的模型高估了千烟洲温度敏感性参数(Q10)值、低估了千烟洲基础呼吸速率参数(BR)值;(2)仅考虑VPD对光合作用影响的模型是长白山生长季碳通量模拟的最优模型,但模拟精度提高不显著。不同模型间碳通量组分模拟结果差异较小;(3)考虑VPD和土壤含水量对光合、呼吸作用共同影响的模型是千烟洲生长季碳通量模拟的最优模型,并且显著提高了模拟精度。未考虑水分的模型在生长季高估了总生态系统生产力(GEP)总量2.0%(21.85 g C/m~2),同时更大幅度地高估了生态系统呼吸(RE)总量4.4%(38.02 g C/m~2),从而导致NEE总量低估于实测值7.8%(18.55 g C/m~2)。     

我国主要森林生态系统炭贮量和碳平衡

在广泛收集资料的基础上,估算了我国主要森林生态系统的碳贮量和碳平衡通量,分析了它们的区域特征。主要结果如下：１）我国森林生态系统的平均碳密度是２５８．８３ｔ．ｈｍ＾－２,基本趋势是随纬度的增加而增加;其中植被的平均碳密度是５７．０７ｔ．ｈｍ＾－２,随纬度的增加而减少;土壤碳密度约是植被碳密度的３．４倍,其区域特点与植被碳密度呈相反趋势,随纬度升高而增加;凋落物层平均碳密度是８．２１ｔ．ｈｍ＾－２,     

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。     

氮添加对内蒙古温带典型草原生态系统碳交换的影响

生态系统碳交换(NEE)是评估碳循环及平衡的重要指标,由生态系统总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(ER)共同决定。以往研究表明,N添加能显著促进草地生态系统植物的生长进而提高生态系统的生产力,但N添加如何影响生态系统碳交换的结论仍不明确。同时,对于不同剂量的N添加对生态系统碳交换影响有何差异也不清楚。于2012和2013年在内蒙古草原开展N添加控制实验,设置中等剂量(10 g N m~(-2)a~(-1),N10)和高等剂量(40 g N m~(-2)a~(-1),N40)两个N添加处理,并采用生态系统原位观测箱系统监测不同N处理条件下的NEE动态。结果表明:2年中等剂量N添加处理(N10)下GPP较对照分别增加了15.6%和20%,而ER的变化不显著,该处理下NEE较对照显著降低了230%和337%(即固碳能力增强)。与中等剂量N添加处理结果不同,高等剂量N添加处理下GPP和ER均有不显著的降低趋势,同时,尽管该处理下NEE有升高的趋势(即固碳能力降低),但并不显著。土壤水分改善、土壤温度下降以及叶片N浓度增加可能是中等剂量氮添加促进该生态系统固碳能力的重要机制,而土壤酸化和物种组成改变可能是导致高等剂量N添加下生态系统固碳能力低于中等剂量的重要原因。研究结果表明,不同剂量N添加对生态系统生产力与呼吸的作用机制存在差异,导致生态系统固碳能力有着明显区别。     

基于植被羰基硫通量估算陆地生态系统总初级生产力研究进展

羰基硫(COS)是大气中的长周期痕量气体,其分子结构、对流层大气混合比的昼夜和季节动态类似于二氧化碳(CO₂)。植物光合作用及其水解过程中,受扩散通路导度和酶活性影响,气孔的COS与CO₂吸收紧密相关,同时,植物自养呼吸并不释放COS。最新研究中,采用植被COS通量直接指示生态系统总初级生产力(GPP)。综述了植被COS通量与光合作用中碳固定过程的关联机制,以及采用涡度相关观测、整合大气COS监测和生态系统过程模型等方法开展植被COS通量与GPP研究的最新进展,探讨了关键生态过程和参数,发现方法存在以下瓶颈：(1)生理过程、尺度效应和解析效应影响了COS与CO₂的叶片相对吸收率,(2)观测与模拟手段有待进一步耦合,(3)全球COS观测密度限制了方法验证,(4)硫循环过程影响了多区域模拟精度。方法发展的前沿领域包括：(1)开展重点地区植被COS通量观测,(2)提高COS卫星柱浓度的覆盖范围,(3)完善生态系统过程模型的COS吸收机理。展望未来研究关注的科学问题是：对于亚热带等尚待开展COS连续观测的区域,采用植被COS通量...     

