关于中国陆地生态系统碳循环研究的几点思考
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由于陆地生态系统的复杂性, 仅 根据若干 个点的碳循 环 测定结果远不足以阐明整个系统对全球 的作用, 而目前我 们 还难以作大范围的野 外测定。因此, 建立一个受气候、土壤、 生物 和人类活动综合影 响的 生态 系统模 型并 用以研 究陆 地
生态系统碳循环尤为重要, 这也是客 观估计中 国陆地生态 系 统碳循环过程中 CO2 源P汇 强度的时空分布 特征及 对全球 碳 循环作用的一条有效途径。近十多年来, 国际 上在陆地生 态 系统模型(TEM, Terrestrial Ecosystem Model) 的研制并用以研究 陆地生态系统碳循环方面作了大量的工 作, 但 大部分研究 对 象集中在自然植被生态系 统[21- 23] 。我国在 自然植 被净第 一 生产力估计模型[12- 13] 和稻田 CH4 排 放模型[ 24- 25] 方面作了不 少的研究, 但关于陆地生态系统碳循环 的模型尚未问世。
征, 表现出很强 的季节 性气 候响 应特征。 同时, 这一 区域 分 布面 积广, 植被和土 壤有 机碳 储量大, 对 全球 碳循环 以及 大 气 CO2 的季节波动具有及 其重要的影响, 因而 必须着重关 注 该区陆地生态系统 碳循环 的时 空变 化特征。 而中国 农业 管 理( 种植制度、耕作 方式、作物 类型、播 种期、收获 期、肥水 管 理等) 的复杂 多样 也 使研 究农 田 生态 系统 碳 循环 具有 挑 战 性。
21 世纪青年学者论坛
关于中国陆地生态系统碳循环 X 研究的几点思考
教授、博导 黄 耀
( 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029)
摘 要: 碳循环是全球变化研究中的一个重要组成部分, 全球碳源和碳汇之间的不平衡使得对陆地 生态系统碳循环的研究变得日趋重要。本文对目前国际有关碳循环研究方面的进展作了简单介 绍, 并就我国进行陆地生态系统碳循环研究需回答的科学问题及方法论进行了阐述。
31 系统模型 ) 地理信息系统 ) 遥感技术集成 地理信息 系 统( GIS) 是 一 项 以计 算 机为 基 础 的新 兴 技 术, 围绕这项技术的研究、开发和应用形 成了一门交 叉性、边 缘性 的学科, 是管理 和研 究空 间数据 的技 术系统, 在 计算 机 软硬件支持下, 它可以对空间数据按 地理坐标 或空间位置 进 行各 种处理、对数据 的有 效管 理、研究各 种空 间实体 及相 互 关系 。通过对 多因素的综合分析, 它 可以迅速 地获取满足 应 用需 要的信息, 并能 以地 图、图形 或数据 的形 式表示 处理 的
一般而言, 建立 陆地生 态系 统模型 的基 本目 的有 两个: 科学研究与实际应用。就科学研究的目 的而言, 模型的建 立 是对原假设( 理论) 的检验, 如果所建 模型能恰 当地描述给 定 系统的有关过程, 则认为原假设( 理论) 是合理 的; 反 之, 则 需 对原 假设( 理 论) 进 行 更深 入的 研 究, 从而 推 动该 领域 的 发 展。从实际应用的目的来看, 需要应 用所建模 型对给定系 统 进行预测和科学管理。利用有效的实验( 试验) 数据, 对所 建 模型进行检验是模型研究过程和建立模 型提供基本 数据, 系 统模拟给出该过程的理论表达, 而系 统预测则 给出该过程 的 演变趋势。
关键词: 全球变化 碳循环 陆地生态系统 中国
