唐古拉地区活动层水热状况及地气系统能水平衡分析

活动层水热状况与地-气系统间能水交换直接影响着寒区生态环境、水文过程以及多年冻土的稳定性。利用唐古拉站2007年实测资料和SHAW模型,对研究点活动层土壤剖面温湿度进行了模拟。土壤温度方面,模型的纳什效率系数NSE≥0.93;水分方面,纳什效率系数的平均值为0.69,说明SHAW模型可用于多年冻土区活动层内水热动态变化的模拟研究。基于模型的输出结果,对唐古拉站活动层土壤冻融过程中的水分动态、地表能量收支的变化特征进行了分析讨论。结果表明:(1)活动层冻融过程中,土壤水分的冻结和融化响应时间随土壤深度的增加而逐渐滞后,水分迁移通量随土壤深度的增加逐渐减小;(2)地表能量平衡收支在季风活动引起的降水与活动层的冻融循环共同影响下,表现出明显的季节性变化特征。同时,通过改变SHAW模型植被输入参数中的叶面积指数,分析了植被覆盖变化对多年冻土区土壤蒸散发的影响。结果表明:植被蒸腾量、土壤蒸发量与总的蒸散发量与植被的叶面积指数呈正相关关系,而浅层土壤含水率(20 cm)则表现为负相关,当叶面积指数在-100%(裸土)~100%变化时,总蒸散发量的变化幅度为-5%~13%。     

冻融交替对河岸缓冲带土壤无机氮和土壤微生物量氮的影响

全球气候变化引起的中高纬度地区积雪覆盖和降雪格局变化,造成该区域土壤冻融交替强度和频次变化,是土壤氮循环的重要影响因素。冻融温差和冻融循环次数影响微生物数量和群落的变化,进而影响土壤氮素生物地球化学循环。以大伙房水库实验林场小流域的河岸缓冲带生态系统为研究对象,通过分析冻融交替对河岸缓冲带土壤无机氮和土壤微生物量氮的影响,阐明冻融交替对土壤无机氮含量变化的影响机制,为评估小流域氮素流失风险提供依据。结果表明：随着冻融循环次数的增加,土壤无机氮含量呈增加趋势;不同温差的冻融循环处理对土壤无机氮影响不同,冻融条件为-5/+5℃和-20/+5℃时土壤无机氮含量在冻融循环10次之后分别为34.9±0.9 mg/kg和37.2±0.8 mg/kg,是处理前的1.21和1.41倍;冻融温差和冻融循环次数对土壤NH₄⁺–N含量有极显著影响(P<0.01),土壤冻融10次后土壤NH₄⁺–N含量是对照处理的4-10倍;冻融循环次数对土壤NO₃^－–N含量有显著影响(P<0.05),冻融温差对NO₃^－–N含量无显著影响(P>0.05);土壤微生物量氮含量对冻融循环的响应显著(P<0.01)。可见,冻融交替显著增加了土壤无机氮含量,由于早春季节植被对无机氮吸收较少,可能增大土壤氮素随冰雪融化的淋溶流失风险。     

紫金山不同海拔高度土壤的碳氮分布特征

有机碳氮是影响陆地生态系统的重要因子,保持并提高土壤碳氮储量,是稳定生态系统生产力的关键.以南京紫金山土壤为研究对象,依照海拔高度进行采样,对比分析了土壤有机碳氮的变化规律.研究结果表明:紫金山土壤有机碳氮受地表植被的影响比较大,混交林>林地>草地,土壤有机碳氮总量随海拔的升高呈现上升趋势,土壤碳氮比高达34~45,且随海拔升高呈下降趋势.相关分析表明,紫金山土壤有机碳与全氮质量分数呈显著正相关关系,由此说明氮素主要以有机氮的形式存在于有机质中.     

高寒生态脆弱区冻土碳水循环对气候变化的响应——以甘南州为例

以位于青藏高原与黄土高原及陇南山地过渡带的甘南藏族自治州为例,基于考虑土壤冻融界面变化的陆面过程模式研究了1979-2012年冻土变化及水资源与生态系统碳通量对气候变化的响应。结果表明,甘南州气候态多年冻土面积约1. 5×104km2,季节性冻土约占2. 5×10~4km~2,多年冻土最大融化深度呈增加趋势,季节冻土最大冻结深度逐渐减少,整体上冻土正随着气温上升逐步退化;尽管降雨有所增加,而气温上升引起的蒸散发增加也可能是产流减少的原因之一,其中多年冻土区更为敏感,水热变化增减率较季节冻土区大;生态系统碳循环方面,北部主要表现为碳源,南部则表现为碳汇,升温促进植被生长,使得进入生态系统的碳呈略微增加的趋势,尽管总初级生产力(GPP)与净初级生产力(NPP)呈增长趋势,但植被碳利用效率逐步减小,表明气候变化背景下生态系统固碳能力有所退化;最后经多元回归分析可知,气候变化在多年冻土区可以解释66%的NPP变化与31%的生态系统净交换量(NEE)变化,而在季节冻土区则能解释45%的净初级生产力变化。     

