陆地生态系统碳循环的多尺度试验观测和跨尺度机理模拟

准确估计陆地碳汇时空变化是预测气候变化和执行温室气体控制协议的基础.近10年来,以大型试验环境控制、涡度相关测定和定量遥感为代表的新技术手段的应用推动了多尺度生态观测网络的建立,获得和积累了大量有关陆地生态系统碳循环变化的数据.但是这些高强度和多尺度观测并没有显著降低对陆地碳汇及其变化估计和机理认识的不确定性.其主要原因是这些观测主要是在各个尺度上分别进行的,而生态系统碳循环变化取决于从生物个体的短期反应到区域生态系统格局长期变化各个尺度过程的相互作用.试验和观测总是在特定尺度上进行的,认识和定量表达跨尺度相互作用需要应用机理模拟的方法.但是,现有的生态机理模型以单一尺度试验观测数据为基础,不能现实地模拟生态系统大尺度格局、结构和过程对环境变化的动态响应和适应.估计和预测由多尺度过程相互作用决定的陆地碳汇变化要求构建新的生态系统理论框架和机理模型,集成和定量表达从生理生态过程响应到生态系统格局适应性变化的传递机理和非平衡生态系统演替机制.多尺度数据-模型融合(Data-modelfusion)是近年来发展起来的生态系统碳循环研究的新方法,它包括应用多尺度观测数据建立跨尺度机理模拟模型;应用多种观测数据在不同尺度上对模型进行检验和验证;应用动态观     

中国通量观测网络(ChinaFLUX)能量平衡闭合状况的评价

涡度相关观测网络能够对生态系统的水碳通量及其气候背景资料进行长期观测,能量平衡闭合状况作为通量观测数据评价的一个重要参考指标,备受通量界研究者的重视.本研究运用OLS(OrdinaryLeastSquares)、RMA(ReducedMajorAxis)、EBR(EnergyBalanceRatio)和δ频率分布四种统计方法对湍流通量(显热和潜热)与有效能量(净辐射、土壤热通量、冠层热储量)的关系进行了分析,对ChinaFLUX各站点的能量平衡闭合状况进行了综合评价,给出了能量平衡闭合程度日变化和季节变化趋势.研究结果表明各站点能量平衡都没有完全闭合,但因站点的条件不同,其不闭合程度略有差异;在夜间不闭合的程度比白天更加明显;闭合程度随摩擦风速的增大而有所改善.总体来说,在现有通量观测系统中,显热和潜热湍流通量往往会被低估,而有效能量项则会被高估.最后讨论了通量观测中的采样误差、仪器测量可能产生的系统偏差、其他能量吸收项的作用、高频与低频湍流通量损失以及平流作用对能量平衡闭合状况的影响.     

冠层尺度的生态系统光合-蒸腾耦合模型研究

对叶片尺度上的气孔导度-光合-蒸腾耦合模型(SMPT-SB)在冠层尺度上进行了扩展,探讨了模型的参数化方法,建立了冠层尺度上的生态系统光合-蒸腾耦合模型.并用中国通量观测网络(ChinaFLUX)长白山站的涡度相关观测数据对模型进行了验证.结果表明,冠层气孔内部导度gic可以通过单叶气孔内部导度与光合有效辐射的关系,通过模拟冠层内的光分布再对冠层进行积分实现由单叶向冠层的尺度转换.在无水分胁迫情况下,该模型在冠层尺度上对光合速率具有很高的模拟能力,模拟值与观测值的直线回归方程斜率为0.7977,R2=0.8892(n=752),平均绝对误差为3.78μmolCO2·m?2·s?1;蒸腾速率的模拟值和观测值直线回归方程的斜率为0.7314,R2=0.4355(n=752),平均绝对误差为1.60mmolH2O·m?2·s?1.同时分析结果表明,降水过程是影响蒸腾速率模拟效果的最直接原因.本模型将冠层作为一个整体,而忽略了冠层内部复杂的反馈机制,探讨了整个冠层光合和蒸腾与外部环境条件之间的关系,与传统的基于植物生理生态学过程模型,相比本模型简单且易于求解,便于应用.可以将其作为构建土壤-植被-大气连续体水碳耦合模型的基础模型.     

