大型海藻江蓠(Gracilaria)栽培碳汇潜力评估及甲烷减排情景分析

大型海藻栽培碳汇是应对气候变化努力的重要组成部分,其中江蓠属(Gracilaria)的龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)、菊花心江蓠(Gracilaria lichenoides)等是中国主要栽培种类.本研究利用2011～2020年《中国渔业统计年鉴》统计的中国江蓠栽培量,提出了一种针对大型海藻净碳汇的核算方法.进而通过差分自回归移动平均模型(ARIMA)对2021～2030年中国江蓠栽培净碳汇趋势进行了预测,并运用情景分析法探讨了中国江蓠栽培固碳增汇和甲烷减排潜力.基于栽培量核算中国2011～2020年江蓠栽培净碳汇约3.21～9.24wt a-1,逐年呈快速增长趋势,因此江蓠栽培具有较大固碳增汇潜力;预测2021～2030年江蓠栽培净碳汇将稳步上升,将达7.78～19.14wt a-1,因此对“碳达峰”具有重要意义.大型海藻栽培基准情景下,江蓠栽培可形成“增汇-净水-经济”协同发展链条;利用大型海藻生产绿色饲料情景下,每吨江蓠还具有0.33～0.68吨碳(甲烷)减排潜力,可形成“增汇-净水-经济-减排”陆海统筹增汇减排协同发展链条.综上,本研究提出了一种基于...     

海岸带蓝碳的科学概念、研究方法以及在生态恢复中的应用

海岸带蓝碳广义上指盐沼湿地、红树林和海草床等海岸带高等植物以及浮游植物、藻类和贝类生物等,在自身生长和微生物的共同作用下,将大气中的CO_2吸收、转化并长期保存到海岸带底泥中的这部分碳,以及其中一部分从海岸带向近海及大洋输出的有机碳.海岸带蓝碳单位面积的固碳能力远大于陆地碳库.盐沼湿地、红树林、海草床、渔业碳汇和微型生物碳泵等5类海岸带碳汇需要进一步研究其固碳机理和调控因子.海岸带蓝碳的定量研究方法包括碳收支的监测、模拟实验和模型研究.我们可以通过恢复、保护和增加这些碳汇来获取新增碳汇,从而得到碳积分,进而通过市场机制推动生态保护和恢复.针对全球应对气候变化的迫切需求以及中国固碳减排的承诺,我们应加强海岸带蓝碳的科学和政策研究.利用蓝碳原理,保护和恢复盐沼湿地、红树林、海草床,增进微型生物碳泵的储碳功能,并建设可持续性海洋牧场等重要海岸带生态系统.     

从海洋碳汇前沿理论到海洋负排放中国方案

海洋是地球上最大的活跃碳库,对调节气候变化发挥着无可替代的作用.文章从全球气候变化的视角,厘清"蓝碳""海洋碳汇""海洋负排放"等概念的科学内涵和实用意义,回顾我国在海洋生物储碳过程机制方面的科学成就及其对该领域国际发展趋势的影响,展望我国领衔海洋负排放国际大科学计划、积极参与全球治理、支撑碳中和战略的前景.     

中国近海养殖环境碳汇形成过程与机制

中国是世界上海水养殖规模最大的国家,通过开展近海养殖增加海洋碳汇(亦称蓝碳)是应对全球气候变化和促进低碳发展的一条新的科学途径.蓝碳是"蓝色粮仓"建设的重要内容之一,通过提高贝藻等的养殖产量,增加可移出的碳汇,是近海蓝碳开发的一部分.而微型生物蓝碳、溶解有机碳(主要指惰性溶解有机碳)、颗粒碳的沉积等都是养殖碳汇的重要组成部分,是以往被遗漏的碳汇部分.从不同角度全面揭示近海养殖环境的碳汇形成过程与机制,科学评估近海养殖碳汇功能,不仅可为渔业经济可持续发展和生态文明建设提供重要的理论与技术支撑,并可能在未来碳市场中创造新的经济价值.     

