生态系统碳通量估算中耦合涡度协方差与遥感技术研究进展

陆地生态系统CO^₂和水热通量的长期观测研究一直是国际上关注的热点问题。截止目前,利用微气象学原理的涡度协方差技术是唯一能直接测定生物圈与大气间物质与能量通量的标准方法,成为国际通量观测网络的主要技术。但是涡度协方差技术的测定仍然是一种小尺度观测方法,其观测结果难于直接外推到更大尺度。同时,缺乏区域、跨尺度生态系统及其时空动态观测数据一直是限制碳循环研究的主要障碍,而遥感技术的发展可望在不远的将来使大尺度、高分辨生态系统变化的长期定量观测成为可能。这些问题在当今集中体现在如何建立通量—遥感的跨尺度观测体系,并有效地将有限的通量站点测量数据与大尺度遥感资料以及生态模型有机地结合。总结过去耦合涡度协方差技术与遥感技术的工作,主要在以下3个层面展开：①涡度协方差技术与遥感技术对碳通量估算的相互验证;②涡度协方差技术为遥感反演提供地面参数;③遥感观测解译辅助分析通量贡献区（footprint）。集中在这3个方面进行探讨,通过总结各方面的研究特点与进展,可望为未来在这个领域开展工作理顺思路。     

USGCRP碳循环研究的最新动向

碳循环研究是国际全球变化研究的热点之一。根据美国全球变化研究委员会提出的“美国全球变化研究计划”(USGCRP),详细介绍了美国碳循环研究的目标、重点研究计划和行动。USGCRP碳循环研究的主要目标是提供碳源和碳汇的综合评价,其重点在于确定北美洲陆地碳汇的数量、位置和成因,通过设立集成观测、过程研究和建模研究的项目来减少其中的不确定性,并提供北美洲陆地碳汇及其变化的更精确估计。USGCRP将从大气、海洋、陆地和人类因素方面结合适当的研究方法,提供多样化的碳循环时空信息,而且提供必要的北美洲陆地碳汇状态的详细描述。在基本反映美国碳循环研究最新趋势的同时,提出了中国碳循环研究应注意的方向。     

环北极多年冻土区碳循环研究进展与展望

环北极多年冻土区作为全球碳库的重要组成部分,它以一种独特的方式响应着气候变化。在气候变暖的背景下,冻土中的有机碳将在全球碳循环中扮演着更活跃的角色。为增进对环北极多年冻土区碳循环的认识,分析了近年来北极多年冻土区碳储量和碳迁移状况,以及相关模型在模拟碳循环应用方面的最新进展。目前,对北极多年冻土区碳源/汇的时空分布格局、碳循环过程的关键驱动因子以及碳循环对全球变化的响应等一系列问题尚不能作出完整的、系统性的科学解释。同时,还进一步分析了北极多年冻土区碳循环模拟的三大不确定性因素。基于以上分析,提出未来对北极多年冻土区碳循环的研究还应在典型研究区开展长期的野外系统监测、创新研究方法,深化碳循环机制研究,重视学科交叉以及多模型集成,宏观与微观相结合、多途径与多尺度综合研究。     

Preliminary analysis of the development of the Carbon Tracker system in Latin America and the Caribbean

The Carbon Tracker system will play a major role in understanding CO₂ sinks and sources, gas exchange between the atmosphere and oceans, and gas emissions from forest fres and fossil fuels in Latin America and the Caribbean. This paper discusses the trends in carbon fluxes in the biosphere and ocean, as well as emissions from forest fres and fossil fuel use in the above-mentioned region, using the Carbon Tracker (CT) system. From 2000 to 2009, the mean carbon fluxes for the biosphere, fossil fuel use, wildfires and the ocean in Latin America and the Caribbean were −0.03, 0.41, 0.296, −0.061 Pg C/yr, respectively, and −0.02, 0.117, 0.013, −0.003 Pg C/yr, respectively, in Mexico. The mean net carbon flux for Latin America and the Caribbean was 0.645 Pg C/yr, and 0.126 Pg C/yr for Mexico. The terrestrial sinks in Latin America and the Caribbean are dominated by the forest, agricultural, grass and shrub regions, as well as the Andes mountain range and the net surface-atmosphere fluxes including fossil fuel are dominant in regions around large cities in Mexico, Brazil, Chile, and areas undergoing deforestation along the Amazon River. The results confirm that forest fres are an important source of CO₂ in Latin America and the Caribbean. In addition, we can confirm that policies encouraging the use of ethanol in light vehicles in Brazil have helped to decrease carbon emissions from fossil fuel, and assume the effects of the Proárbol program on carbon sinks from the biosphere and from fire emissions sources in Mexico. Based on this analysis, we are confident that the CT system will play a major role in Latin America and the Caribbean as a scientific tool to understand the uptake and release of CO₂ from terrestrial ecosystems, fossil fuel use and the oceans, and for long-term monitoring of atmospheric CO₂ concentrations.     