Considerations on Carbon Cycling in China Terrestrial Ecosystem
Professor HUANG Yao
( Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085)
p 中国陆地 生态 系统 碳循环 的空 间分布 特征。 以我 国 森林生态系统、农 田生态 系统 和草原 生态 系统为 主要 对象, 研究各系统植被净初组生产力( NPP) 的区域分布 特征和土 壤 CO2 及 CH4 排放通量的区域分布特征。
p 中国陆地 生态 系统 碳循环 的时 间分布 特征。 研究 中 国陆地生态系统碳循环过程中 CO2 源P汇强 度的季 节分布 特 征和年际间变化特征。
11 以系统论为指导 一般系统论认为, 所有系统是由 若干要素以 一定结构 形 式联结构成的具有某种功能的有机整体, 其共同 特征是系 统 的整体性、关联 性、等级 结构性、动 态平衡性和时序性。系 统 论的核心思想是系统的整体性, 其基 本任务不仅 在于认识 系 统的特点和 规律, 更重要 的是 利用这 些特 点和规 律去 控制、 管理和改造一个系统, 使它的存在与 演替合乎人 类社会发 展 的需要。 从系统论的基本观点来分析, 陆 地生态系统 的基本要 素 是环境( 气候和土壤) 、生物和人类 活动, 各要素间相 互联系。 同时, 该系统内层次结构分明( 如植被类型 可分为森 林、草 原 和农业等, 而森林 植被又 可分 为热 带雨林、常 绿阔 叶林等 ) , 各子系统间碳元 素的 交换、转化 和迁 移过 程是动 态的, 并 表 现出明显的时间变 化特征。 对这些 过程 的研 究必须 具备 物 理、化学、数 学、生态 学、植 物 学、植 物 生理 学、土 壤 学、气 象 学、环境学等专 门学科 的基 本理论 。因此, 陆地 生态 系统 碳 循环的研究必须从系统论的观点出发, 充分强调 系统的整 体 性及多学科的交叉与协作。 21 实验测定与系统模拟相结合 实验测定为系统研究提供第一手资料 , 它包 括野外测 定 和实验室分析测定。在过去的十多年中, 中国科 学院大气 物 理所、沈阳应用生态所和南京土壤所等单位在 稻田 CH4 排 放 通量方面已作了很多系统的测定, 积 累了极其宝 贵的资料 和 丰富的经 验[16- 19] , 但我 国在森 林、农田、草 原土壤 CO2 排 放 通量的 系 统 测 定方 面 几 乎 为零。 目 前中 国 生 态 系 统 网 络
ห้องสมุดไป่ตู้
Abstract: Carbon cycling is one of the key processes that need to be assessed in global change. Investigations in carbon exchange between the terrestrial biosphere and the atmosphere are becoming great imp ortant due to the / missing sink0 issue in global carbon budget . The author presented current advances in global carbon cycling studies. Several comments on scientif ic uncertainties and methodologies were madef or the study of carbon cycling in China terrestrial ecosystem.
