陆地生态系统固碳速率立体监测方法:进展与挑战

全球CO₂浓度增加造成的全球变暖已成为人类亟需解决的问题,陆地生态系统在过去几十年一直扮演着重要的碳汇角色,吸收了30％左右的人类活动排放CO₂。本文调研分析了陆地生态系统固碳速率空间估算方法,包括样地调查、通量监测、模型模拟、遥感估算等,梳理了各种估算方法的研究现状与进展。样地调查、通量观测等方法可以提供点尺度的固碳速率直接测量信息,但存在观测样本有限、空间代表性不足等问题。模型模拟方法可以从机理的角度描述陆地碳、水、能量循环,模拟预测陆地生态系统固碳速率的状态和变化。然而,在模型建立过程中,抽象和简化会引入结构与假设的不确定性,以及模型驱动数据引入的不确定性等问题是碳循环模型模拟方法面临的重大挑战。卫星遥感具有全球覆盖、分辨率精细、时间序列观测等优点,结合机器学习方法,为地球大数据驱动的全球碳源汇估算提供了新的研究范式。但是,当前各种固碳速率的监测方法还没有满足高度时空异质性的陆地生态系统固碳量监测需求,未来需要整合地面观测、模型模拟和卫星遥感等多种技术手段,提供区域和全球尺度的陆地生态系统碳汇精确估算方法体系和科学数据产品。     

1981—2019年全球陆地生态系统碳通量变化特征及其驱动因子

陆地生态系统碳汇显著降低大气CO₂浓度上升和全球变暖的速率,受人类活动和气候变化的影响,陆地生态系统碳通量具有强烈的时空变化,其估算结果仍存在较大的不确定性,不同因子的贡献尚不清晰。为此,利用遥感驱动的陆地生态系统过程模型BEPS模拟分析了1981—2019年全球陆地生态系统碳通量的时空变化特征,评价了大气CO₂浓度、叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）、氮沉降、气候变化对全球陆地生态系统碳收支变化的贡献。1981—2019年全球陆地生态系统总初级生产力（Gross Primary Productivity,GPP）、净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）和净生态系统生产力（Net Ecosystem Productivity,NEP）的平均值分别为115.3、51.3和2.7 Pg·a^-1（以碳质量计,下同）,上升速率分别为0.47、0.21和0.06 Pg·a^-1。全球大部分区域GPP和NPP显著增加,NEP显著上升（p<0.05）的区域明显少于GPP和NPP。1981—2019年,全球NEP累积为105.2 Pg,森林、稀树草原及灌木、农田和草地的贡献分别为76.4、15.8、9.4和3.6 Pg。CO₂浓度、LAI、氮沉降和气候变化各自对NEP的累积贡献分别为58.4、20.6、0.7和-43.6 Pg,全部4个因子变化对NEP的累积贡献为39.8 Pg,其中CO₂浓度上升是近40 a全球陆地生态系统NEP上升的主要贡献因子,其次为LAI。     

基于多源融合数据评估2014—2018年中国地表大气臭氧污染变化及其健康影响

基于中国环境空气质量监测站观测数据、区域空气质量模式（CMAQ）模拟数据和卫星反演数据,利用数据融合方法获得了2014、2018年地表大气O₃质量浓度水平变化及其空间分布,通过空气污染控制健康效益评估工具（BenMAP-CE）评估了2014、2018年中国O₃导致的过早死亡人数。结果表明：2018年中国O₃日8 h最大（O₃-MDA8）质量浓度年均值为98.0 μg/m³,较2014年的87.9 μg/m³增长了11.5%,其中安徽省、山西省和山东省的O₃-MDA8质量浓度增加最为明显;2014和2018年O₃相关过早死亡人数分别为17.4万和26.7万,过早死亡人数增长率约为57%;中国9个区域中的中部区域O₃质量浓度和O₃相关过早死亡人数较其他几个区域增长最多,并且人口密度为1 000人/km²左右的区域过早死亡人数增加最多;河南省、河北省和四川省的O₃相关过早死亡增加人数比其他省份多;近年来中国地表大气O₃的健康危害的增加程度远大于O₃质量浓度的增加程度,应尽快加强对O₃污染的控制。     