Deforested Mangroves Affect the Potential for Carbon Linkages between Connected Ecosystems

Mangrove forests are important sinks and sources of carbon especially for connections to coral reefs and seagrass beds. However, they are increasing under threat from anthropogenic influences. We investigated correlations between carbon fluxes from the sediment and water column in deforested and intact mangroves. Our findings show that deforestation has a negative effect on sediment organic carbon storage and CO₂ fluxes. However, species richness and density showed a positive correlation with sediment organic carbon storage and CO₂ fluxes. An increased density of saplings showed a positive relationship with dissolved inorganic and organic carbon draining the mangrove forest at high tide. This research offers insights into the importance of the key forest characteristics influencing the storage and fluxes of carbon. Alterations in mangrove carbon stocks and retention may affect connected ecosystems.     

中国区域碳循环研究进展与展望

中国陆地和海洋生态系统的区域碳循环在全球碳循环过程中占有重要地位。目前,中国陆地生态系统在全球碳循环中的地位和作用已有比较深入的研究,而中国边缘海系统碳循环研究相对薄弱。简要回顾中国碳循环（以现代过程的描述为主）的研究动态,重点阐述中国边缘海碳循环研究概况及CO2的海-气交换、有机碳循环、颗粒有机碳的输出、河流的输运等海洋碳循环过程的关键科学问题。在汇总补充及数据更新的基础上勾画了中国区域碳循环框架。我们认为,中国的区域碳循环过程尚有诸多未知量和不确定性,缺乏把陆、海、气作为一个系统的综合研究,海洋生态系统碳循环研究尤其需要加强。中国边缘海的碳循环研究应当围绕CO2的汇源过程这一碳循环的中心问题,深入开展边缘海碳的生物地球化学及其与大气CO2的耦合作用等方面的研究。     

遥感结合地面观测估算陆地生态系统蒸散发研究综述

地面观测和遥感模拟作为陆地生态系统蒸散发研究的2种基本手段,有着各自的优缺点且存在互补性。因此,有效地将遥感和地面观测站点资料相结合,探讨陆地生态系统蒸散发的时空分布规律及不同尺度转换理论与方法,实现蒸散耗水地面观测结果的尺度扩展和生态需水量估算成为普遍关注的焦点。从遥感与地面观测结合确定陆地生态系统蒸散发入手,论述目...     

植被覆盖度遥感估算研究进展

植被覆盖度是刻画地表植被覆盖的重要参数,在全球变化研究、地表过程模拟和水文生态模型中发挥着重要作用.遥感能够反映不同空间尺度的植被覆盖信息及其变化趋势,是获取区域及全球植被覆盖度参数的一个重要手段.综合分析了用于植被覆盖度估算的遥感数据源,包括高光谱数据、多光谱数据、微波数据和激光雷达数据.而且分析了各种常用的植被覆盖度遥感估算方法及其优缺点,并评价了现有基于遥感数据的植被覆盖度产品及存在问题.最后,针对目前研究中存在的问题,讨论了植被覆盖度遥感估算研究的发展趋势,指出高时空分辨率长时间序列的全球植被覆盖度数据集、多源遥感数据融合和同化技术是未来植被覆盖度遥感估算研究的主要方向.     

生态系统响应全球变化的陆地样带研究

为从机理上理解、评估和预测陆地生态系统对全球变化的响应,国际地圈生物圈计划在全球共启动了15条全球变化陆地样带,其中2条在中国,即中国东北样带和中国东部南北样带。从植物碳氮代谢、生物多样性、生态系统功能与碳收支及样带生态系统的变化趋势等方面较系统地总结了围绕中国这2条全球变化陆地样带的最新研究进展,加深了全球变化与陆地生态系统相互作用过程与机制的理解,提出未来中国全球变化陆地样带研究应充分利用我国特殊的生态与环境及区域特色,重点针对陆地生态系统对全球变化的适应性、地球系统相互作用的生物—物理—化学—社会过程与管理、土地利用变化的动力学过程与机制、灾害性天气气候的生态效应及其调控机制和全球变化模拟预警系统开展研究,做出一些在国际上既有显示度又服务于我国社会经济可持续发展的研究成果。     

全球变化研究中的中国东北森林—─草原陆地样带(NECT)