凋落物去除和添加处理对典型草原生态系统碳通量的影响

为揭示凋落物去除和添加处理对草原生态系统碳通量的影响, 2013和2014年连续两年在成熟群落围封样地进行凋落物去除实验、在退化群落放牧样地进行凋落物添加实验, 并运用静态箱法探讨碳通量变化规律并分析其主要影响因子。结果表明: 两种群落的净生态系统CO₂交换(NEE)有明显的季节性变化。对成熟群落而言, 去除50%凋落物显著增加了NEE, 去除100%凋落物显著降低了NEE, 而对生态系统总初级生产力(GEP)和生态系统呼吸(ER)均无显著影响; 对退化群落而言, 凋落物添加显著增加了GEP和NEE, 而对ER无显著影响。两种群落的GEP与10 cm土壤温度显著正相关, 但NEE和GEP的变化规律与土壤温度相反, 与10 cm土壤湿度相同。由此可见, 凋落物去除和添加处理对生态系统碳通量的影响主要是改变土壤湿度和地上生物量,而不是改变土壤温度。该研究为合理利用凋落物改善草地生态系统管理和促进草地恢复提供了理论依据。     

辽东山区典型森林生态系统碳密度

以辽东山区典型森林生态系统为研究对象,通过系统的样地调查并结合辽宁省2009年森林资源二类调查资料,利用异速生长方程和植被类型法对典型森林生态系统不同组分碳密度及碳储量进行估算.结果显示,辽东山区森林生态系统碳密度为300.050Mg· hm-2,各层碳密度的大小顺序为:土壤层(232.452 Mg·hm-2)＞乔木层( 63.237Mg · hm-2)＞凋落物层(3.529 Mg·hm-2)＞灌木层(0.558 Mg · hm-2)＞草本层(0.274Mg·hm-2).乔木层碳密度随着林龄的增加而增大,灌木层碳密度随着林龄的增加而减小,土壤、草本和凋落物层碳密度在不同龄组间的变化没有明显的规律性.辽东山区305.852×104 hm2的生态系统碳储量为917.709 Tg C,其中生物量碳储量为206.751Tg C,土壤碳储量为710.959 Tg C,土壤碳储量是生物量碳储量的3.44倍.通过比较本次调查结果与以往研究结果发现,利用森林清查资料,由于低估了幼龄林的乔木碳密度,导致辽东山区的乔木碳储量低估,且以往研究中用简单的换算系数高估了林下植被碳密度,但远低估了土壤碳密度.     

基于遥感和过程模型的亚洲东部陆地生态系统初级生产力分布特征

利用美国环境预测中心的再分析气象资料和由GIMMS NDVI 资料生成的叶面积指数对BEPS生态模型进行驱动,模拟分析了2000-2005年亚洲东部地区总初级生产力（GPP）和总净初级生产力（NPP）的时空变化特征.在进行区域模拟计算前,使用15个站点不同生态系统的GPP观测数据及1300个样点的NPP观测数据对模型进行验证.结果表明： BEPS模型能较好地模拟不同生态系统的GPP和NPP变化,模拟的GPP与观测数据之间的R2为0.86～0.99,均方根误差（RMSE）为0.2～1.2 g C·m-2·d-1;BEPS模拟值能够解释78%的年NPP变化,其RMSE为118 g C·m-2·a-1.2000-2005年,亚洲东部地区GPP和NPP总量平均值分别为21.7和10.5 Pg C·a-1.NPP和GPP具有相似的时空变化特征.研究期间,NPP总量的变化范围为10.2～10.7 Pg C·a-1, 变异系数为2.2%.NPP由东南向西北显著减少,高值区〖JP2〗（>1000 g C·m-2·a-1）出现在东南亚海岛国家,我国的西北干旱沙漠地区为低值区（<30 g C·m-2·a-1）,〖JP〗其空间格局主要由气候因子决定.不同国家的人均NPP差异很大,其中,蒙古最高,达70217 kg C·a-1,远高于中国的人均NPP（1921 kg C·a-1）,印度的人均NPP最小,为757 kg C·a-1.     

Carbon sequestration and ecosystem respiration for 4 years in a Scots pine forest

The net exchange of CO₂ (NEE) between a Scots pine (Pinus sylvestris L.) forest ecosystem in eastern Finland and the atmosphere was measured continuously by the eddy covariance (EC) technique over 4 years (1999–2002). The annual temperature coefficient (Q₁₀) of ecosystem respiration (R) for these years, respectively, was 2.32, 2.66, 2.73 and 2.69. The light‐saturated rate of photosynthesis (A_max) was highest in July or August, with an annual average A_max of 10.9, 14.6, 15.3 and 17.1 μmol m^?2 s^?1 in the 4 years, respectively. There was obvious seasonality in NEE, R and gross primary production (GPP), exhibiting a similar pattern to photosynthetically active radiation (PAR) and air temperature. The integrated daily NEE ranged from 2.59 to ?4.97 g C m^?2 day^?1 in 1999, from 2.70 to ?4.72 in 2000, from 2.61 to ?4.71 in 2001 and from 5.27 to ?4.88 in 2002. The maximum net C uptake occurred in July, with the exception of 2000, when it was in June. The interannual variation in ecosystem C flux was pronounced. The length of the growing season, based on net C uptake, was 179, 170, 175 and 176 days in 1999–2002, respectively, and annual net C sequestration was 152, 101, 172 and 205 g C m^?2 yr^?1. It is estimated that ecosystem respiration contributed 615, 591, 752 and 879 g C m^?2 yr^?1 to the NEE in these years, leading to an annual GPP of ?768, ?692, ?924 and ?1084 g C m^?2 yr^?1. It is concluded that temperature and PAR were the main determinants of the ecosystem CO₂ flux. Interannual variations in net C sequestration are predominantly controlled by average air temperature and integrated radiation in spring and summer. Four years of EC data indicate that boreal Scots pine forest ecosystem in eastern Finland acts as a relatively powerful carbon sink. Carbon sequestration may benefit from warmer climatic conditions.     