新冠肺炎疫情期间遵义市大气污染物的变化

为研究云贵高原城市遵义新冠期间大气污染物变化特征,利用2015—2020年遵义市空气质量监测数据、地面气象观测资料,分析新冠肺炎疫情防控期间遵义市主要大气污染物和气象要素的变化情况,研究空气质量对污染物减排和气象要素变化的响应。结果表明：疫情防控导致遵义市PM_2.5、PM₁₀和NO₂质量浓度明显下降,但O₃质量浓度小幅增加;PM_2.5和NO₂对人为减排的响应更敏感;防控期内遵义市气象条件比较有利于污染物的清除,防控减排措施导致PM_2.5质量浓度下降25.34%。在疫情防控的背景下,O₃浓度较2015—2019年明显偏高,PM_2.5显著下降,这与疫情防控期间人员车辆外出明显减少有关,导致夜间滴定消耗O₃的气体减少。减排措施对防控期间颗粒物污染浓度有明显的削弱作用。     

三亚地区冬春季大气污染特征观测研究

为了研究海南省三亚地区冬春季大气污染状况,于2011年12月—2013年4月的冬春季节在三亚鹿回头村(监测点位于三亚市郊,三面临海,周围没有工业污染源)开展了大气主要污染物(NO_x、O₃、PM_2.5)的连续监测,利用观测数据对三亚地区冬春季大气污染变化特征进行分析.结果表明:三亚地区大气污染物浓度均低于国家一级标准的浓度值,NO、NO₂、NO_x、O₃、PM_2.5质量浓度的日平均值(平均值±标准差)分别为(2.1±2.2)、(5.2±3.4)、(7.3±3.8)、(59.8±28.4)和(17.5±14.3)μg·m^-3.在污染物的日变化方面,NO_x、PM_2.5呈现典型的双峰型,其峰值分别出现在08:00和17:00,峰谷在13:00;O₃的日变化为单峰型,峰值出现在13:00.通过后向轨迹分析发现,三亚地区大气污染物受局地源排放和外源输送的共同影响,来自陆地的气流易造成污染物的积累,而来自海上的气流则有利于污染物的清除.     

北京秋季一次典型大气污染过程多站点分析

多站点多种大气污染物的同步在线观测对深入剖析大气污染的成因和演变机制有重要意义。以龙潭湖、北京325 m塔、双清路和阳坊4监测站点实时NO_x、SO₂、O₃、PM2.5和PM10浓度观测数据为基础,介绍了北京地区2010年10月3～11日发生的一次典型污染过程。不同污染物在污染过程中变化特征不一致,表现为NO_x、SO₂、O₃浓度有明显日变化,而PM浓度升高后一直维持在高值,日变化幅度很小。通过分析不同站点、相同污染物之间的相关性和变异系数发现,4站点间一次污染物NO和SO₂空间浓度差别大,变异系数分别为77%和70%,相关系数低于0.44;而二次污染物NO₂、PM2.5、O₃空间浓度差别较小,变异系数分别为34%、36%和29%,相关系数均超过0.54。结合中尺度气象模式研究发现,该污染过程中,850 hPa高空持续的西南暖平流造成华北地区显著平流逆温,与近地层辐射逆温共同作用,使北京地区混合层高度维持在1200 m以下。低混合层高度和低风速限制了大气垂直和水平扩散,造成北京地区近地层污染物累积,形成重度污染。     

成熟森林生态系统土壤有机碳积累:实现碳中和目标的一条重要途径

为了应对全球气候变化带来的挑战,2020年9月中国提出努力争取在2060年前实现碳中和。对此,生态系统固碳被寄予厚望;然而,生态学理论认为,成熟生态系统的碳输入输出趋于平衡,没有碳的净积累,也就没有碳汇功能,而未成熟的生态系统虽有碳的净积累并具有碳汇功能,但自然界任何未成熟生态系统从它建立的时候开始都在不断地向成熟生态系统演替,即任一生态系统演替的最终结果必然是碳输入输出达到平衡状态。由于森林生态系统碳库是陆地生态系统中最大的碳库,所以人们对其在碳中和上的贡献充满期待。本文以森林生态系统为例,分别考虑森林生态系统碳库的生物量碳库和土壤有机碳库,并基于全球最新研究成果,论证了森林生态系统土壤碳库积累过程具有长久的固碳功能,且不违背成熟生态系统碳输入输出趋于平衡的生态学理论,它能为实现碳中和目标做出贡献。     