实施海洋负排放践行碳中和战略

碳中和是应对气候变化的必由之路,海洋负排放是实现碳中和的重要途径.文章提出海洋负排放相关的八个基本路径,包括陆海统筹减排增汇、海洋缺氧酸化环境减排增汇、滨海湿地减排增汇、养殖环境减排增汇、珊瑚礁生态系统减排增汇、海洋地质碳封存、海洋碳汇核查技术体系,以及海洋碳汇交易体系和量化生态补偿机制等;旨在抛砖引玉,引发研讨、推动...     

土壤微生物碳泵储碳机制概论

土壤有机碳储量高于大气和陆地植被碳的总和,是一个巨大的陆地碳库.土壤碳库收支的微小波动势必影响区域碳通量和全球气候变化.土壤有机碳是土壤储碳机制的核心要素,探究土壤有机碳的组成、来源和稳定性机制是深入认识陆地碳汇功能和应对气候变化的关键.近年来提出的土壤微生物碳泵(microbial carbon pump,MCP)概...     

21世纪中国陆地生态系统与大气碳交换的预测研究

利用大气-植被相互作用模型（AVIM2）模拟研究了中国陆地生态系统碳贮量的变化和与大气的碳交换,即生态系统的净初级生产力（NPP）、植被和土壤碳贮量、土壤呼吸和净生态系统生产力（NEP）对SRES B2气候变化情景和大气CO2浓度变化情景的响应。研究表明,未来100a大气CO2浓度不变而只考虑气候变化情景时,中国陆地生态系统NPP总量随时间变化逐渐下降;与此同时,植被和土壤碳总量以及NEP总量也下降。至2020年,中国陆地生态系统由21世纪初的碳汇变成碳源。在同时考虑未来气候变化和大气二氧化碳浓度增加的情景下,未来100a中国陆地生态系统NPP总量持续增长,由20世纪末的2.94Gt C·a^-1增加到21世纪末的3.99Gt C·a^-1,同时土壤和植被碳贮量也持续增加,到21世纪末总量增大到110.3Gt C.NEP总量在21世纪初期和中期保持上升趋势,大约在2050年达到最大值,之后逐渐下降,到21世纪末接近于零。     

近海生态系统碳汇过程、调控机制及增汇模式

海洋是地球上最大的碳库,发挥着全球气候变化"缓冲器"的作用.蓝色碳汇,简称"蓝碳",即由海洋生态系统捕获的碳(主要是有机碳),是海洋储碳的重要机制之一.蓝碳最初认识的形式是可见的海岸带植物固碳.其实之前没有得到足够重视的、看不见的微型生物(浮游植物、细菌、古菌、病毒、原生动物)占海洋生物量9 0%以上,是蓝碳的主要贡献者.中国陆架边缘海占国土总面积的1/3,碳汇潜力巨大,亟待研发.本文以近海生态系统碳汇过程、调控机制及增汇模式为主线,论述了近海生态系统结构与碳循环功能特征、碳汇形成过程与机理,并结合近海碳汇在沉积记录中的地史过程演变探讨了自然过程和人类活动对碳汇的可能影响,展望了碳汇工程在增加近海海洋储碳能力方面的应用前景.     

1981~2000年中国陆地净生态系统生产力空间格局及其变化

中国地域辽阔, 跨越多个气候带, 生态环境条件复杂多样, 因此研究其生态系统碳循环的空间格局及其对气候变化的响应有十分重要的意义. 应用高分辨率的气候数据库和生态系统过程模型估计了1981~2000年期间中国陆地净生态系统生产力 (Net Ecosystem Productivity, NEP)的时空变化, 分析了中国陆地碳汇的地域分布及其对气候变化的响应. 结果表明, NEP的20年平均值呈现北方高南方低、中部和西南地区高、东南地区低的格局; NEP正值(碳吸收)主要在西南地区西部、藏东南、三江平原、大兴安岭以及华北中西部, NEP负值(碳释放)主要在华中、西南南部、新疆北部、内蒙西北部、华北平原一些地区. 从20世纪80年代到90年代, 东北平原中部和黄土高原的NEP有明显的下降趋势, 而在华中大部分地区有增加趋势. 研究时段内中国森林生态系统的碳吸收不明显, 其在20世纪80年代是一个碳源, 但在90年代转为一个碳汇; 草地和灌丛由于面积广阔, 其碳吸收量占整个中国陆地生态系统碳吸收总量的近四分之三.     

