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CO2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.     

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。     

复杂条件下湍流通量的观测与分析

随着气候与环境问题的突出，地球生态系统与大气间的CO2、水汽和能量交换引起更大关注。全球通量网和其它研究计划已在不同地区建立了大量通量站；并主要利用涡动相关方法进行通量的观测与分析。许多通量站设在地形起伏、斑块植被地区，且由于长期连续运转，不可避免地会遇到许多不利气象条件。国内各部门应用的涡动相关方法通量观测系统已有数百套。此方法似乎简单，而较准确的有代表性的通量取得却涉及许多问题。国外近10年来有关研究很活跃，国内则显得相对薄弱。仪器和台站很多，却缺乏合乎国际规范的处理程序和质量控制体系，影响到资料共享和合作研究。应根据国际最新进展和部分台站资料，在做成较规范的湍流资料处理程序的基础上，建立包括通量源区分析的质量控制与保证系统。对地形和植被都较复杂的情况，结合国际上几个较典型的通量站和国内祁连山大野口等通量站特点，做了简要介绍。      

海洋碳循环模式的研究进展

从最简单的三箱模式开始简要回顾了海洋碳循环模式的发展历史，讨论了不同发展时期各种模式的特点，并指出了海洋吸收大气CO2的能力。近年来全球海洋环流碳循环模式经常使用简单生化过程，而在过程模式和一维模式中较详尽探讨生态系统在海洋碳循环的作用。最新的全球环流碳循模式估计海洋在20世纪80年代每年吸收大气CO2为1.5~2.2 GtC。还讨论了模拟海洋碳循环的现状和存在的问题。使用含显式生态系统的碳循环模式是研究CO2生物地球循环及其对全球变化响应的发展趋势。     

涡动相关仪观测数据的处理与质量评价研究

涡动相关仪能够较准确地直接测量地表—大气间的湍流交换,在世界范围内得到了广泛的应用。但它的使用是有条件限制的,如果不进行必要的修正,得到的通量就可能有较大的误差。以密云观测站一年的涡动相关仪观测数据为例进行分析。结果表明：野点值剔除、坐标旋转以及超声温度订正对地表感热、潜热等通量的测量结果影响均在±1%之内,但坐标旋转对动量通量影响较大,必须对潜热和CO2通量进行空气密度效应订正;湍流谱在惯性副区基本满足-2/3次方定律,协谱基本满足-4/3次方定律。经过对观测数据的筛选和处理后,约75%的观测数据质量较好,2%的数据需要剔除。通量贡献源区分析表明,全天和白天均有超过70%的通量源区落在感兴趣区域内,超过90%的通量贡献最大点落在感兴趣区域内。     

海气CO2通量与涡动相关法应用研究进展

海气CO2交换速率及通量的测定、估算是碳循环研究的重要内容。测定、估算海气CO2交换速率及通量有多种方法,但都有其局限性,准确定量海气碳通量的大小仍是碳循环研究的热点问题。当前应用最广泛的海气界面分压差法需要通过间接手段测定海气交换速率,交换速率和风速的关系基于经验公式,不确定性较大;而涡动相关法（eddy covariance / eddy correlation）是一种直接测量方法,理论上不需要任何经验参数,在近年来取得较大进展。综述了近年来国内外CO2海气交换速率及通量的测定、估算方法的研究进展,并对各种方法的原理、应用、优缺点进行了分析,着重介绍了涡动相关法测量CO2通量的原理、国内外研究现状、相对传统方法的优缺点以及发展前景等,对未来海气CO2交换速率及通量研究发展趋势和研究方法作了展望。     