中国区域大气本底站近地面臭氧来源贡献及区域代表性

回顾了关于长距离输送对中国区域本底大气臭氧的影响,以及中国区域大气本底站臭氧变化及其区域代表性两方面的研究进展。来自不同污染源区O₃的长距离输送对中国区域O₃影响的研究结果分歧较大,贡献最显著的源区和受体地区也存在争议;同时,鲜有研究考虑到平流层对对流层的O₃贡献,而这部分贡献在前体物排放很少的本底地区非常重要。中国区域各大气本底观测站分别与其周围一定范围内的区域具有相同的对流层O₃柱浓度最大值月份分布,而对与人体健康密切相关的近地面O₃区域特征的分析尚未深入开展;鉴于研究方法的局限性,也尚未深入揭示形成O₃变化区域特征的复杂成因。基于现有研究进展和不足之处,如何利用全球大气化学-环流模式的示踪模拟结果,定量评估来自全球不同地区的O₃对中国本底大气O₃的影响,并进一步评估中国区域6个大气本底站近地面O₃季节变化的区域代表性,是亟待解决的科学问题。     

典型温带针阔叶混交林碳收支对温度的响应特征

森林生态系统是一个庞大的碳储备系统,在当前气候变暖条件下,温度变化会对森林生态系统的碳收支过程产生重要影响。该文选择长白山温带针阔混交林森林生态系统（CBS）作为研究对象,利用多年通量及小气候观测资料分析该生态系统碳收支过程对温度的响应特征,结果显示该温带森林碳交换的季节变化特征十分明显。生态系统总初级生产力GPP、生态系统呼吸R_e和净生态系统碳交换NEE在2003—2008年的月平均变化显示,碳收支3个组分最大值均出现在夏季,GPP最大值出现在7月,R_e最大值主要出现在8月,NEE负方向的最大值主要出现在6月或7月,表现为碳吸收。在日尺度和月尺度对温度的响应上,GPP和R_e都是随温度（气温和5 cm土壤温度）呈显著的指数升高形式。在日尺度上和月尺度上, NEE对气温的响应皆是分段线性形式,先是随气温的上升而正向增大,表现为碳排放;当超过临界温度,随气温的继续上升而负值增大,表现为碳吸收。根据温度、GPP、R_e以及NEE的季节的变化,每年达到最大的GPP、R_e以及NEE的最适温度均不同,这表明了在气温变化的背景下,生态系统的最适温度也在随之改变,也表明了不考虑其它因素的影响,在气候变暖的背景下,长白山针阔混交林森林生态系统的GPP、R_e随气温的升高增大,而NEE随气温的升高而减小。     

2016年冬季南京地区大气污染特征的观测分析

基于2016年11月24日—12月23日南京市草场门站、鼓楼站和仙林站的强化试验观测资料,分析了城市和郊区主要大气污染物的时空变化特征及其与气象要素的相互关系。研究发现：观测期间南京PM_2.5、PM₁₀、NO₂、O₃、CO、SO₂月均质量浓度分别为52.84~84.34 μg·m^-3、88.36~120.34 μg·m^-3、49.98~51.66 μg·m^-3、24.85~50.57 μg·m^-3、0.99~1.2 mg·m^-3和22.1~26.48 μg·m^-3;近地面,城市大气污染物质量浓度高于郊区,其中城市O₃比郊区高61.0%;在城市地区,除NO₂和CO外,鼓楼站大气污染物质量浓度高于草场门站,其中鼓楼站PM_2.5比草场门站高42.7%;PM_2.5小时质量浓度最大为210.93 μg·m^-3,重污染过程出现时风速较低、温度较高,郊区PM₁₀、PM_2.5、NO₂质量浓度呈现高值时的最频风向为南风,O₃和SO₂质量浓度呈现高值时的最频风向分别为西风和西南风,所以郊区大气污染受城市输送影响。利用HYSPLIT模式研究发现12月4—8日和16—20日的污染气团分别来自西部和北方地区,聚类分析发现12月影响南京市的污染气团45%来自西部地区且移动速度较快,55%来自北方地区且移动速度较慢。由此可见,南京市冬季出现的大气污染,其形成不仅与本地排放和局地气象条件有关,而且西部和北方地区的远距离输送也会造成影响。     

陆表自然和人文要素相互作用——“全球变化及应对”重点专项研究进展

在国家重点研发计划支持下,项目提出了陆表不均一性检测和订正的新方法,解决了渐变型不均一性检测和订正的难题,构建了中国地表太阳辐射、气温、地温、风速和降水等参数均一化站点和格点数据集,修订了关于中国地表风速变化趋势、增温格局及其形成机制的结论。融合多源数据,构建并验证了千米级、流域级或县域级的电厂、人口、生物质能、取水量、氮排放、二氧化碳排放等影响自然系统的关键人文要素历史和未来预估数据集。构建了未来关键人文要素情景,研制了碳中和目标下甲烷和氧化亚氮排放情景和用于驱动全球模式的未来情景,预估了中国碳中和战略的实施对全球变暖的减缓作用,发现中国碳中和对远期和中期全球变暖的减缓作用显著。给出了中国各省份水体氮排放安全阈值及超越时间,阐明了中国粮食产量与氮施肥的关系,提出了在保障粮食安全的前提下减少水体氮排放的有效途径,指出重构城乡养分循环体系是同时保障粮食安全和恢复水质的必要途径。发现全球饱和水汽压差的年际变化与大气二氧化碳浓度上升速率的年际变化显著相关,阐明了饱和水汽压差变化在调控生态系统生产力中的重要角色以及多因素耦合作用在生态系统生产力变化中的复杂影响。建议更全面细致地评估中国各种碳中...     