多年冻土区森林大火对生态服务功能的影响研究

在气候变暖背景下,大兴安岭森林大火导致多年冻土退化,植被发生更新和演替,对森林生态系统服务功能造成重要影响。文中选取大兴安岭北部多年冻土区满归和阿龙山火烧区为研究对象,通过定量方法计算了林火后,固碳释氧效益损失;净化环境效益损失,包括吸收SO₂和粉尘净化价值;水文效益损失,包括防洪和涵养水源效益;小气候效益损失;保护野生生物以及游憩效益损失。研究发现,满归和阿龙山火烧后,生态系统服务效益损失重大。其中,固碳释氧效益和净化环境效益损失较大,分别占总效益损失的42.34%和41.94%;水文效益和保护野生生物效益损失较小,分别为2.82%和0.80%;小气候效益和游憩效益居中,分别占8.61%和3.49%。即使针叶林生态系统恢复到阔叶林生态系统,净化环境效益损失仍然可达69.3%。由此看来,保护多年冻土区的针叶林,减少森林火灾的发生对维持多年冻土区森林生态系统的稳定性和可持续发展至关重要。     

青藏高原1977—2006年土壤热状况研究

浅层土壤温度的变化可以指示活动层厚度变化。利用青藏高原及毗邻地区74个站1977—2006年近30年的土壤温度资料,研究了青藏高原及毗邻地区土壤热状况。结果表明,自1977年的近30年来,5 cm土壤负积温绝对值有减小的趋势,在高原的不同区域减小的幅度不同,对整个研究区域而言,负积温绝对值每10年降低了35℃;近30年来研究区内土壤的最大冻结深度呈现减薄的趋势;冻结期间（冷季）高原腹地负积温变化幅度要比边缘地区大,而在一个完整的冻融循环过程中,高原腹地相对于边缘地区稳定;近30年来高原地区冻融强度（FTI）呈现增大的趋势,这在某种程度上表明高原多年冻土区冻土的稳定性发生了变化;纬度及海拔对FTI值的影响较大,当海拔低于4000 m时,33°N南北两区域FTI值随海拔升高的减小率不同,南部减小的量是北部的2.5倍,海拔高于4000 m时,FTI值受纬度影响相对减弱。     

黄河源区玛曲土壤冻融过程中地表水热交换特征分析

土壤冻融过程显著影响地表含水量和能量收支变化。利用玛曲2017年8月至2018年7月的土壤温度/湿度、涡动观测资料以及公用陆面模式(Community Land Model,CLM)最新版本CLM5.0的模拟资料,其中冻结过程阶段的辐射和能量通量使用模式模拟的数据,通过分析土壤冻融过程中土壤温湿度、地表能量平衡各分量的时间演变特征,探讨冻融过程中地表水热交换的特征。数据分析表明：(1)土壤冻融过程包括冻结过程、完全冻结、消融过程及完全消融四个阶段,各阶段中的土壤温度/湿度、辐射和能量通量存在明显的日变化,在冻结过程和消融过程阶段,土壤湿度随土壤温度变化显示出明显的日冻融循环。(2)冻融过程通过影响表层土壤水分影响地表辐射收支和能量分配。冻融过程中土壤中的水相变为冰,改变下垫面性质影响地表辐射收支。土壤中的液态水通过相变影响地表潜热通量,完全消融(冻结)阶段,地气之间能量交换以潜热(感热)通量为主。相比于以潜热通量为主的冻结过程阶段,消融过程阶段净辐射通量逐渐增大,地气之间能量交换主要受感热通量影响。土壤中水分的昼融夜冻导致频繁的潜热通量释放影响地表热通量。土壤热通量在冻结过程(G     

