应用双重优化方法估计碳通量

<正>贝叶斯综合反演方法(BSIM)利用先验CO2通量和大气CO2浓度观测数据估计碳通量分布,其结果在很大程度依赖于先验碳通量的偏差.实际应用中,通常用生态碳通量模型计算先验通量,可是不恰当的短期生态过程的模拟将引起先验通量的刻度误差,从而导致BSIM估计结果的偏差.我们提出了一种双重优化算法,     

中国不同生态型竹子植硅体固碳

<正>目前,全球大气中CO2的浓度已经达到了391μL L-1,并且在未来CO2浓度的升高速度有越来越快的趋势.将大气中的CO2移除或固定在陆地生物圈中或许是降低大气中CO2浓度最有效的方法之一.植硅体固定碳是最有前景的生物地球化学固碳机制之一,在全球碳循环及气候控制与调节中起到重要作用.     

基于土壤团聚体组分的14C分析及其在不同林龄土壤有机碳周转研究中的应用

目前关于人工造林后土壤有机碳库变化的趋势、幅度及其碳汇功能仍存在很大的不确定性.应用放射性碳(14C)方法,研究河北塞罕坝草甸草原与人工林土壤有机碳周转时间,以加深对人工造林后土壤有机碳库变化的认识.实验结果显示,14C示踪方法所估算出的人工造林后土壤有机碳周转时间可长达几十年至几百年.在草甸草原营造樟子松林后表层土壤全样以及团聚体有机碳的周转时间均明显变短,并随着林龄的增大而改变,这将导致土壤CO2通量的增加,因此,草地造林有可能削弱了表层土壤储存有机碳的能力.对不同林龄的土壤团聚体组分进行稳定同位素与14C分析,发现草甸草原营造樟子松林后土壤中年轻碳库与较老碳库对草地造林的响应存在差异:在幼龄和中龄阶段,土壤中较老碳库CO2排放量的比例呈现出增加趋势,而进入成龄阶段,其比例开始下降,表明林龄对人工林土壤固碳机制有所影响.用14C方法所得到的土壤CO2通量相对较低,这可能与未能有效地从土壤团聚体中分离出较年轻碳库的组分有关.今后的研究应在发展多种组分分离方法的基础上进行碳同位素分析,以提高土壤CO2通量估算的准确性.     

中国陆地生态系统土壤呼吸的时空变异研究取得新进展

土壤呼吸(即土壤CO2排放)是碳循环中一个重要过程,在全球尺度上,土壤呼吸量仅次于全球陆地总初级生产力(GPP)的估算值,是陆地生态系统第二大碳通量过程.准确估算中国陆地生态系统土壤呼吸量对于研究碳循环过程具有重要意义.以往的估算研究中,年土壤呼吸量值存在较大不确定性,最高与最低值之间相差约每年1×1015克碳,并且关于其年际间变异规律及其与气候因子关系的研究尚     

大气反演模型模拟的CO_2浓度与GOSAT卫星观测值的对比

<正>大气CO2反演法是碳浓度/源汇估算的重要方法,其估算精度一直受观测数据的制约(如观测数据不足、分布不匀和观测方法不统一等),而CO2卫星观测数据的出现将改变反演模型的这一现状.本文将中国大气碳同化反演模型(Carbon Tracker-China,CAS)模拟的CO2浓度与GOSAT-ACOS3.3卫星观测值(version 3.3 Atmospheric CO2 Observations from Space retrievals of the Greenhouse Gases Observing SATel-lite,L2 data products)作对比,分析了观测与模拟浓度间的误差分布特征,     

湿地植物植硅体的生物地球化学碳汇:以西溪湿地为例

IPCC曾指出大气中CO2浓度的持续升高,可能会给全球带来一系列危险的气候变化.寻找一种新的有效降低和缓解大气中CO2的方法,或许是人类目前最紧要的任务.植硅体态碳(phytolith-occluded-carbon),作为一种长期的生物地球化学碳汇机制,可能在全球碳循环和气候变化中扮演着重要的作用.草本植物占主导地位的湿地生态     

