08-于贵瑞-生态系统水-碳-氮通量耦合过程研究的前沿与科学问题-CERN2010年会

关键的问题：长期、持续的CO2浓度升高如何影响生态系统生产力
植物及其种群如何进化和适应？ 植物的环境条件会如何改变？
Q4：降水格局变化对陆地固碳能力的影响
森林固定 1 吨碳需要耗水 200 吨 草地固定 1 吨碳需要耗水 870 吨
3600 森林 3000 草地 农田
生态系统碳-水通量之间的耦合关系因 环境条件的改变而发生解耦现象 这种解耦现象是因为碳、水通量对环境 因子变化的不同响应机制导致的
生态系统呼吸对温 度变化的响应RE(T)
（近似指数方程）
水分平衡 养分有效性
Q3：CO2升高对陆地固碳能力的影响
内蒙古草原站
长白山森林站
CO2升高对陆地固碳能力的影响影响关键科学问题
一般知识 CO2的施肥效应可增加植物生产力 C3和C4植物的响应具有较大差异
长期以来很多研究者都在努力证明这个常识，或者将常识定量化
Q1：碳汇分布及其增汇潜力评估的不确定性
IPCC第四次评估报告 不确定量占人 为排放的 12.7% 大气中的碳储存量： 33±2亿吨C年 燃烧和水泥排放量： 63±6亿吨C/年 土地利用变化排放量：16±8亿吨C/年
区域性 陆地生 态系统 碳管理
减排 途径
增汇 途径 不确定量占 人为排放的 20.6%
【2】采用多种技术分析了中国陆地碳收支空间格局
1980-2000年中国陆地生态系统年均碳 汇 2.1亿吨 C , 相当于抵消同期能源活 动排放32.6%. 明确了1980-2000年中国农田土壤增汇 强度2000～2800万吨C/年，纠正了国 外学者的错误结论
2025 年和 2050 年中国陆地生态系统碳收支估计 （A1B 情景）
区域碳收支数据资
区域/行业/项目的碳源汇强度 计量台账系统
生态系统固碳速率和增汇潜力的计量方法
生态系统的自然(基准)固碳速率和区域收支评估方法
（1）基于生物量和土壤碳储量清查的评估方法 （2）基于生态系统通量定位观测的评估方法 （3）基于生态系统过程模型和遥感模型的评估方法
生态系统的固碳效应及其增汇潜力的计量方法
Organic C & N decomposition
Soil C & N
直接、技术简单 时间上不连续 数据积累耗时长
适于评估和预测 参数化验证难 尺度转换问题
区域碳收支的观测系统、数据资源和定量认证技术系统
大气碳浓度变化及其排放 源认证系统
陆地碳源汇时空格局和增 汇潜力认证系统
区域大气和陆地碳收支观测系统
Canopy conductance
Leaves C&N allometry Stems Roo源自文库s
Autotrophic respiration
Plant C & N Radiation, energy, and water balance
N uptake Litter C&N Heterotrophic Respiration (HR)
rl Stomate es(Tc ) ATP, NADPH Leaf Interior Light reactions
rl c
i
CO2
Dark reactions
NEP 0.1 Pg C (0.07～0.57) 植被碳库 13.74 Pg C
风蚀 ？
植被自养呼吸 2.66 Pg C
森林植被碳库( 5.852 Pg C) 草地植被碳库( 3.3 Pg C)
异养呼吸 2.84 Pg C
(1.77～3.02)
土壤有机碳库 土壤侵蚀 ? 84.86 Pg C (50～117.76) 土壤无机碳库 近海固碳 53.3 Pg C (60～77.9) 河流碳输送 0.041Pg C 0.014 Pg C
固碳速率和潜力水平与增汇潜力的基本概念
基准(现实)储碳水平 碳饱和(潜力)水平
演替过程增汇 潜力 技术措施增汇 潜力
基准储碳曲线
固碳/排放速率曲线
生态系统固碳的基准水平、潜力水平和增汇潜力的定义及其基本关系
人为措施增汇的技术途径及其可被认证的潜力 潜力 水平
增汇潜力
基准 水平
技术 途径
《京都议定书》认定的碳汇是特指在1990年之后直接由人类引起的土地利用 变化和林业(LULUCF)活动（CDM），新的认定对象是中止穷国毁林或减少 因毁林和森林退化产生的碳排放（REDD）
温带
ET/GEP
2400 1800 1200 600 0 长白山 千烟洲 鼎湖山 海北 内蒙古 当雄 禹城
亚热带
如何评估生态系统固碳的水 分消耗量？ 未来降水变化能否支撑增加 陆地碳汇的需要？
Yu et al., 2008, New Phytol.
植被-大气的水CO2和能量通量的耦合过程
Sensible heat Boundary Layer Ta ra Tc ra H2O ea ra CO2 ca Radiation
150 120 90 60 30 0 1 2 15.3 49 114
实际碳汇 潜在碳汇
6.6
新的科技任务
碳蓄积调查 碳循环过程机理解释 碳收支评价
区域碳（温室气体）管理
区域性空间格局管理 固碳和排放过程管理
减缓和适应气候变化
实现区域碳管理的三个必要条件
碳收支的计量、监测、评估、认证与核查
Reco GEP
NEP
46
91
136 181 226 271 316 361 DOY
草地生态系统. 1 内蒙古温带草原是较强碳源： 1.4±0.2 t C/ha 2. 高寒灌丛草甸为碳汇： 0.6±0.4 t C/ha 3 . 藏北高寒草甸为碳中性： -0.2±0.6 t C/ha 中国典型陆地生态系统碳收支状况
3.3 = 6.3 + 1.6 - 2.3 - 2.3
海洋生态系统净吸收量： 23±8亿吨C/年 陆地生态系统净吸收量： 23±13亿吨C/年
全球陆地每年向大气释放1.6(0.5～2.7) GTC，同时固定2.6(0.9～4.3) GTC，两者分别占石燃料燃烧和水泥工业排放CO2量的22%和36% 。