Effects of litter removal and addition on ecosystem carbon fluxes in a typical steppe

为揭示凋落物去除和添加处理对草原生态系统碳通量的影响, 2013和2014年连续两年在成熟群落围封样地进行凋落物去除实验、在退化群落放牧样地进行凋落物添加实验, 并运用静态箱法探讨碳通量变化规律并分析其主要影响因子。结果表明: 两种群落的净生态系统CO₂交换(NEE)有明显的季节性变化。对成熟群落而言, 去除50%凋落物显著增加了NEE, 去除100%凋落物显著降低了NEE, 而对生态系统总初级生产力(GEP)和生态系统呼吸(ER)均无显著影响; 对退化群落而言, 凋落物添加显著增加了GEP和NEE, 而对ER无显著影响。两种群落的GEP与10 cm土壤温度显著正相关, 但NEE和GEP的变化规律与土壤温度相反, 与10 cm土壤湿度相同。由此可见, 凋落物去除和添加处理对生态系统碳通量的影响主要是改变土壤湿度和地上生物量,而不是改变土壤温度。该研究为合理利用凋落物改善草地生态系统管理和促进草地恢复提供了理论依据。     

广州市十种森林生态系统的碳循环

为了探讨南亚热带森林生态系统碳循环的规律,在广泛收集资料和试验数据的基础上,对广州10种森林生态系统的碳循环进行研究.结果表明：10种森林生态系统的碳密度在108.35～151.85 t C·hm^-2,其中乔木层碳密度在10.85～48.86 t C·hm^-2,0～60 cm土壤层在87.74～99.01 t C·hm^-2,均低于全国平均水平;从大气流向植被层的碳流量为4.41～9.15 t C·hm^-2·a^-1,植被层流向土壤层的碳流量为0.74～2.06 t C·hm^-2·a^-1,土壤层流向大气层的碳流量为3.94～5.42 t C·hm^-2·a^-1,即系统从大气净吸收碳在0.47～4.97 t C·hm^-2·a^-1之间.各种林分的净系统生产力不同,阔叶林大于针叶林,混交林大于纯林,天然次生林大于人工林.     

森林生态系统碳循环动态仿真系统的设计

模型方法是森林碳循环研究的有力工具.在Simulink环境下设计开发了通用的森林生态系统碳循环动态仿真系统FORCASS,从仿真系统的模式框架、设计方案和开发过程方面进行综合分析表明,FORCASS具有可行性.该仿真系统具有如下特点：1）将森林生态系统划分为植被碳库、枯落物碳库、土壤碳库和动物碳库4个分室,考虑了众多碳流转移项,具有较高的机理性和解释性;2）仿真系统基于过程,以植被器官生物量碳储量Richards生长方程为驱动项,带入差分方程组进行计算,可操作性高,能够实现林龄变化下的植被净第一性生产力（NPP）、净生态系统生产力（NEP）等多种输出;3）仿真系统基于通用的碳循环模式框架建立,可扩展性能良好.     

Contrasting ecosystem CO2 fluxes of inland and coastal wetlands: a meta‐analysis of eddy covariance data