遥感在土壤碳储量估算中的应用

土壤碳库是陆地生态系统碳库的主体,在全球碳平衡中具有重要作用。从20世纪70年代早期Landsat-MSS数据的使用开始,各种传感器的卫星多光谱测量开始广泛应用于土壤调查中。首先,分析了利用遥感方法估算土壤碳储量的可行性。之后,系统分析总结了国内外在土壤碳储量研究中的常用遥感方法,即遥感影像直接估算法、植被指数法和光谱测定分析法。最后,对遥感在土壤碳储量估算研究中的发展趋势做出展望。     

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．     

中国陆地生态系统的碳储量及其空间格局(英文)

地球系统的碳库变化和碳循环过程机制是气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策的科学基础,受到科技界和国际社会的广泛关注。从20世纪80年代中后期开始,中国学者就开展了陆地生态系统碳循环研究工作,并且在许多研究领域都取得了可喜的进展。本文在回顾中国的陆地生态系统碳循环研究发展历程基础上,重点评述陆地生态系统的碳储量及其空间格局方面的研究成果,评价有关研究的不确定性以及亟待解决的重要科学问题。分析表明,中国的陆地生态系统碳循环研究经过了陆地生态系统碳循环的前期研究、区域尺度生态系统碳循环综合研究、生态系统碳循环过程对环境变化适应性实验研究,以及生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理研究4个主要发展阶段。大多的研究表明,中国陆地生态系统碳储量及其空间格局是温度和降水控制的。全国土壤、森林和草地植被储存约为97.95 —118.93 Pg C;自20世纪70年代中期以来,我国的植树造林和林业管理、草地保护、农作制度改革和保护性耕作等措施发挥了重要的固碳功能,但是各种方法评估的结果仍然存在较大不确定性。今后的研究重点工作是建立天地空一体化碳储量和碳汇动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国区域生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

西双版纳热带季节雨林的C贮量及其分配格局

利用已有生物量模型（乔木层、木质藤本）和收获法（灌木层、草本层）获得群落生物量，结合土壤、植物样品C含量的实测值。对西双版纳热带季节雨林1hm^2样地的C贮量及其分配格局进行了分析。结果表明：（1）西双版纳热带季节雨林生态系统的总C贮量为220．492t／hm^2，其中植物活体部分为128．099t／hm^2、土壤为81．85t／hm^2、粗死木质残体为5．708t／hm^2、凋落物为4．835t／hm^2。（2）群落植物活体C贮量的层次分配以乔木层占绝对优势（97．23％），其他层次所占的比例很小，层次分配的大小顺序为：乔木层〉灌木层〉木质藤本〉草本层。（3）乔木层的C贮量随径级而变化，并在30cm〈DBH≤40cm、70cm〈DBH≤80cm及DBH〉100cm范围内形成三个C贮量高峰。（4）乔木的总C贮量集中分布于少数优势树种中。其中绒毛番龙眼（Pometia tomentosa）的C贮量占乔木层的24．70％。西双版纳热带季节雨林的植被C贮量远高于全国平均水平。     

区域尺度陆地生态系统碳收支评估方法及其不确定性

定量评估区域和不同类型生态系统的碳收支,可以为科学预测气候变化、服务于减缓和适应气候变化的区域碳管理提供科学依据,是生态系统与全球变化科学研究的重要科技问题.虽然区域碳收支的定量评估和认证还很难用当前的各种直接观测和评估方法来精确实现,但是,近年来这方面做了很多研究工作,也取得了一定进展.为此,本文综述了陆地生态系统碳...     

中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的主要进展及发展展望

基于微气象学理论的涡度相关通量观测技术实现了对生态系统尺度的生产力、能量平衡和温室气体交换等功能和过程的直接测定,特别是全球尺度通量塔观测网络的联合观测是实现从生态现象观察和生态要素观测跨越到全球尺度生态系统功能状态变化观测的重大突破。本文回顾了中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的创建及发展历程,系统介绍了ChinaFLUX的科学目标和设计理念、观测技术体系、观测数据的标准化处理及长期积累;综合评述了ChinaFLUX在陆地生态系统碳—氮—水的收支评估和交换过程的环境响应、碳通量时空格局及其形成机制等方面所取得的主要研究进展。最后,在探讨未来全球尺度通量塔观测网络发展趋势的基础上,提出了ChinaFLUX的主要发展方向、关键科学问题与未来工作重点,为中国通量观测研究事业的进一步发展提供理论参考。     

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.