1906-2005年全球地表温度上升 0.74 (0.56-0.92) ℃
温度升高对陆地固碳能力影响研究的关键科学问题
区域格局改变 种群结构改变
生态系统光合对温度 变化的响应GPP(T)
（近似抛物线方程）
关键科学问题 生态系统光合作 用的温度响应与 生态系统呼吸的 温度响应的平衡 关系？
温度升高
区域碳收支观测和评估的方法体系
测定大气柱CO2浓度
观测站少、数据不足 空间分辨率低 估算精度差
大范围格局观测 不能全天候测定 点评估精度不高
Climate, Atmospheric CO 2, Soil, land cover … Photosynthesis
Photosynthetic capacity
（1）时间连续法+空间代替法（饱和碳储量，潜力储碳水平） （2）限制因子法（最大固碳速率，潜力储碳水平） （3）情景分析（增汇潜力）
全国或重要区域的人为增汇潜力及其效果的计量方法
（1）土地利用变化的碳汇效应计量 （2）生态工程项目和固碳技术措施的碳汇效果计量 （3）生态规划和政策情景的碳汇效果计量
长白山成熟林
800
GEP Re
内蒙温带草原
Reco GEE Re NEP GEE
CBS
F luxes (gC m-2 yr-1 )
600 400 200 0 -200 1
NEE
NEE
NEE
GEP: 13.8±1.0 Reco: 10.7±1.1 NEP: 3.0±0.4
Re GEE GEP: 2.1±1.1 内蒙古羊草草原 Reco: 3.4±0.7 NEP: 1.4±0.2
、 定 量 认 证
研 究 项 目 和 解 决 的 关 键 科 学 问 题
我国重要陆地生态系 观 统对气候变化的响应 国家973项目 和和适应样带研究 中国陆地生态系统碳循环及 其驱动机制 科学院重大项目 中国陆地和近海碳收支 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
生态系统碳-氮-水循环过程研 究的前沿与主要科学问题
于贵瑞
CERN综合研究中心 生态系统观测与模拟重点实验室 中国科学院地理科学与资源研究所
2010.12.5• 广州
报告提纲
一、我国陆地生态系统碳循环研究的 主要进展及其新的科技任务 二、生态系统碳-氮-水循环过程研究 的前沿性科学问题 三、CERN科学布局及其研究重点
【1】基于长期观测，确认了主要生态系统固碳强度
森林生态系统 1. 老龄林仍是较强碳汇 长白山：3.0±0.4 t C/ha 鼎湖山：4.4±0.7 t C/ha 2. 人工林固碳能力较强 千烟洲：4.8±0.5 t C/ha
F lu x e s (g C m -2 y r-1 ) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 1 46 91 136 181 DOY 226 271 316 361 GEP NEE Reco Re NEP GEE
生态系统 森林 草地 农田 自然湿地 总量 NPP(Tg C) Rh(Tg C) NEP(Tg C)
2025 年 2050 年
净生态系统碳交换量
净初级生产力
2025 年 2050 年 2025 年 2050 年
生态系统呼吸
土壤呼吸
1300 621 879 22 2822
1483 638 928 22 3071
2000以来碳循环领域的重大研究计划
科学院 估 国家973项目 评 碳氮水通量互作关系 碳 收 支 汇 源 森林和土壤固碳 、 认证及 全球碳收支 拟 模 型 其相关 模 科 学院气候变化与 、 生 态系统碳笃定方 理 问 题 专 向群项目 机 国家基金委重大 程 国际合作项目 过 项 CarbonEastAsia 、 国家基金委重大项目 验
1 Pg C=1015g C 能源活动(90.67%) 工业生产(9.33%) 1.514 Pg C
定量绘制了中国陆地碳循环模式图
GPP 生态系统呼吸 5.6 Pg C 5.5 Pg C
评估了我国6大造林工程的固碳能 力，2001-2050年的年均固碳强度将 在2000年基础上增加16-30亿吨 C 近20年来中国东部大部分地区碳汇在 增强，但西部大部分地区、东北和华 南部分地区碳汇在减弱。 未来50年内，林业工程的实施可望增 加林木碳贮量182~194TgC/年，净生 态系统生产力增加32~60TgC/年。
2009
实 测
2010
2011
2012 … …
主要进展

