中国陆地碳收支评估的生态系统碳通量联网观测与模型模拟系统

1 立项背景 减缓和适应气候变化是人类社会面临的重大挑战.陆地生态系统碳通量及其过程观测研究是陆地生态系统碳收支定量评估和有效碳管理的科学基础.针对我国区域陆地生态系统碳收支评估和气候变化研究的重大需求,解决碳通量观测技术和区域碳评估方法的系列技术难题,在中国科学院重大项目"中国陆地和近海生态系统碳收支"、国家973计划课题"典型陆地生态系统碳通量/储量的对比研究"、国家自然科学基金重大项目"我国陆地生态系统对全球变化的响应与适应性样带研究"、国家自然科学基金对外合作与交流项目"基于通量观测网络的生态系统碳循环过程与模型综合研究"等的支持下,在国内率先创建了服务区域碳收支评估的陆地生态系统碳通量联网观测与模型模拟系统.     

全球变化对生态系统服务的影响

全球变化通过改变生态系统结构和功能,显著影响了全球生态系统服务的提供,严重威胁了人类的生存环境及社会经济的可持续发展。在综述全球变化对生态系统服务研究的基础上,研究以"压力—状态—响应"框架为主线,主要内容包括:(1)通过对过去30年全球变化背景下主要生态系统的变化及驱动机制分析,揭示全球气候变化对生态系统的影响与作用机理;(2)发展和完善多因子、多元素耦合的生态系统机理模型和全球尺度的生态系统服务评估方法,揭示气候变化对生态系统生产力与碳固持、水源涵养、土壤保持等生态系统主要调节服务的影响机制和效应;(3)在此基础上综合分析全球变化背景下的环境要素特征与生态系统功能和服务,形成面向全球变化的生态功能区划方案,并根据未来气候变化情景下的生态系统服务提供能力,提出适应性管理对策。研究结果对于我国减缓和适应全球气候变化以及提高国际学术影响力具有重要意义。     

《京都议定书》生效后我国耕地土壤碳循环研究若干问题

地球系统碳循环与全球变化研究的一个重要任务是阐明陆地生态系统的碳汇演变及其对日益升高的大气CO2 的收集与固定能力以及未来趋势。土壤有机碳是地球陆地生态系统最重要和活跃的碳库,同时又是土壤肥力和基础地力的最重要的物质基础,它影响着耕地生产力及其稳定性。随着《京都议定书》的生效,农业土壤碳循环及固碳潜力的研究将越来越成为国际全球变化研究中的主流趋势,国际科学界十分关注人为利用管理下土壤固碳潜力的变化。配合土壤固碳机理及其影响因素的研究,分析与预测未来通过改变管理政策与农业技术途径而可能达到的固碳能力成为今后研究的发展方向。我国农业面临着稳定耕地生产能力和补偿工业温室气体减排的压力和挑战,但我国耕地地力不稳、有机碳水平较低的现状又为实行固碳农业带来了机遇。我国所处的自然环境和社会经济背景条件的特殊性决定了我国耕地农业利用与土壤碳循环的特殊性,而这种特殊性对耕地土壤固碳潜力及其过程的影响是国际陆地生态系统碳循环研究中没有解决而又只能由我国自己来解决的重大科学理论问题。当前,我国急迫需要启动对耕地土壤碳循环与固碳潜力及其调控途径的重大基础研究,摸清国家尺度耕地土壤的固碳能力,认识耕地固碳与生产力保持的耦合机制,明确耕地土壤固碳与稳     

海洋生态系统储碳过程的多尺度调控及其对全球变化的响应研究进展

海洋储碳机制及其对全球变化的响应是当前全球变化研究领域的重大科学问题,也是薄弱环节和难点所在,如何阐明典型海洋生态系统固碳过程和储碳机制,评估全球变化的影响,并进一步探寻古海洋沉积记录及其与现代过程的关联,建立海洋典型生态系统沉积碳库变动与全球变化联系仍是当前全球变化研究的核心问题。针对这一重要科学问题,国家重点研发计划"全球变化及应对"重点专项"海洋生态系统储碳过程的多尺度调控及其对全球变化的响应"项目,围绕核心主题"固碳过程-储碳机制-酸化影响-碳库变动"开展了系统的研究。近两三年来研究工作取得若干显著进展,较系统地阐明了西太平洋中低纬度边缘海浮游植物群落的时空格局、多样性特征与演变机制,深入揭示了海洋酸化抑制固氮束毛藻固氮和生长及其机理,揭示了南海珊瑚钙化对气候变化和海洋酸化的响应,为进一步深入阐明海洋生态系统储碳的调控机制及其对全球变化的响应这一科学问题奠定了良好的基础。     