地球的“空调”——森林

正2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和(简称"双碳"目标)是我国在应对气候变化方面向世界作出的庄严承诺,也是我国生态文明建设的内在要求。森林在应对气候变化方面具有特殊作用,提升森林固碳增汇能力是实现碳达峰和碳中和的重要途径,也是人与自然和谐发展的必然选择。我们在制定碳达峰、碳中和的路线图和时间表时,需要考虑森林在应对气候变化方面的特殊性,充分发挥森林固碳增汇作用。     

极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响

近年来,极端气候事件发生频率增加,对陆地生态系统服务功能和人类社会生产生活造成严重影响.碳循环是驱动陆地生态系统变化的关键过程.准确理解和评估极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响,能为人类社会减缓和适应气候变化提供重要科学依据.文章以干旱、极端降水、极端高温和极端低温为例,系统总结了极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响及其机理.已有研究表明,干旱是当前陆地生态系统碳汇功能的重要胁迫因子,对生态系统生产力和呼吸都存在压制作用,但生产力对干旱的敏感性一般高于呼吸对干旱的敏感性,从而导致陆地生态系统碳汇功能显著削弱,甚至使之变成碳源.不同模型对干旱导致的碳循环变化模拟结果差异很大,显示目前学术界对生态系统碳循环响应干旱机制的认知有限,尤其是干旱对热带植被生长的影响机制仍存在较大争议.极端降水事件对生态系统碳循环的影响存在显著区域差异,一般认为,极端降水促进干旱地区生态系统碳积累,却不利于湿润地区生态系统固碳;但目前对极端降水导致的土壤碳侧向输移和土壤养分流失等间接影响过程的了解十分有限,致使结果存在很大不确定性.极端高温和极端低温也通过不同的机制过程影响生态系统碳循环,尤其值得注意的是其影响程度与这些事件的发生时间存在密切关系,但这一联系还有待进一步研究.基于已有认识,建议未来关于极端气候事件对碳循环影响的研究重点应该是关注其长期效应和不同时间尺度上的作用机理,并加强基于多数据、多途径的多尺度集成研究.     

海岸带蓝碳研究及其展望

海岸带蓝碳是海洋碳汇的重要组成部分,在应对全球气候变化中具有十分重要的作用.通过系统调研,综述了海岸带蓝碳的组成、碳通量及其影响因素.针对海岸带蓝碳组成,重点阐述了红树林、盐沼和海草床这三种海岸带地区最具固碳效率生态系统的有机碳捕获与埋藏特征.在此基础上,从海岸带地区的水-气、土-气、地下水(孔隙水)向上交换的垂直界面,以及河口-(潮滩)湿地-近海的陆海水平界面两个维度分析了海岸带系统中不同形态碳的交换、输送过程及其通量,探讨了海岸带碳库收支对全球碳循环的影响.同时,结合海岸带人类活动特点以及对气候变化的响应规律,提出当前中国海岸带地区的蓝碳和碳汇功能正在经受着新一轮沿海土地开发、流域筑坝建库、近海富营养化及海平面上升等系列复杂因素的剧烈作用.因此,要充分结合中国海岸带地区的自然与社会属性特点,以陆海统筹为指导,进一步深化海岸带蓝碳研究,提高对不同区域及海岸带类型的固碳效率、碳库总量和生物地球化学循环过程的认识,建立和完善固碳增汇技术体系,构建海岸带蓝碳系统的综合观测网络与管理平台,服务于中国海岸带地区的蓝碳保护和生态文明建设.     