过程机制：
碳通量及碳循环

模拟分析：
碳储量和通量时空格局

增汇潜力：
评价方法和措施效益
定量评估了
中国区域典型生态系统： 中国陆地生态系统通量观测研究网络 （ChinaFLUX） 碳汇源强度、季节变化、年际变异 中国区域陆地生态系统： 过去30年碳汇变化状况、固碳潜力和未来变化
Q2：温度升高对陆地固碳能力的影响
公元1856－2005年全球地表温度变化 （相对于1961－1990年30年气候平均）
增温对碳汇影响的分歧 促进碳排放：增温产生水分胁 迫，抑制植物生长，并加速生 态系统呼吸 (Tian et al.， 1998, Nature)； 增加碳吸收：增温促进养分矿化, 植物生长加快，产生碳截存 （Cao & Woodward, 1998, Science）； 无显著变化(Keyser et al., 2000, GCB)，生态系统过程对增温 产生适应 (Luo et al., 2001, Nature; Melillo et al. 2002. Science)。
1156 609 428 10 2203
1366 656 461 11 2493
144 11 451(13)* 12
117 -17 468(8)* 11
618(181)* 578(118)*
* 括号内数值表示考虑了农作物收获移走的碳，用土壤有机碳的增减表示农田的净 碳收支
土壤有机碳储量
植被碳储量
【3】采用多种技术评估了陆地碳固定现状和潜力
各种类生态系统碳收支 不同区域碳收支 各类碳管理措施的效果、
基于碳循环过程机理的碳管理政策 国际和国内的碳市场和管理机制与法律体系
六个重要的科学问题
报告提纲
一、我国陆地生态系统碳循环研究的 主要进展及其新的科技任务 二、生态系统碳-氮-水循环过程研究 的前沿性科学问题 三、CERN科学布局及其研究重点