Modelling Regional Climate Change Effects On Potential Natural Ecosystems in Sweden

This study aims to demonstrate the potential of a process-based regional ecosystem model, LPJ-GUESS, driven by climate scenarios generated by a regional climate model system (RCM) to generate predictions useful for assessing effects of climatic and CO₂ change on the key ecosystem services of carbon uptake and storage. Scenarios compatible with the A2 and B2 greenhouse gas emission scenarios of the Special Report on Emission Scenarios (SRES) and with boundary conditions from two general circulation models (GCMs) – HadAM3H and ECHAM4/OPYC3 – were used in simulations to explore changes in tree species distributions, vegetation structure, productivity and ecosystem carbon stocks for the late 21st Century, thus accommodating a proportion of the GCM-based and emissions-based uncertainty in future climate development. The simulations represented in this study were of the potential natural vegetation ignoring direct anthropogenic effects. Results suggest that shifts in climatic zones may lead to changes in species distribution and community composition among seven major tree species of natural Swedish forests. All four climate scenarios were associated with an extension of the boreal forest treeline with respect to altitude and latitude. In the boreal and boreo-nemoral zones, the dominance of Norway spruce and to a lesser extent Scots pine was reduced in favour of deciduous broadleaved tree species. The model also predicted substantial increases in vegetation net primary productivity (NPP), especially in central Sweden. Expansion of forest cover and increased local biomass enhanced the net carbon sink over central and northern Sweden, despite increased carbon release through decomposition processes in the soil. In southern Sweden, reduced growing season soil moisture levels counterbalanced the positive effects of a longer growing season and increased carbon supply on NPP, with the result that many areas were converted from a sink to a source of carbon by the late 21st century. The economy-oriented A2 emission scenario would lead to higher NPP and stronger carbon sinks according to the simulations than the environment-oriented B2 scenario.     

2017年8—9月湖州市臭氧污染特征及其生成机制研究

近年来近地面臭氧问题日益凸显,成为影响空气质量持续改善的瓶颈.本研究基于2017年8—9月在湖州市城区开展的为期1个月的臭氧及其前体物挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NO_x）在线观测数据,分析了臭氧及其前体物污染特征,利用正矩阵因子分析（PMF）解析了VOCs来源,并采用基于观测的模型（OBM）对臭氧生成机制进行研究.研究结果表明：1）观测期间湖州市VOCs平均体积分数为（24.78±9.10）×10^-9,其中占比最高的组成为烷烃、含氧VOCs （OVOCs）和卤代烃;2）在臭氧非超标时段,湖州市臭氧生成处于VOCs控制区,而在臭氧重污染期间湖州市处于以VOCs控制为主的过渡区;3）在臭氧超标时段,对臭氧生成潜势（OFP）贡献最大的是芳香烃（39.6%）,其次是烯烃（21.5%）和OVOCs （19.4%）,排名前三的关键组分为甲苯、乙烯和间/对二甲苯;4）源解析结果显示观测期间湖州市VOCs的主要来源是溶剂使用（27.0%）、交通排放（22.7%）、背景+传输（19.3%）、工业排放（16.9%）、汽油挥发（7.7%）和植物排放（6.4%）,重污染过程期间对OFP贡献最大的两类源是交通排放源和溶剂使用源,贡献百分比分别为35.1%和30.5%.因此,对交通排放和溶剂使用方面进行控制管理对湖州市大气臭氧污染防控有重要意义.     