基于全球涡度相关的森林碳交换的时空格局

森林碳交换的时空格局及其驱动机制是陆地生态系统碳循环研究的核心内容,是建立和校验生态系统碳循环模型、评价和预测森林在全球碳平衡中作用的基础．近10a来,涡度相关（EC）技术的快速发展已经在陆地生态系统与大气圈的能量和物质交换领域做出了卓越的贡献．在整合全球通量观测网络（FLUXNET）及各区域通量观测网络中森林站点已发表的EC测定数据的基础上,分析了森林碳交换组分——净生态系统生产力（NEP）、总初级生产力（GPP）和总生态系统呼吸（TER）的时空格局及其驱动因素．从全球尺度看,森林NEP具有明显的纬度格局,受TER和GPP联合控制,其值从大到小依次为：暖温带森林〉寒温带和热带雨林〉北方森林和亚高山森林．在气候因素中,年均温（MAT）对森林碳交换的影响大于年降水量（sAP）的作用．随MAT升高,GPP呈线性增加,而TER则呈指数式上升,从而使NEP在MAT超出20℃的阈值之后开始下降．SAP小于1500mm时,GPP,TER和NEP的变异性很大,但均呈现随SAP增加而升高的趋势．森林碳交换的时间动态及其影响因子因时间尺度而异．NEP具有明显的年际变化,主要是由于气候波动和碳交换组分对环境变化响应的不同步性引起的．在更长的时间尺度上,碳交换具有明显的林龄效应．随森林的发育进程,一般表现为：森林采伐初期为碳源,当相对林龄（即实际林龄与轮伐期年龄的比值）达到0.3左右时由碳源转变为碳汇,近熟林或成熟林的碳汇强度达到最大．这一格局与叶面积指数和相应的GPP变化相关．研究结果突出了碳交换组分的时空动态在森林碳循环研究中的重要性,并建议全球碳平衡研究中除了考虑森林类型之外还应兼顾森林碳交换的年际变化和林龄效应．     

长白山森林生态系统CO_2和水热通量的模拟研究

以基于过程的BEPS模型为基础,根据长白山温带阔叶红松林生态系统的生态过程机制,建立了能够描述半小时尺度生态系统通量日变化的模拟模型BEPS.应用该模型对2003年长白山温带阔叶红松林生长季内的CO2和水热通量的模拟结果表明:模型模拟的净生态系统生产力(NEP),潜热通量(LE),显热通量(Hs)与涡度相关系统的实测数据相关性较好,R2值分别达到0.68,0.75,0.71.模拟的长白山温带阔叶红松林生态系统的年累积NEP为300.5gC·m?2,与实测值也非常接近,说明应用该模型可以较好地模拟长白山温带阔叶红松林生态系统的CO2,水和热量交换过程.根据模型对不同气候变化情景下的NEP和蒸散(ET)的分析得出:长白山温带阔叶红松林生态系统的NEP对气候变化比较敏感,在气候变暖条件下该生态系统的碳汇功能可能会减弱.此外,作为基于过程的模型,BEPS对最大羧化速率(Vcmax)和最大气孔导度(gmax)等植物生理生态特征参数的变化反应也比较敏感.     

热带季节雨林碳通量年变化特征及影响因子初探

为深入分析西双版纳热带季节雨林碳通量年变化特征及其与各种因子的关系,通过西双版纳主要自然生态系统(热带季节雨林)2003～2004年林冠-大气间和近地层的碳通量以及不同覆盖状况下的地表碳通量(土壤呼吸)的长期观测,并结合植物光合作用、叶面积指数、凋落物和凋落物分解速率以及温度、辐射等常规气象的测定,对热带季节雨林碳通量的年变化特征及其影响因子进行了综合的分析与研究.结果表明热带季节雨林的碳通量表现出和其它热带雨林不同的特征,在干季(11～4月)的林冠-大气间碳通量为负值,森林生态系统呈现碳汇效应;而在雨季(5～10月)表现出较弱的碳源效应;森林生态系统碳通量具有明显的日变化特征,在白天呈现碳汇效应,而夜间为碳源效应,并且干季昼间碳通量较大;雨季较小;夜间则呈现相反趋势.林冠植物在昼间具有较强的光合作用,对昼间林冠-大气间碳通量有较大的贡献;林冠和植物林内低矮植物的光合速率均与林冠-大气间碳通量有显著的相关关系,而林内低矮植物的光合速率与林内近地层碳通量仅在于热季存在显著的相关关系.林内不同覆盖状态的地表碳通量具有明显的季节变化;林冠-大气间碳通量与地表碳通量同样具有较好的相关性,地表碳通量是导致热带季节雨林生态系统碳通量呈现特殊分布的主要因子;另外,林冠-大气间碳通量与凋落物量、凋落物分解速率、降水量、土壤含水率和土壤温度均表现出较好的相关性.初步的统计表明,西双版纳热带季节雨林林冠-大气间碳通量在不同季节呈现不同的汇/源效应,在总体上表现为一个较弱的碳汇.     