多年冻土区土壤蒸散发对气候变化的敏感性分析

由于不同区域蒸散发对气候变化的敏感性各不相同,为摸清多年冻土活动层陆面过程中冻土-气候变化-水文循环之间的相互关系,选择青藏高原风火山区域的典型多年冻土区,依据气象站观测资料,应用Penman-Monteith公式计算了典型多年冻土区土壤蒸散发和蒸散发气候敏感系数,分析了多年冻土区土壤蒸散发对气候变化的敏感性。结果表明:多年冻土区土壤蒸散量对相对湿度的敏感性最高(-1. 291),其次为风速(0. 658),对空气温度的敏感性最低(0. 248);土壤完全融化的植被生长期,蒸散发对各气象因子的敏感性最高,土壤完全冻结的植被枯萎期,蒸散发对各气象因子的敏感性都最低;年内尺度,蒸散发对气温、相对湿度和风速的敏感性均在8月最高,在1月或12月最低;蒸散发对气温和相对湿度的敏感性变化与植物生长变化过程高度一致,而蒸散发对风速的敏感性则较为复杂,与土壤的冻融过程相关,分别在土壤逐渐融化的植物生长前期和土壤完全融化的植物生长期敏感性较高。     

模拟氮沉降对温带阔叶红松林地氮素净矿化量的影响

采用埋置PVC管的树脂芯方法原位测定了不同氮形态及其剂量作用下长白山阔叶红松林地0～7 cm和0～15 cm土壤氮素净氨化、净硝化和净矿化量的季节和年际变化规律.近3年的观测结果表明,对照处理不同土层氮素年净矿化量中以净氨化占主导地位,约占净矿化量的53％～72％,高剂量NO3-N的输入使该比例减少至37％～66％,而NH4-N的输入却使该比例增至86％～92％.随着模拟氮沉降量增加,土壤氮素年净矿化量也随之增加,尤其外源NH+4-N输入对净矿化量的促进作用更为明显,但随着施肥年限的延长,这种促进作用逐渐减弱.与林地0～15 cm土壤相比,氮沉降量增加对0～7 cm土壤氮素净氨化和净矿化量的促进作用更为明显,尤其是NH4Cl处理的促进作用更大.通过将实验结果与前人报道的野外原位观测整合,逐步回归分析后发现土壤氮素年净矿化量随着氮素年沉降量的增加而增大,氮沉降量对不同区域森林土壤氮素年净矿化量的贡献率约为38％;大气氮沉降量、森林有机层pH及其碳/氮比值可解释不同区域森林表层土壤氮素年净矿化量一半的变化.研究结果将利于有效预测区域林地氮素净矿化量特征及其对环境变化的响应.     

弱光层异养过程对海洋储碳的影响:进展、挑战和展望

海洋是地表系统最大的碳库和重要碳汇区。海洋生物泵通过一系列复杂的生物地球化学过程将CO₂转化成颗粒有机碳（Particulate Organic Carbon,POC）并输送到深海,是海洋储碳的重要途径。弱光层（真光层底部到1 000 m）的生物异养过程消耗了超过70%从真光层输出的POC通量,决定了生物泵的储碳效率,因此准确定量弱光层的再矿化速率对评估海洋碳汇有重要意义。本文针对海洋生物泵储碳问题,聚焦弱光层异养过程对海洋储碳的影响机制,对全球弱光层再矿化定量工作进行评述,综合分析弱光层POC的衰减、再矿化等问题,并展望了相关新技术的应用。     

面向我国碳中和、碳达峰的大气甲烷观测卫星现状与发展趋势分析

甲烷（CH₄）是辐射强迫仅次于二氧化碳（CO₂）的重要温室气体,减少CH₄排放是控制全球增温,实现碳中和目标的必要手段。面对碳中和战略需求,快速定位排放源并定量监测CH₄排放量,准确估算全球和区域CH₄源汇分布,对减排措施的制定、实施和评价均具有重要的现实意义。此外,结合长期CH₄观测数据和气候系统模型探索大气CH₄浓度变化规律,是预测和积极应对气候变化的前提。IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版正式提出了利用“自上而下”方法计算通量、核验排放清单的方法,表明获取全球范围内的高精度高时空分辨率CH₄观测数据势在必行。为了实现碳中和目标,本文首先从大气CH₄研究需解决的几个关键科学问题入手,分析了CH₄的星载探测需求,总结了CH₄星载探测的现状和发展趋势,并简要介绍了中国第二代碳卫星的设计思路。同时,星载CH₄探测还依赖于高精度的反演算法提供可靠的数据产品,以实现监测和实际应用的目的。因此,本文进一步阐述了卫星遥感CH₄反演算法及相应数据产品在排放量监测和通量反演中的应用,论述了提升反演算法计算效率和精度,开发甲烷烟羽快速识别算法和建立通量反演算法的必要性。最后,本文从探测、数据获取和应用的角度进行总结,表明了CH₄卫星观测在碳中和目标实践中的科学应用潜能。     