光合作用固定的碳循环有了深入的了解, 但是 将微观研究 外 推到 不同类型的陆地生 态系 统( 如森 林生 态系统、农 田生 态 系统、草原生态系统等) 时便增加了 很大的不确 定性[6] , 这 对 研究 陆地生态系统碳循 环对 全球 碳循环 的作 用带来 了极 大 的困难。
一、科学问题
目前令科学家困惑的问题是已知的碳汇 ( sink) 与已知 的 碳源( source) 不能达到平衡, 存在一个很大的未探 明的汇( m-i ssing sink) , 以八十年代平均计算, 这个未探明的汇大约为 113 ? 1. 1PgC[ 7] 。虽然有 些 研究 结果 表明 陆地 生态 系统 可能 是 大气 CO2 的一 个汇[ 8- 9] , 但仍 然缺 乏大 量的 直接 观测 数据。 最近的研究表明热 带地区可能是一个重 要的汇[7] , 来自 亚马
中国地域广阔, 陆地生 态系 统富有 多样 性, 典型 的陆 地 生态系统包括森林生态系统、农田生 态系统和草 原生态系 统 等。八十年 代以来, 我国科学家对典 型陆地生态 系统的生 物 量、生产力、养分循环和 温室 气体排 放等 方面 做了大 量卓 有 成效的观测 和研 究[12- 16] , 但关 于我 国 陆地 生态 系统 对全 球 碳循环的作用尚 不清楚。 因此, 根据 全球碳 循环 研究 进展, 针对我国气 候、土壤 及人 类活动 特点, 亟 需对 如下两 个方 面 进行深入研究:
( CERN) 所设立的三十余个定位站覆 盖了我 国主要 的陆地 生 态系统, 这为系统测定 CO2 排放通量提供了 良好的站点 。野 外测定除了 CO2 和 CH4 排放通 量外, 需要测定各典型生态 系 统中植被对 CO2 的固定, 包括植物的光合作用 和植被的净 初 级生产力等。由于我国土壤分布的多样 性, 我 们难以对各 种 类型的土壤进行野外排放通量测定, 因此在实 验室分析测 定 是必要的。有关研究表明, 在控制条 件下进行 培养测定对 于 研究环境因 子 对 土 壤有 机 碳 分 解过 程 的 影 响是 行 之 有 效 的[20] 。无论是野外观测还是实验室测定, 按照 一套统一的并 与国际接轨的标准观测方法是获取第一手可信资料的前提。
Key words: global change, carbon cycling, terrestrial ecosystem, China
自工业革命以来, 人类活动对生 物圈的影响 已从区域 扩 展到全球[1] , 特别是大气中 CO2、CH4 和其它温室气体浓度 在 逐年增加[ 2] 。在夏威夷 Maunal Loa 的观 测结果 表明, 在过 去 的四十年 间, 大 气 CO2 浓 度已 从 315ppm 增 加 到 368ppm[ 3] 。 而大气中 CH4 的浓度在过去三百年间大致以指数形 式增加, 近年来每年 大约 以 015% 的速 率递 增[2] 。 研究表 明, 温室 气 体若以目前的 速率 累积, 将足 以在 21 世纪 引起 全球 气候 发 生巨大变化[ 4] 。大气中 CO2 和 CH4 浓度 的变 化与全 球碳 循 环过程密切相关, 参 与碳 循环过 程的 主要 碳库包 括大 气、海 洋、陆地生物圈、土壤和 沉积物。研究表明, 陆地生态系统 碳 循环对全球碳平衡起着重要的作用。一方 面, 植 被通过光 合 作用固定大气中 的 CO2 。另一 方面 植 被和 土壤 的呼 吸作 用 向大气释放 CO2 , 在厌氧条件 下土壤 的有机 碳和一 部分植 物
建立我 国陆地 生态系 统碳环模 型应眼 于中国 的季风 气
候特征和农业管理 特征。目 前国 际上的 主要 研究大 都集 中 在热带雨林和 北半球 的中、高 纬度地 区, 对亚 洲季风 区生 态 系统的关注较少。而这 一区 域是 全球变 化特 色最鲜 明的 区
域之一, 其特殊的季 风气 候特征 ( 干湿季 分明、雨 热同季 等) 使得 该地区的生态系统 对气 候变 化具有 与众 不同的 响应 特