中国森林生态系统碳周转时间的空间格局

森林生态系统持续的碳吸收能力在很大程度上取决于净初级生产力(NPP)的增长趋势及生态系统碳周转的时间,因此,获取生态系统碳周转时间的空间分布格局是有效评估生态系统碳汇潜力的基础.本研究采用数据-模型融合方法,基于区域生态系统碳循环过程模型(TECO-R),结合生态系统观测数据(NPP、生物量及土壤有机碳)、遥感数据(NDVI)及气象、植被与土壤等辅助空间数据,利用遗传算法(Genetic Algorithm)反演了中国森林生态系统各碳库的周转时间及分配系数,并在此基础上估算了平衡状态下森林生态系统碳周转时间的空间分布格局.研究结果表明:数据-模型融合技术能有效地反演中国森林生态系统碳循环过程模型中的关键参数,从而很好地模拟中国森林生态系统的碳循环过程;反演的中国森林生态系统的碳周转时间在空间上存在很大的异质性,其值大多介于24～70年之间;不同森林类型的统计结果表明,落叶针叶林与常绿针叶林的平均周转时间最大(分别为73.8与71.3年),其次是混交林与落叶阔叶林(38.1与37.3年),而常绿阔叶林的值最小(31.7年);从全国尺度看,中国各种森林生态系统总的碳周转时间的均值为57.8年.     

中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的研究进展及其发展思路

涡度相关技术经过长期的理论发展和技术进步,已经成为直接测定陆地生态系统与大气间的CO2和水热通量的重要方法.随着涡度相关通量观测在全球范围内的广泛开展,各区域、国家以及国际通量观测研究网络(FLUXNET)也应运而生.在过去10年里,通量观测研究在探讨全球陆地生态系统碳循环和水循环过程及环境控制机理、揭示陆地生态系统碳收支的时空格局、寻找"未知碳汇"等方面取得了显著的成果,也为资源、生态和环境等科学领域的国际交流创造了理想的合作研究平台.随着通量观测研究的不断深入,今后国际通量界将加强引进和开发新的观测技术,扩展通量观测的应用领域,尝试运用通量观测数据来协助研究有关生物地理学、生物地球化学、生态水文学、气象/气候学、遥感和全球碳循环模型等领域的科学问题.中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)是FLUXNET的重要组成部分,经过3年多的连续观测和研究已在涡度相关通量观测技术和方法、典型陆地生态系统碳水交换过程及其环境响应机理、生态系统碳水通量模型开发等方面取得了一系列重要进展.研究发现中国的主要森林生态系统在2003～2005年度都为大气CO2的汇,青藏高原上的高寒草甸生态系统也表现为较弱的碳汇,而封育的内蒙古半干旱羊草草原却表现为弱的碳源;在大的空间尺度上,温度和水分是决定陆地生态系统碳收支的关键环境因子.ChinaFLUX的发展思路拟以典型生态系统通量的联网观测与陆地样带研究相结合为技术途径,开展多尺度、多过程、多途径、多学科的综合集成观测,重点探讨生态系统的水、碳、氮循环过程机理及其耦合关系.     