陆地生态样带已成为全球变化研究的重要方法和手段。国际地圈－生物圈计划（ＩＧＢＰ）的陆地样带——中国东北森林—草原陆地样带（ＮＥＣＴ）的提出为中国全球变化研究奠定了基础。该样带在东经１１２°～１３０°３０′间沿北纬４３°３０′设置，长约１６００ｋｍ，是一条中纬度温带以降水为驱动因素的梯度，具有良好的植被、土壤、土地利用、气候等环境因素的过渡特征。文章介绍了中国东北森林—草原样带的确定、生态特征及在数据库建设、植被结构和生产力模拟以及遥感研究中取得的初步成果。     

中国陆地生态系统对全球变化的反应模式研究进展

综述了国家自然科学基金“八五”重大项目“中国陆地生态系统对全球变化的反应模式研究”的最新进展，主要有对全球变化反应的植物生态生理学基础模型研究，对全球变化反应的植物群落学模型与气候（植被关系，全球变化中的我国生物群区遥感监测技术与相关模型研究，以及生态系统对全球气候变化响应的预测。最后指出未来中国进行全球变化与陆地生态系统关系研究拟注重各计划间的交叉及应加强研究的领域。     

全球变化的生态系统适应性

全球变化的适应性研究已经成为全球变化研究的重点,亦是制定全球变化适应对策的关键。基于全球变化的定义,从生态系统对全球变化适应的4个方面：①对大气CO2浓度变化的适应性;②对气候变化的适应性;③对CO2浓度与气候变化协同作用的适应性;④对人为干扰的适应性,综述了当前的研究成果,进而提出了未来关于全球变化的生态系统适应性研究需要重视的方面,尤其是关于生态系统对全球变化响应的阈值研究应引起高度重视。     

多源DEM和多时相遥感影像监测冰川体积变化——以青藏高原那木纳尼峰地区为例

冰川储量变化对全球水循环、能量平衡和区域水资源都具有重要意义,构成全球变化研究的重要方面.针对当前冰川变化监测技术与方法,提出一种结合多源DEM数据和多时相遥感影像监测冰川体积变化的方法.以青藏高原那木纳尼峰地区冰川为例,通过MSS/TM遥感数据识别冰川范围,以地形图DEM和SRTM-DEM计算出两时期冰川厚度变化信息,从而计算冰川体积变化值.计算过程中,对冰川范围识别、遥感数据不同时相、不同源DEM数据的误差进行了分析和控制.结果显示,1976—2001年的25a间该地区冰川体积减少了3.060km3,存在着较为强烈的消耗,冰川年损耗速率为0.1224km3.a-1.     

硅的生物地球化学循环研究进展

生命元素硅在陆地生态系统和水生生态系统中都扮演着重要的角色。它的生物地球化学循环与全球碳循环和全球气候交化密切相关。因此,近年来逐渐成为研究的热点。本文概述了近年来国内外有关硅的生物地球化学循环的研究进展,包括陆地和海洋中硅的生物地球化学循环过程及人类活动对硅循环的影响等方面,指出日前研究中存在的问题,展望了研究的重点。     

地质成因的甲烷释放对大气的影响

地质成因自然源的甲烷释放在整个大气甲烷估算中起着非常重要的作用,它既是不含放射性14C甲烷源(死碳源)缺失部分的重要代表,也是甲烷重碳源的重要部分.概述了国内外关于地质成因甲烷释放对大气甲烷源与汇影响的研究进展,详述了来自地质成因化石燃料泄漏的人为甲烷释放以及来自沉积盆地(含油气盆地)、泥火山、地热区、海洋和甲烷水合物的地质自然源甲烷释放对大气甲烷源与汇的贡献及其影响因素;说明由于地质成因甲烷分布的区域性、不均匀性和时空的高度变化性,以及目前地质成因甲烷的通量估算仅建立在区域性的少量甲烷通量测试基础上,造成了地质成因甲烷释放通量估算的高度不确定性;指出研究中国西北地区油气田集聚区的甲烷释放通量,对油气田地质成因甲烷释放通量的估算具有重要意义.     

Effets d'amplification du changement d'usage des terres sur le taux de CO2 atmosphériqueAmplification effect of changes in land use and concentration of atmospheric CO2

A model is presented here, which attempts to determine interactions between change in land use and concentration of atmospheric CO₂ over the 1700–2100 period. The main impact of the conversion of forests to agricultural areas is the increase of atmospheric CO₂ because of the losses of biomass and soil carbon in favour of the atmosphere. This raise will probably increase in the next years, correlated with the proportion of cultivated areas. We show here that this first-order effect is amplified by the correlative decrease of terrestrial sinks of CO₂; in fact, as forests are replaced by cultivated parcels, carbon residence time in biosphere decreases, as well as sequestration ability of these ecosystems. This amplification effect leads to an additional increase in atmospheric CO₂, which could reach 100 ppm in 2100. The uncertainties on the range of such an increase are important since they cumulate both uncertainties on the behaviour (sink or source) of terrestrial ecosystems in the future and inherent uncertainties of the modeling of carbon fluxes linked to changing land uses… Such an additional increase in CO₂ is partially limited by the ocean reservoir and by the existing CO₂ sinks in primary non-anthropologically disturbed ecosystems. The results imply that conservation of primary forests, for which primary productivity and carbon time of residence are high, is an efficient strategy for greenhouse-effect mitigation. To cite this article: V. Gitz, P. Ciais, C. R. Geoscience 335 (2003).     