基于大气反演陆地碳通量季节变化信息的模型参数优化研究

<正>生态系统碳通量是光合作用和呼吸作用之和.在没有附加信息的情况下,区分光合作用和呼吸作用对碳通量的贡献是目前参数优化研究的难点.本研究探讨了利用陆地生态系统碳通量的季节变化信息,优化生态系统模型中光合作用和呼吸作用参数的可行性,并利用大气反演系统估算的净生态系统生产力(NEP),在北美北部地区(BNA)开展了陆地生态系统模型参数(25maxV和Q10)优化研究.通过模型敏感性分析,我们发现     

陆地生态系统土壤铁结合态有机碳:含量、分布与调控

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,其有机碳储量超过植被和大气碳库的总和.铁氧化物的矿物保护被认为是土壤有机碳长期稳定性的关键机制之一.铁氧化物具有比表面积大、吸附能力强的特点,且在热带和亚热带地区含量丰富.然而,目前关于陆地生态系统土壤铁结合态有机碳占土壤总有机碳的比例(f_Fe-OC)及其分布格局和调控机制仍不明晰.本文整理了已报道的陆地生态系统351组土壤f_Fe-OC数据,分析了其在不同土层、生态系统、气候带的分布格局和受气候、土壤、矿物因子的调控机制.结果表明:(1)陆地生态系统土壤f_Fe-OC平均为21.9%,且深层土f_Fe-OC(37.5%)显著高于表层土(15.4%, P<0.01).(2)土壤平均f_Fe-OC在不同生态系统表现为:湿地(24.5%)>草地(16.2%)>森林(14.9%)>农田(14.8%),贫氧生态系统(24.2%)显著高于有氧生态系统(15.7%, P<0.01).土壤平均f_Fe-OC在不同气候...     

湿地碳计量方法及中国湿地有机碳库初步估计

湿地碳计量是湿地资源保护和增汇技术实施的前提条件. 在全面整理碳计量方法和探讨湿地碳计量的困难性后, 认为清单法是在国家尺度上估算中国湿地有机碳库的一种现实可行的方法. 为了弄清楚我国湿地到底固了多少有机碳? 在先前的研究基础之上, 利用改进后的清单法进行了研究. 主要结果如下: (1) 中国湿地有机碳库总计达5.39~7.25 Pg, 约占全球湿地碳储量(154~550 Pg)的1.3%~3.5%. (2) 中国湿地土壤有机碳库(5.04~6.19 Pg)>中国水体有机碳库(0.22~0.56 Pg)>中国湿地植被碳库(0.13~0.50 Pg), 分别占中国湿地有机碳库的85.4%~93.5%, 4.1%~7.7%和2.4%~6.9%. 本文估算的中国湿地土壤有机碳库要高于先前的研究结果3.67 Pg, 但低于前人的研究结果12.20和8~10 Pg. 在讨论和不确定性分析的基础上, 对今后深入研究的方向进行了展望.     

关于中国土壤碳库及固碳潜力研究的若干问题

土壤碳库研究及碳汇问题是近年来土壤碳循环与全球变化研究的热点领域. 本文回顾了中国土壤碳库估算的研究成果, 分析了我国土壤碳库在气候变化下的演变态势, 并探讨了土壤有机碳矿化与温室气体的释放问题. 整合已有的研究资料, 可以认为中国土壤总有机碳库接近90 Pg, 无机碳库约为60 Pg, 农田土壤已有的固碳速率在20~25 Tg/a 水平. 农田土壤固碳的理论容量可以达到2.0 Pg 水平, 但农业技术的实施能够实现的技术潜力可能仅为理论潜力的1/3 左右. 因此, 改善土壤管理和农田经营机制可能是提高土壤固碳技术潜力的关键.土壤固碳中有机碳积累并不表现出分解的敏感性, 固碳显得有利于提高农田生产力和改善生态系统功能, 一些农田综合温室气体排放的生命周期评价的案例研究反而显示有机质积累下农业生产的碳排放强度没有提高甚而降低. 未来中国土壤碳库研究的重点发展方向在于: (1)以流域为尺度和地球表层系统为对象的系统固碳与碳汇研究; (2) 生态系统土壤碳固定与稳定机制, 特别是土壤固碳与生产力和生态服务功能的协同机理和多界面过程. 中国土壤碳科学将面临多学科集成和多目标服务的新发展机遇.     