通过对上述问题的研究, 我们能够 阐明 ¹ 中 国陆地生 态 系统碳循环过程中 CO2 源P汇强 度的 时空 分布 特征; º 中 国 陆地生态系统碳循 环对全 球碳 循环的 作用。 这对我 国制 定 温室气体减 排政策和参 与国 际气候 变化 事务 等具有 重要 的 理论意义和实际意义。
二、方法论
X 中国科学院/ 百人计划0 资助课题。
66
世界科技研究与发展
21 世纪青年学者论坛
逊热带雨林的观测结果支持了这一观点[10] 。然后, 由意大利 Tuscia 大学 Valentini 领导的一个国际研究组 1996~ 1998 年 间 对欧洲 15 处森林 进行 研究的 结果 指出, 一 些北 方森 林并 没 有显示出碳汇作用, 与南方的一些森 林相比它们 释放的碳 更 多[11] 。这些结果更说明陆地 生态系 统碳循环 的未知 性和 复 杂性。
生态系统碳循环尤为重要, 这也是客 观估计中 国陆地生态 系 统碳循环过程中 CO2 源P汇 强度的时空分布 特征及 对全球 碳 循环作用的一条有效途径。近十多年来, 国际 上在陆地生 态 系统模型(TEM, Terrestrial Ecosystem Model) 的研制并用以研究 陆地生态系统碳循环方面作了大量的工 作, 但 大部分研究 对 象集中在自然植被生态系 统[21- 23] 。我国在 自然植 被净第 一 生产力估计模型[12- 13] 和稻田 CH4 排 放模型[ 24- 25] 方面作了不 少的研究, 但关于陆地生态系统碳循环 的模型尚未问世。
征, 表现出很强 的季节 性气 候响 应特征。 同时, 这一 区域 分 布面 积广, 植被和土 壤有 机碳 储量大, 对 全球 碳循环 以及 大 气 CO2 的季节波动具有及 其重要的影响, 因而 必须着重关 注 该区陆地生态系统 碳循环 的时 空变 化特征。 而中国 农业 管 理( 种植制度、耕作 方式、作物 类型、播 种期、收获 期、肥水 管 理等) 的复杂 多样 也 使研 究农 田 生态 系统 碳 循环 具有 挑 战 性。
21 世纪青年学者论坛
关于中国陆地生态系统碳循环 X 研究的几点思考
教授、博导 黄 耀
( 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029)
摘 要: 碳循环是全球变化研究中的一个重要组成部分, 全球碳源和碳汇之间的不平衡使得对陆地 生态系统碳循环的研究变得日趋重要。本文对目前国际有关碳循环研究方面的进展作了简单介 绍, 并就我国进行陆地生态系统碳循环研究需回答的科学问题及方法论进行了阐述。
31 系统模型 ) 地理信息系统 ) 遥感技术集成 地理信息 系 统( GIS) 是 一 项 以计 算 机为 基 础 的新 兴 技 术, 围绕这项技术的研究、开发和应用形 成了一门交 叉性、边 缘性 的学科, 是管理 和研 究空 间数据 的技 术系统, 在 计算 机 软硬件支持下, 它可以对空间数据按 地理坐标 或空间位置 进 行各 种处理、对数据 的有 效管 理、研究各 种空 间实体 及相 互 关系 。通过对 多因素的综合分析, 它 可以迅速 地获取满足 应 用需 要的信息, 并能 以地 图、图形 或数据 的形 式表示 处理 的
一般而言, 建立 陆地生 态系 统模型 的基 本目 的有 两个: 科学研究与实际应用。就科学研究的目 的而言, 模型的建 立 是对原假设( 理论) 的检验, 如果所建 模型能恰 当地描述给 定 系统的有关过程, 则认为原假设( 理论) 是合理 的; 反 之, 则 需 对原 假设( 理 论) 进 行 更深 入的 研 究, 从而 推 动该 领域 的 发 展。从实际应用的目的来看, 需要应 用所建模 型对给定系 统 进行预测和科学管理。利用有效的实验( 试验) 数据, 对所 建 模型进行检验是模型研究过程和建立模 型提供基本 数据, 系 统模拟给出该过程的理论表达, 而系 统预测则 给出该过程 的 演变趋势。
关键词: 全球变化 碳循环 陆地生态系统 中国
Considerations on Carbon Cycling in China Terrestrial Ecosystem
Professor HUANG Yao
( Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085)