卫星遥感探测大气CO2浓度研究最新进展

大气CO₂是一种重要的长寿命温室气体,卫星遥感探测大气CO₂浓度,可以连续地获得其全球时空分布变化情况,进而提高对大气CO₂源汇分布及区域和全球碳循环的认识,进一步增强对全球气候变化的研究和预测。卫星遥感探测大气CO₂浓度已经开始成为一个新的研究领域,文章综合论述了利用卫星平台遥感探测大气CO₂浓度分布的最新研究状况。首先简单地叙述了现阶段对大气CO₂浓度时空分布和变化情况的直接仪器观测结果,在此基础上比较全面地综述了卫星遥感测量大气CO₂浓度的主要方法及获得的结果,包括利用近红外反射太阳光谱或地气热红外发射辐射光谱及两者的组合进行得模拟和卫星实测反演研究,最后简单地进行了总结和展望。     

利用场地观测计算地表通量

高原地表的感热和潜热通量在亚洲季风系统中有很重要的作用。由于高原地域辽阔，且自然环境较严酷，不利于建立完善的地面观测系统。因此，卫星遥感观测就成为测算高原整体感热和潜热通量的有效工具。地面场地的观测结果作为地表通量的真实值，对于卫星遥感测算是非常重要的。它也为构建陆面—大气模型提供了科学依据，是卫星资料的资料同化系统中的重要组成部分。 计算场地热量通量有几种不同的处理方法。最简单的方法利用有效的观测和试验的参数，可以给出稳定连续的估计。愈精确的Bowen比或者廓线的观测能给出愈精确的信息。综合了湍流测量及辐射测量、土壤热通量的观测结果的估计对陆面—大气相互作用进行了详细的描述，以适应模式的发展。从1998年开始，这些方法联合应用到青藏高原；场地通量观测方面的成果以及目前对其理解将在本文中做一概述。     

生物地球化学的概念与方法——DNDC模型的发展

生物地球化学作为一个学科包含4个概念,即生物地球化学量、流、群和场.这4个概念从不同角度描述了生命与其环境的关系.生物地球化学量探索生命及其无机环境在元素丰度上的相似性,这种相似性决定了生命体对环境化学状态的依赖性.生物地球化学流描写化学元素在生态系统中的迁移,此迁移导致了生命体与环境间的物质和能量交换.生物地球化学群描述化学元素在迁移转化时的复杂组合关系及其生物效应.生物地球化学场是生态系统中控制生物地球化学反应的各种环境营力的总和.生物地球化学模型即是这一综合力场及其对化学元素迁移转化影响的数学描述,DNDC模型即基于这些概念发展起来.DNDC模型可用来预测陆地生态系统中碳和氮的生物地球化学行为,该模型已被一些国家用来预测农业土壤的长期肥力和温室气体排放.     

Responses of typical grasslands in a semi-arid basin on the Qinghai-Tibetan Plateau to climate change and disturbances

Alpine grassland ecosystems on the Qinghai-Tibetan Plateau (QTP) are vulnerable to climate change and anthropogenic disturbances, which may have significant effects on the QTP’s carbon budgets. In this study, vegetation and soil characteristics were compared among alpine grassland ecosystems in a semi-arid basin on the northeast ridge of the QTP (1) among alpine swamp meadow, meadow, steppe meadow and steppe soils, which represent the direction of succession under climate-warming conditions, and (2) among alpine, degraded and tilled meadow soils to investigate the effects of human disturbance. The results showed that (1) if the alpine grassland ecosystems succeed in this direction, climate warming will cause a loss of carbon, and (2) tilling activity also results in carbon loss. Therefore, these results indicate that anthropogenic disturbance regimes that change more rapidly than climate may exert a more profound influence on carbon dynamics and balance. However, the plots that were set in the present study represented only part of the basin due to road accessibility. Relationships between leaf area index (biomass and soil carbon) and fractional vegetation cover × vegetation height from this study are fairly good, which can be applied at regional scale to estimate carbon pools. In combination with detailed information of grassland types, climate and human activities, the effects of climate change and disturbances can be estimated using remote sensing datasets.