大气CO2浓度增加对中国区域植被蒸腾的影响

近几十年来,人类活动带来的化石燃料燃烧和工业过程引起了全球大气CO2浓度的显著增长,带来了一系列生态和环境问题,其中对地表蒸散发的影响就是一个重要方面.地表蒸散发及其分量植被蒸腾是能量和水量平衡的重要组分,直接影响着陆气相互作用和水循环系统.由于大气CO2浓度增加可通过减小叶片气孔导度从而抑制植被蒸腾,为量化这一影响,基于碳水耦合的蒸散发模型PML-V2和CMIP6的大气CO2浓度时空序列驱动数据,分别进行了考虑和不考虑大气CO2浓度逐年增加情况下的2组植被蒸腾模拟试验.通过对比2组结果分析了2001-2014年大气CO2浓度增加对中国区域植被蒸腾的影响.研究结果显示,在季节上,夏季大气CO2浓度增加对植被蒸腾的抑制作用最小,冬季最大;在数量级上,2001-2014年大气CO2浓度引起植被蒸腾变化在0～5％;不同生态系统比较而言,森林、耕地和灌丛生态系统受CO2浓度增加引起植被蒸腾的减小量较大,14年间减小量为15～20mm/a,而草地下降最小,约5 mm/a;在空间上,我国中东部受影响最大;CO2浓度引起植被蒸腾变化最敏感的区域是我国东南部地区.     

祁连山疏勒河上游高寒草甸CO2通量变化特征

采用涡动相关法对疏勒河上游高寒草甸生态系统2009年CO2通量进行连续观测.结果表明:疏勒河上游高寒草甸CO2通量呈明显的日和月变化特征.生长季CO2通量具有明显的日变化过程,其中吸收峰值从5月的10:00时逐步推后到7月的12:00左右,CO2通量排放峰值则出现在21:00-22:00.其中,最大吸收和排放速率均出现...     

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。     

北半球陆地生态系统碳交换通量的空间格局及其区域特征

陆地生态系统通过植被的光合作用吸收大气中的CO_2,深入了解陆地生态系统碳吸收强度的空间变异及其区域特征对于准确地预测和评估全球碳收支以及制定高效的区域性生态系统管理政策具有重要的指导性意义。本文以ChinaFLUX的长期联网观测数据为基础,整合了北半球区域已发表的涡度相关文献数据,对北半球区域碳交换通量,即总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(RE)和净生态系统生产力(NEP)的空间格局及其区域特征进行综合分析。我们获取了233个通量站点,732条站点年数据。观测站点分布于亚洲、欧洲和北美洲,纵跨纬度2.97°N到74.47°N,横跨经度148.88°W到161.34°E。气候类型涵盖了热带、亚热带、温带、北方林、极地与亚极地以及高山气候类型。生态系统类型包涵了森林(107个站点)、草地(65个站点)、农田(33个站点)和湿地(28个站点)四大生态系统。研究结果得出:北半球陆地生态系统GPP和RE呈现出显著的随着纬度升高而线性降低的趋势,纬度每升高1°N,GPP和RE在空间格局上约减少22.9g C/m~2/a,而NEP的纬向变化规律不明显。森林和农田生态系统的GPP和NEP显著高于草地和湿地生态系统。RE则在森林生态系统最高,平均约为1185±641g C/m~2/a,而在其余生态系统间无显著差异。在亚洲、欧洲和北美洲3个区域之间,森林、农田和湿地生态系统的GPP,RE和NEP均无显著差异。仅在草地生态系统中,欧洲草地生态系统的GPP和RE分别为1472±473g C/m~2/a和1236±452g C/m~2/a,显著高于亚洲和北美洲。GPP,RE和NEP呈现出从温暖性气候区向寒冷性气候区逐渐降低的趋势,同时受到水分状况的调节,表现出在相同的温度带里,相对湿润的气候区具有更高的NEP。这些结果表明北半球陆地生态系统碳交换通量存在着空间变异性,但没有显著的区域差异,然而在不同气候区和生态系统类型间差异显著,这意味着北半球陆地生态系统碳交换通量主要受到温度和水分环境条件以及人类活动的共同影响。     