p 中国陆地 生态 系统 碳循环 的空 间分布 特征。 以我 国 森林生态系统、农 田生态 系统 和草原 生态 系统为 主要 对象, 研究各系统植被净初组生产力( NPP) 的区域分布 特征和土 壤 CO2 及 CH4 排放通量的区域分布特征。
p 中国陆地 生态 系统 碳循环 的时 间分布 特征。 研究 中 国陆地生态系统碳循环过程中 CO2 源P汇强 度的季 节分布 特 征和年际间变化特征。
11 以系统论为指导 一般系统论认为, 所有系统是由 若干要素以 一定结构 形 式联结构成的具有某种功能的有机整体, 其共同 特征是系 统 的整体性、关联 性、等级 结构性、动 态平衡性和时序性。系 统 论的核心思想是系统的整体性, 其基 本任务不仅 在于认识 系 统的特点和 规律, 更重要 的是 利用这 些特 点和规 律去 控制、 管理和改造一个系统, 使它的存在与 演替合乎人 类社会发 展 的需要。 从系统论的基本观点来分析, 陆 地生态系统 的基本要 素 是环境( 气候和土壤) 、生物和人类 活动, 各要素间相 互联系。 同时, 该系统内层次结构分明( 如植被类型 可分为森 林、草 原 和农业等, 而森林 植被又 可分 为热 带雨林、常 绿阔 叶林等 ) , 各子系统间碳元 素的 交换、转化 和迁 移过 程是动 态的, 并 表 现出明显的时间变 化特征。 对这些 过程 的研 究必须 具备 物 理、化学、数 学、生态 学、植 物 学、植 物 生理 学、土 壤 学、气 象 学、环境学等专 门学科 的基 本理论 。因此, 陆地 生态 系统 碳 循环的研究必须从系统论的观点出发, 充分强调 系统的整 体 性及多学科的交叉与协作。 21 实验测定与系统模拟相结合 实验测定为系统研究提供第一手资料 , 它包 括野外测 定 和实验室分析测定。在过去的十多年中, 中国科 学院大气 物 理所、沈阳应用生态所和南京土壤所等单位在 稻田 CH4 排 放 通量方面已作了很多系统的测定, 积 累了极其宝 贵的资料 和 丰富的经 验[16- 19] , 但我 国在森 林、农田、草 原土壤 CO2 排 放 通量的 系 统 测 定方 面 几 乎 为零。 目 前中 国 生 态 系 统 网 络
ห้องสมุดไป่ตู้
Abstract: Carbon cycling is one of the key processes that need to be assessed in global change. Investigations in carbon exchange between the terrestrial biosphere and the atmosphere are becoming great imp ortant due to the / missing sink0 issue in global carbon budget . The author presented current advances in global carbon cycling studies. Several comments on scientif ic uncertainties and methodologies were madef or the study of carbon cycling in China terrestrial ecosystem.
光合作用固定的碳循环有了深入的了解, 但是 将微观研究 外 推到 不同类型的陆地生 态系 统( 如森 林生 态系统、农 田生 态 系统、草原生态系统等) 时便增加了 很大的不确 定性[6] , 这 对 研究 陆地生态系统碳循 环对 全球 碳循环 的作 用带来 了极 大 的困难。
一、科学问题
目前令科学家困惑的问题是已知的碳汇 ( sink) 与已知 的 碳源( source) 不能达到平衡, 存在一个很大的未探 明的汇( m-i ssing sink) , 以八十年代平均计算, 这个未探明的汇大约为 113 ? 1. 1PgC[ 7] 。虽然有 些 研究 结果 表明 陆地 生态 系统 可能 是 大气 CO2 的一 个汇[ 8- 9] , 但仍 然缺 乏大 量的 直接 观测 数据。 最近的研究表明热 带地区可能是一个重 要的汇[7] , 来自 亚马