大气CO_2两个重要的汇

碳酸盐岩的风化和水泥的碳酸盐化都将消耗大气中的CO2. 考虑到全球广泛分布着碳酸盐岩及水泥的大量使用, 这两个过程可成为大气CO2两个重要的汇. 基于大量的野外观测数据, 利用不同的方法评价后得出, 这两个汇的量级均在每年1亿吨碳左右.     

陆海统筹研发碳汇

人类活动引起的大气CO_2浓度增加正在加剧全球气候变化,因而全球碳循环和碳汇研究广受关注,它不仅是科学问题,也是关乎经济和社会发展的问题.碳汇研究涉及大气、陆地、海洋等各圈层.陆地向海洋输出的碳通量,与陆-气界面、海-气界面相当;但大部分陆地上形成的有机碳,在输入河流和近海时发生了改变,不仅无法形成碳汇,反而引发河口碳源效应.因此,系统开展陆海统筹协同研究,对于全面认识碳汇形成过程与调控机制十分必要.新近提出的"微型生物碳泵(microbial carbon pump,MCP)"理论为开展陆海统筹研发碳汇奠定了基础,可望以MCP为突破口,通过学科交叉研究和"产、学、研、政、用"结合,实现协同创新,为发展低碳经济提供科技支撑.     

深时气候演变和板块运动

<正>碳在地球各个圈层中的流动和转化过程称为地球的碳循环.地球的碳循环过程可以划分为表层和深部碳循环.两个碳循环过程密不可分,以不同的时间变率相互交织共同维持着地球上气候平衡.古气候指标数据显示,新生代以来大气中的二氧化碳浓度(pCO₂)与地球表面温度之间存在着显著的正相关关系,即当二氧化碳浓度上升时,地球表面的温度也会随之升高^[1,2](图1(a)).     

深部碳循环：来自火成碳酸岩的启示

全球碳循环研究对于理解现今及未来大气圈CO2浓度及其变化趋势至关重要。传统的碳循环研究多侧重于探讨碳元素在大气圈、水圈、生物圈等地球表层之间的循环过程,基本不讨论地球内部圈层碳元素地球化学的行为与循环,现在发现传统的研究方式已很难深刻认识大气圈CO2浓度变化的规律。探讨地球内部与表层碳元素双向交换过程的深部碳循环研究应运而生,成为当前全球碳循环研究的主要方向。火成碳酸岩主要由碳酸盐矿物所组成,是地球内部碳元素含量最高的岩石,因而成为深部碳循环研究的主要对象之一。当前的研究发现,相当一部分火成碳酸岩中的碳来自大气圈的CO2,是再循环的碳。地表附近消耗大气CO2所新生成的沉积碳酸盐岩借助板块深俯冲作用被带入地球内部,在（超）高温和含水条件下发生部分熔融作用,形成碳酸岩浆,后者再上侵形成火成碳酸岩,或者直接喷发至地表,碳元素又重返地球表层。因此,地球内部的构造运动主导碳元素在地球表层与内部的循环过程,进而控制大气圈CO2浓度长周期变化的趋势。     

碳循环对气候变化历史责任归因的影响

全球碳循环是气候变化的根本问题,其长期演变决定了人类导致的气候变化的速度和程度,也决定了稳定大气CO2浓度的减缓政策的制定和减排技术的施行.本研究利用2个参与了第5次耦合模式比较计划的耦合了碳循环过程的地球系统模式CESM和BNU-ESM,模拟研究了工业革命以来碳循环对气候变化历史责任归因的影响.模拟结果表明,以大气CO2浓度的升高为衡量指标,相比通常研究中以累积排放量为指标,发达国家碳排放的历史责任减小了6%~10%,发展中国家增大了6%~10%.这是由于历史时期(1850~2005年)发达国家占主导的工业碳排放对这一时期海洋和陆地固碳量的增加贡献了61%~68%和61%~64%,而发展中国家贡献了32%~39%和36%~39%.因此发达国家排放情景下,相对较大的全球碳汇固碳量减小了发达国家碳排放的历史责任,但也由于海洋吸收了更多的碳,使得发达国家对全球海洋的酸化负主要责任(68%).而且发达国家的高排放降低了全球碳汇的固碳效率,可能影响未来长期的固碳量,加剧全球增暖的程度.因此未来在制定减排方案时,需要进一步考虑到碳循环过程对减排方案的响应和影响.     