基于飞机观测资料的石家庄秋季对流层CH4垂直分布特征

为研究石家庄秋季对流层内CH₄垂直分布特征,2018年9月使用“空中国王350”飞机搭载Picarro温室气体在线观测仪和气象要素观测设备,对石家庄上空（600—5500 m）CH₄浓度进行探测。探测期间共飞行7架次,取得7条CH₄浓度廓线数据。结果表明: 石家庄上空近地面层（1000 m以下）CH₄平均浓度与同时间段区域背景站上甸子站CH₄浓度呈显著正相关（r=0.81,P < 0.03）。探测到的CH₄浓度最小值为1898×10^-9摩尔分数,最大值为2219×10^-9摩尔分数,平均浓度为1981×10^-9摩尔分数。观测得到的7条廓线均有较好的一致性,2000 m以上,浓度均随高度呈先增大后减小的趋势。利用后向轨迹模式（HYSPLIT）对探测时段内石家庄上空不同高度层主要气流传输路径进行统计分析表明,600 m高度输送路径较短,CH₄浓度受本地排放影响较大; 3000 m受输送作用影响较大,偏西和西南路径可能将较高CH₄浓度气团输送至石家庄上空; 5000 m气团传输对CH₄浓度影响较小,浓度相对较稳定,对传输路径的变化不敏感。     

我国瓦里关山、兴隆温室气体CO2、CH4和N2O的背景浓度

为了研究中国大陆温室性气体CO₂、CH₄和N₂O大气浓度的区域分布和变化特征以及与人类活动的关系,从1995~2000年,先后在青海瓦里关山全球大气基准站（36°18′N,100°54′E,3810 m）及河北中国科学院兴隆天文台（40°24′N,117°30′E, 940 m）,利用不锈钢瓶取样和气相色谱法分析,观测了两地大气中温室气体CO₂、CH₄和N₂O的浓度及其变化情况。结果表明:兴隆和瓦里关山站CO₂、CH₄和N₂O的同期年平均浓度分别为376.7×10-6和373.5×10-6,1886×10-9和1831×10-9,316.7×10-9和314.9×10-9。从1995~2000年,兴隆站CO₂、CH₄和N₂O的年增长率分别为1.95×10-6,9.02×10-9和0.75×10-9。而瓦里关山站从1997~2000年,CO₂、CH₄和N₂O的年增长率分别为1.41×10-6,9.95×10-9和0.82×10-9。两地大气中三种气体的浓度与年增长率与全球同类台站的观测结果接近。同时也在一定程度上反映了各自不同的环境背景特征。     

Uncertainty in Predicting the Effect of Climatic Change on the Carbon Cycling of Canadian Peatlands

Northern peatlands play an important role globally in the cycling of C, through the exchange of CO2 with the atmosphere, the emission of CH4, the production and export of dissolved organic carbon (DOC) and the storage of C. Under 2 × CO2 GCM scenarios, most Canadian peatlands will be exposed to increases in mean annual temperature ranging between 2 and 6° C and increases in mean annual precipitation of 0 to 15 %, with the most pronounced changes occurring during the winter. The increase in CO2 uptake by plants, through warmer temperatures and elevated atmospheric CO2, is likely to be offset by increased soil respiration rates in response to warmer soils and lowered water tables. CH4 emissions are likely to decrease in most peatlands because of lowered water tables, except where the peat surface adjusts to fluctuating water tables, and in permafrost, where the collapse of dry plateau and palsa will lead to increase CH4 emission. There likely will be little change in DOC production, but DOC export to water bodies will decrease as runoff decreases. The storage of C in peatlands is sensitive to all C cycle components and is difficult to predict. The challenge is to develop quantitative models capable of making these predictions for different peatlands. We present some qualitative responses, with levels of uncertainty. There will be, however, as much variation in response to climatic change within a peatland as there will be among peatland regions.     

Holocene Climate and the Development of a Subarctic Peatland near Inuvik, Northwest Territories, Canada

Multi-proxy paleoecological analyses were carried out on cores from a peatland in the continuous permafrost zone, to determine the effect of past climatic change on peatland development. Stratigraphy, bulk density and organic matter content were analyzed for eight cores from Campbell Creek peatland (69°17.3N, 133°15W). Detailed pollen and macrofossil analyses were carried out on two cores, and stable isotope analysis on one of those cores. The results indicate a succession, starting at 9000-9500 BP, from an open water mineral wetland with aquatic plants, to a fen dominated by Drepanocladus mosses and sedges, and then a change to a Sphagnum-dominated ombrotrophic vegetation typical of most of the peatland today. The beginning of the latter transition appears to coincide with the end of the early Holocene warm period. The physical stratigraphies of the other six cores indicate that a similar successional sequence occurred across the peatland, with some local variation. The transition to ombrotrophic conditions may be associated with the aggradation of permafrost in the peatland, in response to regional cooling. The effect of climate cooling on the peatland was probably indirect, through the aggradation of permafrost and associated hydrological changes.     