中国地域广阔, 陆地生 态系 统富有 多样 性, 典型 的陆 地 生态系统包括森林生态系统、农田生 态系统和草 原生态系 统 等。八十年 代以来, 我国科学家对典 型陆地生态 系统的生 物 量、生产力、养分循环和 温室 气体排 放等 方面 做了大 量卓 有 成效的观测 和研 究[12- 16] , 但关 于我 国 陆地 生态 系统 对全 球 碳循环的作用尚 不清楚。 因此, 根据 全球碳 循环 研究 进展, 针对我国气 候、土壤 及人 类活动 特点, 亟 需对 如下两 个方 面 进行深入研究:
( CERN) 所设立的三十余个定位站覆 盖了我 国主要 的陆地 生 态系统, 这为系统测定 CO2 排放通量提供了 良好的站点 。野 外测定除了 CO2 和 CH4 排放通 量外, 需要测定各典型生态 系 统中植被对 CO2 的固定, 包括植物的光合作用 和植被的净 初 级生产力等。由于我国土壤分布的多样 性, 我 们难以对各 种 类型的土壤进行野外排放通量测定, 因此在实 验室分析测 定 是必要的。有关研究表明, 在控制条 件下进行 培养测定对 于 研究环境因 子 对 土 壤有 机 碳 分 解过 程 的 影 响是 行 之 有 效 的[20] 。无论是野外观测还是实验室测定, 按照 一套统一的并 与国际接轨的标准观测方法是获取第一手可信资料的前提。
Key words: global change, carbon cycling, terrestrial ecosystem, China
自工业革命以来, 人类活动对生 物圈的影响 已从区域 扩 展到全球[1] , 特别是大气中 CO2、CH4 和其它温室气体浓度 在 逐年增加[ 2] 。在夏威夷 Maunal Loa 的观 测结果 表明, 在过 去 的四十年 间, 大 气 CO2 浓 度已 从 315ppm 增 加 到 368ppm[ 3] 。 而大气中 CH4 的浓度在过去三百年间大致以指数形 式增加, 近年来每年 大约 以 015% 的速 率递 增[2] 。 研究表 明, 温室 气 体若以目前的 速率 累积, 将足 以在 21 世纪 引起 全球 气候 发 生巨大变化[ 4] 。大气中 CO2 和 CH4 浓度 的变 化与全 球碳 循 环过程密切相关, 参 与碳 循环过 程的 主要 碳库包 括大 气、海 洋、陆地生物圈、土壤和 沉积物。研究表明, 陆地生态系统 碳 循环对全球碳平衡起着重要的作用。一方 面, 植 被通过光 合 作用固定大气中 的 CO2 。另一 方面 植 被和 土壤 的呼 吸作 用 向大气释放 CO2 , 在厌氧条件 下土壤 的有机 碳和一 部分植 物
建立我 国陆地 生态系 统碳环模 型应眼 于中国 的季风 气
候特征和农业管理 特征。目 前国 际上的 主要 研究大 都集 中 在热带雨林和 北半球 的中、高 纬度地 区, 对亚 洲季风 区生 态 系统的关注较少。而这 一区 域是 全球变 化特 色最鲜 明的 区
域之一, 其特殊的季 风气 候特征 ( 干湿季 分明、雨 热同季 等) 使得 该地区的生态系统 对气 候变 化具有 与众 不同的 响应 特
通过对上述问题的研究, 我们能够 阐明 ¹ 中 国陆地生 态 系统碳循环过程中 CO2 源P汇强 度的 时空 分布 特征; º 中 国 陆地生态系统碳循 环对全 球碳 循环的 作用。 这对我 国制 定 温室气体减 排政策和参 与国 际气候 变化 事务 等具有 重要 的 理论意义和实际意义。
二、方法论
X 中国科学院/ 百人计划0 资助课题。
66
世界科技研究与发展
21 世纪青年学者论坛
逊热带雨林的观测结果支持了这一观点[10] 。然后, 由意大利 Tuscia 大学 Valentini 领导的一个国际研究组 1996~ 1998 年 间 对欧洲 15 处森林 进行 研究的 结果 指出, 一 些北 方森 林并 没 有显示出碳汇作用, 与南方的一些森 林相比它们 释放的碳 更 多[11] 。这些结果更说明陆地 生态系 统碳循环 的未知 性和 复 杂性。