二氧化碳生物地球化学循环研究的进展

综述了对二氧化碳生物地球化学循环的研究现状，着重介绍了大气二氧化碳的源和汇的研究资料，并简要介绍了有关碳循环模式。     

Eddy covariance based methane flux in Sundarbans mangroves,India

We report the initial results of the methane flux measured using eddy covariance method during summer months from the world’s largest mangrove ecosystem, Sundarbans of India. Mangrove ecosystems are known sources for methane (CH₄) having very high global warming potential. In order to quantify the methane flux in mangroves, an eddy covariance flux tower was recently erected in the largest unpolluted and undisturbed mangrove ecosystem in Sundarbans (India). The tower is equipped with eddy covariance flux tower instruments to continuously measure methane fluxes besides the mass and energy fluxes. This paper presents the preliminary results of methane flux variations during summer months (i.e., April and May 2012) in Sundarbans mangrove ecosystem. The mean concentrations of CH₄ emission over the study period was 1682 ± 956 ppb. The measured CH₄ fluxes computed from eddy covariance technique showed that the study area acts as a net source for CH₄ with daily mean flux of 150.22 ± 248.87 mg m^?2 day^?1. The methane emission as well as its flux showed very high variability diurnally. Though the environmental conditions controlling methane emission is not yet fully understood, an attempt has been made in the present study to analyse the relationships of methane efflux with tidal activity. This present study is part of Indian Space Research Organisation–Geosphere Biosphere Program (ISRO–GBP) initiative under ‘National Carbon Project’.     

大气中CO2浓度的全球监测现状

较系统地介绍了大气中ＣＯ＿２浓度（主要是ＣＯ＿２大气背景浓度）的全球监测进展现状。重点阐述了ＣＯ＿２浓度的全球监测网、监测方法、ＣＯ＿２同位素监测、监测质量控制以及ＣＯ＿２监测资料管理等问题的进展状况，分析讨论了当前ＣＯ＿２浓度全球监测中存在的问题和发展前景。     

二氧化碳海气交换通量估计的不确定性

尽管确信海洋是人为CO2 的一个巨大碳汇 ,但其确切的数字及其未来变化趋势至今仍有较大的争议。分析讨论了国内外这方面的研究成果 ,特别是近几年的研究进展 ,指出了在计算海气交换通量时存在的主要问题。计算CO2 气海交换系数的公式尚未取得一致 ,在相同的风速下 ,不同的公式可产生百分之几十的差别。计算的CO2 分压因使用不同的热力学常数表达式而导致不同的结果 ,差值可达 3Pa。进一步讨论了基于观测和模式估计的CO2 气海交换通量的不确定性 ,并指明了模式结果存在的差异。根据CO2 分压的观测资料估计 1 990年和 1 995年全球海洋分别吸收 1 .4 5GtC和 2 .2 5GtC的CO2 ,该估计有 5 0 %的不确定性 ,4个全球海洋环流碳循环模式估计 1 980— 1 989年间海洋每年吸收人为CO2 为 1 .5～ 2 .2GtC。评述了通量的季节变化和年际变化 ,年际变化与发生在太平洋中的厄尔尼诺现象有关。     

重庆金佛山表层岩溶生态系统土壤的CO2释放规律

采用碱溶液吸收法通过对重庆金佛山林地、裸地表层岩溶生态系统土壤CO2释放量进行野外监测,研究了影响土壤CO2释放量变化的主要因素,揭示土壤CO2释放变化规律。土壤CO2释放量的变化主要随着温度而变化,即气温降低,土壤CO2释放量减少,在昼夜时段,土壤CO2也随温度而变化,但相比温度变化有明显滞后性;降雨对土壤CO2释放有比较复杂的影响,但非简单的线性相关;同时植被也会影响到土壤CO2的释放,总体上,相比裸地而言,林地的土壤CO2的释放量大,但在不同时间段内土壤CO2释放强度与气温的关系有较大差异。一天时间段内林地土壤CO2释放强度与温度的关系较裸地灵敏,这是因为林地本身生物量大,对温度反应敏感,温度很小的变化就能引发土壤CO2释放量的大幅度地改变。而在以月为单位观测时间段时,裸地土壤CO2释放强度与气温的关系较林地灵敏,这可能是因为植被覆盖减缓气温对土温的影响,对土温有较强的调节作用。这种不同植被系统下,在不同时段土壤的CO2释放量动态差异在讨论岩溶作用与碳循环时应充分注意。