基于排放源的中国城市垃圾填埋场甲烷排放研究

利用全国垃圾填埋场的点源数据,基于实际调研和实验室分析建立中国不同区域、不同规模、不同填埋时间的排放因子矩阵,采用IPCC推荐的一级降解动力学（FOD）方法自下而上地核算了中国2107个垃圾填埋场在2007年的甲烷（CH₄）排放量。针对不同区域和类型的填埋场,分别就城市垃圾组分、可降解有机碳、CH₄修正因子、CH₄氧化系数、填埋场CH₄收集率等进行了深入研究。结果显示,中国2007年填埋场CH₄排放量为118.61万t,与《中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报》2005年填埋场排放量（220万t）差异较大,其主要原因是城市垃圾填埋场统计数据的差异,例如填埋场个数及垃圾填埋量。中国绝大部分填埋场CH₄年排放量在700 t以下,超过1000 t的有279个,超过1万t的仅10个。江苏省的CH₄排放量最高,达到9.87万t;西藏的排放量最小,仅为0.21万t。东部江苏、广东、浙江等省的整体排放量较高,西部地区西藏、宁夏、青海等地的排放水平较低。     

盘锦湿地芦苇群落土壤碱解氮及溶解性有机碳季节动态

基于2005年4～10月盘锦湿地芦苇群落土壤不同土层土壤碱解氮及溶解性有机碳的观测资料,分析了盘锦湿地芦苇群落土壤碱解氮与溶解性有机碳(DOC)的季节动态。结果表明:不同土层碱解氮、溶解性有机碳的季节动态并不相同。0～10 cm土层碱解氮与DOC季节动态相似,6月土壤碱解氮与DOC含量均最高,分别为244.86 mg/kg和13.16 mg/L。8月碱解氮含量最低,为139.18 mg/kg;9月DOC含量最低。10～20 cm土层DOC的季节性动态变化与表土具有相似性,峰值均出现在6月,谷值出现在9月;10～20 cm土层碱解氮最低值出现在6月,与0～10 cm土层不同。20～30 cm土层内,4～7月DOC几乎无变化,8月DOC含量最低,9月增加;4～5月碱解氮波动较大,5月降到102 mg/kg,6月增加到151 mg/kg。研究表明,盘锦湿地芦苇群落土壤微生物活性与凋落物分解对DOC及碱解氮的季节动态有很大的影响,同时温度、降水量及冻融也影响着DOC及碱解氮的季节动态。     

碳中和愿景下的污水处理厂温室气体排放情景模拟研究

污水处理厂运行过程中大量释放甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O),是重要的人为温室气体排放源.基于2005—2015年统计资料和IPCC核算方法,估算了2005—2015年中国生活污水处理厂CH4和N2O排放,分析了其排放特征和影响因素;依据碳中和愿景设定3种减排情景(低减排、中减排和高减排),并预估了2020—2050...     

供热行业碳排放基准线研究——以沈阳市为例

根据沈阳市72家供暖企业调研数据,利用IPCC温室气体清单方法核算供热企业碳排放量。结果表明：在151 d供暖期内,不同热源形式碳排放强度差异显著,小型分散锅炉房平均碳排放强度为58.25 kg CO₂/m²,区域锅炉房为53.42 kg CO₂/m²,热电联产为49.87 kg CO₂/m²,组合式热源（燃煤锅炉+热泵）为34.49 kg CO₂/m²,清洁能源为21.58 kg CO₂/m²。基于不同热源形式碳排放强度和清洁发展机制推荐的基准线确定方法,设置了实际排放、历史排放、单体容量40 t/h以上区域锅炉房排放、热电联产排放、技术水平领先前30%和40%企业排放6种基准线情景。通过各个碳排放基准线值比较,结合沈阳市的经济技术发展水平和未来碳交易市场计划,建议选择技术水平领先前40%企业排放情景下的碳排放基准值46.57 kg CO₂/m²作为沈阳市2013年供暖行业的碳排放基准线。以此基准线为起始基准线,对2014-2020年的碳排放基准线进行了预测。