基于农户个体行为的珠江流域氮、磷营养盐控制政策情景分析

为揭示农户个体行为与流域农业非点源营养盐产生和控制政策之间的逻辑关系,以珠江流域为研究对象,采用系统动力学模型与多主体农户和农村环境管理模型耦合构建流域营养盐污染控制政策的情景分析方法,基于农户在化肥税和农药税组合型政策下的生产行为设计了基准情景、低化肥税情景、中化肥税情景和高化肥税情景4种具有代表性的情景方案,并在各种情景下定量描述流域营养盐对农业政策的响应和评估流域营养盐控制的优选政策方案.结果显示:从农业投入和产出的角度看,2030年低化肥税情景、中化肥税情景和高化肥税情景的化肥施用量相对基准情景分别减少了24.0%、39.8%和50.2%,农药使用量分别减少了27.6%、32.8%和37.4%,农作物产量分别减少了10.0%、16.3%和21.2%,畜禽养殖量分别增加了5.9%、7.5%和14.0%;2030年,基准情景、低化肥税情景、中化肥税情景和高化肥税情景的总氮入河量分别达到94.5、85.1、78.5和75.3万t,总磷入河量分别达到14.0、12.8、12.0和11.6万t;化肥税和农药税的组合型政策能够有效减少营养盐污染量,然而,中化肥税情景和高化肥税情景比低化肥税情景的边际效果小、经济成本高、农作物产出低和畜禽污染高,故低化肥税情景被认为是控制珠江流域营养盐污染的最优方案.     

1981~2000年中国陆地植被碳汇的估算

用森林和草场资源清查资料、农业统计、气候等地面观测资料, 以及卫星遥感数据, 并参考国外的研究结果, 对1981~2000年间中国森林、草地、灌草丛以及农作物等陆地植被的碳汇进行了估算, 并对土壤碳汇进行了讨论. 主要结论如下: (1) 中国森林面积(郁闭度为20%)由1980年初的116.5×10⁶ ha, 增加到2000年初的142.8×10⁶ ha; 森林总碳库由4.3 Pg C (1 Pg C = 10¹⁵ g C)增加到5.9 Pg C; 平均碳密度由36.9 Mg C/ha (1 Mg C = 10⁶ g C)增加到41.0 Mg C/ha; 年均碳汇为0.075 Pg C/a. 中国草地面积约为331×10⁶ ha, 总碳库1.15 Pg C, 总碳密度3.46 t C/ha, 年均碳汇0.007 Pg C/a. 中国灌草丛的面积为178×10⁶ ha; 年均碳汇为0.014~0.024 Pg C/a. 中国农作物的生物量按0.0125~0.0143 Pg C/a的速率增加. (2) 在1981~2000年间, 中国陆地植被年均总碳汇为0.096~0.10⁶ Pg C/a, 相当于同期中国工业CO2排放量的14.6%~16.1%. 利用国外结果对中国土壤碳汇进行了概算, 为0.04~0.07 Pg C/a. 因此, 中国陆地生态系统的总碳汇(植被和土壤)将相当于同期中国工业CO2排放量的20.8%~26.8%. (3) 文中的碳汇估算存在很大的不确定性, 尤其是对土壤碳汇的估算. 为此, 需要进行更为深入、细致的研究.     

季风常绿阔叶林恢复演替系列地下部分碳平衡及累积速率

在对亚热带顶极森林生态系统-季风常绿阔叶林及其自然恢复演替系列-针阔叶混交林和马尾松林的土壤有机质、凋落物与粗死木输入量和现存量以及水文学过程中可溶性有机碳长期定位监测的基础上, 结合5年一次的根系生物量动态观测资料和1年的土壤呼吸与凋落物+粗死木呼吸测定, 得到了该恢复系列地下部分碳平衡和累积速率及其时间动态变化. 结果如下: 季风常绿阔叶林、针阔叶混交林和马尾松林2002年地下部分碳库分别为23191 ± 2538, 16889 ± 1936 和12680 ± 1854 g·m^-2. 从1978年到2002年的24年间, 碳的年平均增长速度分别为383 ± 97, 193 ± 85和213 ± 86 g·m^-2·a^-1. 3个森林类型全年都表现出碳的净增长态势, 即相对于大气来说, 3个森林类型的地下部分总体上是碳汇, 但季节上有差异, 表现在每年的4~6月份是较强的碳源, 7~9月份是较弱的碳源; 10~11月份是较强的碳汇, 12~3月份是较弱的碳汇.