卫星观测的单角度偏振反射率敏感性分析

<正>大气中的二氧化碳(CO2)是受人类活动影响最多的温室气体,CO2浓度的增加被认为是全球变暖的主要原因.为了监测大气中CO2浓度的全球分布,分析全球CO2源汇特征,中国即将发射一颗碳卫星(TanSat),搭载的高光谱传感器用于监测CO2浓度.由于大气气溶胶对CO2浓度的反演具有显著的影响,TanSat另外搭载了用于反演大     

模拟蒙古栎林生态系统碳收支对非对称性升温的响应

夜间最低气温与白天最高气温的非对称性升高现象普遍存在于北半球.应用BIOME-BGC模型模拟了北京东灵山地带性植被蒙古栎林生态系统碳收支在多种气候变化情景下的变化趋势,通过协方差分析探讨非对称性升温对暖温带落叶阔叶林生态系统固碳的潜在效应.结果表明,当大气CO2浓度不变时,对称性升温对GPP和NPP影响不大,但促进了Rh;蒙古栎林生态系统为一个较强的碳源,而非对称性升温则显著地提高了GPP,NPP和Rh,只是Rh的变化幅度较小,碳源功能随着升温不对称性的不断加强而减弱.当大气CO2浓度和气温同时升高时,两者的正交互作用显著地提高了GPP,NPP和Rh,但Rh的变化幅度较小,蒙古栎林生态系统转变为一个较强的碳汇,且随着升温幅度及其不对称性的不断加强,各通量变化幅度增大,碳汇功能不断加强.总之,非对称性升温较对称性升温更有利于蒙古栎林生态系统的碳吸收.鉴于此,推测基于平均气温变化的估算都可能在一定程度上高估了暖温带落叶阔叶林生态系统对气候变暖的正反馈.但该模型模拟的结果还没有得到相应观测和实验的证实.强调今后只有采用协同方法,充分考虑最低气温、最高气温和平均气温各自的生态效应及其与其他生态因子的交互作用,才能更加真实地评价非对称性升温现实世界中森林生态系统的碳源/汇功能.     

结合时间相关特征改进中国区域二氧化碳卫星观测数据的地统计分析

通过卫星从空间观测全球大气二氧化碳(CO2)浓度为全球碳循环研究提供了新的数据源.虽然卫星可以进行高密度点观测,但是由于云和卫星观测模式等影响,卫星观测点数据在空间上呈不规则分布且存在大量无观测值的空白区域.精确填补这些空白区     

玄武岩风化是重要的碳汇机制吗?

在全球碳循环的研究中,硅酸盐化学风化被认为是大气CO_2的一个重要汇.自1996年Gislason开展对冰岛玄武岩(硅酸盐岩的一种)风化碳汇的研究以来,玄武岩风化引起的"大气"CO_2高消耗更成为研究热点.在对相关文献进行全面系统梳理的基础上,发现玄武岩流域的所谓"大气"CO_2高消耗(碳汇)可能与下述原因有关:(1)碳通量较高的玄武岩研究区多位于热带或洋岛-岛弧地区,该区雨量充沛,河流径流量大,进而造成碳通量较大;(2)硅酸盐岩流域高的溶解无机碳(DIC)浓度并非来自硅酸盐矿物的风化,而是来自广泛分布在硅酸岩中的痕量碳酸盐矿物的快速风化,而这应该归为碳酸盐风化对岩石风化碳通量的贡献;(3)外源酸溶解痕量碳酸盐矿物,贡献HCO_3~-,但并未构成大气碳汇;(4)玄武岩流域中参与岩石风化的CO_2并非全部来自大气和土壤,其中一部分可能来自深源CO_2,而深源CO_2参与形成的DIC不仅不能归为大气碳汇,反而是碳源.由此可见玄武岩风化是否是一个重要的碳汇机制值得进一步研究厘定.     

计算机模拟显示全球变暖阻碍了对二氧化碳的吸收

由于人类大量燃烧矿物燃料和滥伐森林,造成了大量CO2进入大气层,并导致全球气候变暖.这些过量的CO2被陆地和海洋以"渗漏"的方式吸收.这种渗漏会给未来的气候变暖带来什么影响?科学家发现,从长远的观点看,它们对碳的有效吸收要比人们想象的小得多.根据计算,如果不考虑大气-碳循环联系,那么到2100年,全球陆地气温将只上升2.5℃,而不是预期的5.5℃.