Enhancements of CO and O3 from burnings in sugar cane fields

The manual harvest of sugar cane requires the burning of its foliage. This burning has strongly increased in Brazil after the National Alcohol Program was started which substituted automobile gasoline engines for alcohol engines. Presently, the source strength per unit area of this rural pollution is comparable to the well-known biomass burning source in Amazonia. The observed concentrations of CO and O₃ in the rural area of the state of São Paulo during the 1988 burning season were twice as large as those reported from an aircraft experiment of 1985 for biomass burnings of the tropical rain forest. Results are reported from airplane measurements and from three fixed ground stations. Mixing ratios of ozone and carbon monoxide in the height range below 6 km are normally less than 40 and 100 ppbv, (parts per billion by volume), respectively, in the absence of burnings. A strong O₃ and CO layer was observed during the burning period with peak concentrations of 80 ppbv of ozone and 580 ppbv of CO at about 2 km. The concentrations of CH₄ and CO₂ were also large, 1756 ppbv and 409 ppmv, respectively, at 1500 m. During the dry season period of the experiment, the ground based O₃ average diurnal variations obtained at the rural sites were practically identical to the typical urban variation observed at São José dos Campos, with daytime ozone values between 45 and 60 ppbv. A second three-day airplane excursion to the surgar cane fields in the wet season of 1989 has produces results to be contrasted with the dry (burning) season of 1988 and 1989. Carbon monoxide concentrations were below 100 ppbv at all heights and ozone concentrations were around 30–40 ppbv. The maximum daytime concentrations at the ground station Bauru was 25 ppbv of O₃, and at Jaboticabal it was 35 ppbv of O₃, only one half of what was observed in the dry season.Universidade Estadual de São Paulo.     

我国甲烷排放情景分析:IPAC模型结果

近期发布的IPCC第六次评估报告再次强调了短寿命期温室气体减排对温升减缓的作用。甲烷是最重要的短寿命期非CO₂温室气体。在各国提出各自新的减排目标之后,针对甲烷减排的行动方案也越来越多。甲烷减排正在成为下一阶段各国和全球合作的重点领域之一。本文在我国碳减排目标下的能源转型基础上,结合其他非能源活动的减排排放源的减排技术选择基础上,利用IPAC模型对未来甲烷的排放情景进行了分析。在模型设定的两个情景分析基础之上,研究发现,到2050年的能源转型可明显减少能源活动的甲烷排放,和2015年相比能源活动的排放可减少67％。和其他行业相比,能源部门的甲烷减排具有更好的协同性。如果考虑进一步减排甲烷,则需要在考虑其他大气污染物减排的基础上,可通过实现天然气的进一步减排来实现。同时其他部门的甲烷减排也具有很大潜力,低甲烷排放情景可以实现到2050年将甲烷排放减少到1 494万吨,和2015年相比全范围排放可减排58％。     

武汉市2018年4—9月臭氧及其前体物非线性关系研究

近年来武汉市臭氧污染日益严峻,成为影响空气质量达标的瓶颈,弄清臭氧及其前体物非线性关系是臭氧防控的关键和基础.本研究基于武汉中心城区2018年4—9月臭氧及其前体物在线观测数据,分析出武汉市臭氧浓度受前体物和气象条件等因素的共同影响,呈较为明显的季节变化和日变化特征.观测期间武汉市大气挥发性有机物（VOCs）平均体积分数为32.5×10^-9,烷烃是武汉市VOCs的主要组分,其次是含氧VOCs （OVOCs）和卤代烃.利用基于观测的模型定量分析臭氧与前体物之间的关系,发现削减VOCs会引起臭氧生成潜势的显著下降,而削减氮氧化物则会使臭氧生成潜势升高,说明武汉市臭氧生成处于VOCs控制区.在人为源VOCs中,间/对二甲苯和邻二甲苯的相对增量反应活性（RIR）最高,是影响臭氧生成的关键组分.     

Terrestrial carbon pools in southeast and south-central United States

Analyses of regional carbon sources and sinks are essential to assess the economical feasibility of various carbon sequestration technologies for mitigating atmospheric CO₂ accumulation and for preventing global warming. Such an inventory is a prerequisite for regional trading of CO₂ emissions. As a U.S. Department of Energy Southeast Regional Carbon Sequestration Partner, we have estimated the state-level terrestrial carbon pools in the southeast and south-central US. This region includes: Alabama, Arkansas, Florida, Georgia, Louisiana, Mississippi, North Carolina, South Carolina, Tennessee, Texas, and Virginia. We have also projected the potential for terrestrial carbon sequestration in the region. Texas is the largest contributor (34%) to greenhouse gas emission in the region. The total terrestrial carbon storage (forest biomass and soils) in the southeast and south-central US is estimated to be 130 Tg C/year. An annual forest carbon sink (estimated as 76 Tg C/year) could compensate for 13% of the regional total annual greenhouse gas emission (505 Tg C, 1990 estimate). Through proper policies and the best land management practices, 54 Tg C/year could be sequestered in soils. Thus, terrestrial sinks can capture 23% of the regional total greenhouse emission and hence are one of the most cost-effective options for mitigating greenhouse emission in the region.