Wetlands play an important role in regulating the atmospheric carbon dioxide (CO₂) concentrations and thus affecting the climate. However, there is still lack of quantitative evaluation of such a role across different wetland types, especially at the global scale. Here, we conducted a meta‐analysis to compare ecosystem CO₂ fluxes among various types of wetlands using a global database compiled from the literature. This database consists of 143 site‐years of eddy covariance data from 22 inland wetland and 21 coastal wetland sites across the globe. Coastal wetlands had higher annual gross primary productivity (GPP), ecosystem respiration (R_e), and net ecosystem productivity (NEP) than inland wetlands. On a per unit area basis, coastal wetlands provided large CO₂ sinks, while inland wetlands provided small CO₂ sinks or were nearly CO₂ neutral. The annual CO₂ sink strength was 93.15 and 208.37 g C m^?2 for inland and coastal wetlands, respectively. Annual CO₂ fluxes were mainly regulated by mean annual temperature (MAT) and mean annual precipitation (MAP). For coastal and inland wetlands combined, MAT and MAP explained 71%, 54%, and 57% of the variations in GPP, R_e, and NEP, respectively. The CO₂ fluxes of wetlands were also related to leaf area index (LAI). The CO₂ fluxes also varied with water table depth (WTD), although the effects of WTD were not statistically significant. NEP was jointly determined by GPP and R_e for both inland and coastal wetlands. However, the NEP/R_e and NEP/GPP ratios exhibited little variability for inland wetlands and decreased for coastal wetlands with increasing latitude. The contrasting of CO₂ fluxes between inland and coastal wetlands globally can improve our understanding of the roles of wetlands in the global C cycle. Our results also have implications for informing wetland management and climate change policymaking, for example, the efforts being made by international organizations and enterprises to restore coastal wetlands for enhancing blue carbon sinks.     

中国北方针叶林生长季碳交换及其调控机制

采用开路式涡动相关法对北方针叶林连续2个生长季节(2007和2008年)的碳交换及其影响因素进行分析.结果表明：北方针叶林生态系统总生产力(GEP)、生态系统呼吸(R_e)和净生态系统碳交换(NEE)在6月下旬到8月中旬的生长旺盛期达到最大值,但各峰值出现的日期并不一致.2007和2008年北方针叶林生长季的日均GEP、日均R_e、日均NEE分别为19.45、15.15、-1.45 g CO₂·m^-2·d^-1和17.67、14.11、-1.37 g CO₂·m^-2·d^-1,2007年碳交换明显大于2008年,这可能是生长季较高的平均温度及光合有效辐射引起(2007年为12.46 ℃和697 μmol·m^-2·s^-1,2008年为11,04 ℃和639 μmol·m^-2·s^-1).北方针叶林的GEP与温度和光合有效辐射具有很好的相关性,其中与气温的相关系数接近0.55(P<0.01);R_e主要受温度调控,相关系数为0.66～0.72(P<0,01);NEE与光合有效辐射相关性最大,相关系数为0.59～0.63 (P<0.01).     

The role of shrub (Potentilla fruticosa) on ecosystem CO2 fluxes in an alpine shrub meadow

Aims Recent studies have shown that alpine meadows on the Qinghai-Tibetan plateau act as significant CO₂ sinks. On the plateau, alpine shrub meadow is one of typical grassland ecosystems. The major alpine shrub on the plateau is Potentilla fruticosa L. (Rosaceae), which is distributed widely from 3 200 to 4 000 m. Shrub species play an important role on carbon sequestration in grassland ecosystems. In addition, alpine shrubs are sensitive to climate change such as global warming. Considering global warming, the biomass and productivity of P. fruticosa will increase on Qinghai-Tibetan Plateau. Thus, understanding the carbon dynamics in alpine shrub meadow and the role of shrubs around the upper distribution limit at present is essential to predict the change in carbon sequestration on the plateau. However, the role of shrubs on the carbon dynamics in alpine shrub meadow remains unclear. The objectives of the present study were to evaluate the magnitude of CO₂ exchange of P. fruticosa shrub patches around the upper distribution limit and to elucidate the role of P. fruticosa on ecosystem CO₂ fluxes in an alpine meadow.Methods We used the static acrylic chamber technique to measure and estimate the net ecosystem productivity (NEP), ecosystem respiration (R e), and gross primary productivity (GPP) of P. fruticosa shrub patches at three elevations around the species' upper distribution limit. Ecosystem CO₂ fluxes and environmental factors were measured from 17 to 20 July 2008 at 3 400, 3 600, and 3 800 m a.s.l. We examined the maximum GPP at infinite light (GPP max) and maximum R e (R emax) during the experimental time at each elevation in relation to aboveground biomass and environmental factors, including air and soil temperature, and soil water content.Important findings Patches of P. fruticosa around the species' upper distribution limit absorbed CO₂, at least during the daytime. Maximum NEP at infinite light (NEP max) and GPP max of shrub patches in the alpine meadow varied among the three elevations, with the highest values at 3 400 m and the lowest at 3 800 m. GPP max was positively correlated with the green biomass of P. fruticosa more strongly than with total green biomass, suggesting that P. fruticosa is the major contributor to CO₂ uptake in the alpine shrub meadow. Air temperature influenced the potential GPP at the shrub-patch scale. R emax was correlated with aboveground biomass and R emax normalized by aboveground biomass was influenced by soil water content. Potentilla fruticosa height (biomass) and frequency increased clearly as elevation decreased, which promotes the large-scale spatial variation of carbon uptake and the strength of the carbon sink at lower elevations.