海洋生态系统储碳过程的多尺度调控及其对全球变化的响应

海洋是地表系统中最大的碳库,在全球碳循环中起着举足轻重的作用,显著影响地球气候系统。生物泵和微型生物碳泵是海洋储碳的两个重要途径,其储碳效率在很大程度上决定了海洋和大气中的碳库变动,是碳增汇的关键过程。本项目目标是阐明海洋固碳过程和储碳机理,诠释海洋酸化对固碳和储碳的影响,建立古海洋沉积碳库变动与全球变化的关联,深入揭示海洋生态系统储碳过程的多尺度调控机理。项目将从现代生物地球化学过程入手,研究不同层级水平上海洋生态系统的固碳过程、储碳机制及其对海洋酸化的响应;并结合不同沉积系统近2000年来的碳库变动,以及工业革命以来高分辨率的海水温度、p H值和碳库记录,探讨海洋碳库变动对自然变化和人类活动的响应机制,阐明生物泵和微型生物碳泵储碳的调控机理。项目的实施将显著提升我国在海洋碳循环和储碳机制研究领域的国际地位,为我国制定应对气候变化和实施海洋碳增汇政策提供科技支撑。     

森林生态系统碳收支及其影响机制

森林在区域和全球碳循环中起着关键作用,研究森林碳循环各分量的变化对估算区域碳收支和制定应对气候变化的森林管理政策有重要意义。本文从中国、东亚区域及全球尺度就森林碳源汇特征及其机制的最新研究进展进行评述。近30年来我国森林生物量碳汇1896Tg C(Tg C=1012g C),年均增加70.2Tg C/yr。最近10年,森林碳循环的所有组分(生物量碳、凋落物碳、木质残体及土壤有机碳)均表现为明显的碳汇,年总碳汇186.7Tg C/yr。在东亚区域尺度,对1970s—2000s森林林分的碳储量及其碳源汇变化的研究表明,东亚森林整体为显著的碳汇,但朝鲜和蒙古国为碳源;东亚地区的碳汇主要来自中国,其次是日本。中国森林碳汇增加主要源自人工林面积增加的贡献,而日本和韩国则主要来自于森林的再生长。在全球尺度,对不同气候带森林生态系统碳收支全组分碳储量及其变化的分析揭示,全球森林是一个显著的碳汇。在过去的近20年里,全球森林每年固定约4.0Pg C,相当于抵消了同期化石燃料碳排放的一半。     

中国陆地生态系统碳收支

中国是全球CO2排放总量最大的国家之一,因此中国陆地生态系统的碳收支平衡受到科学界和国际社会的普遍关注。本项研究利用3种相互独立的方法,即地面清查结合遥感数据、生物地球化学模型和大气反演模型,定量描述了中国的碳收支及其变化机理。上述3种方法得出的结果十分相近,对中国碳汇大小的估计在0.19—0.24PgC/yr之间。这表明中国的陆地生态系统在20世纪80—90年代吸收了我国同期化石燃料碳排放的28%—37%。同时,中国陆地生态系统碳汇的空间分布并不均匀,主要位于中国南部。研究显示,我国人工林的增加、区域气候变化以及植被恢复尤其是灌丛的恢复是我国陆地生态系统碳储量增加的主要原因。     

我国季风区湖泊生态系统长期演变机理与生态安全

定量刻画湖泊生态系统结构变化及其对全球变化的线性和非线性响应过程特征,深入揭示湖泊生态系统演变和突变机制是全球变化研究的前沿领域。我国季风区湖泊生态系统长期演变机理与生态安全的研究瞄准这一国际前沿,针对我国季风区湖泊生态系统显著退化、增温导致的湖泊生态系统突变风险加大的态势,以及湖泊生态修复理论依据不足的现状开展工作。将通过现代湖泊调查、古湖沼学手段、多种数理统计方法以及模型模拟手段相结合,拟以生态系统结构变化为核心,研究气候和人类活动双重驱动下,季风区湖泊生态系统的响应,揭示不同时空尺度湖泊生态系统弹性变化和临界转换特征,基于弹性理论评估全球增暖背景下湖泊生态系统服务功能和生态安全。     

大尺度土地利用变化对全球气候的影响

全球变化研究国家重大科学研究计划"大尺度土地利用变化对全球气候的影响"项目集中了国内外土地利用、气候、生态等领域的高水平研究机构,从"全球视角"出发,通过国际对比揭示与评估局地、区域和全球尺度土地利用/土地覆盖变化(Land-Use and Land-Cover Change,LUCC)过程对气候变化与生态系统的影响,不仅可以为全球变化与地球系统模式研究提供理论基础,而且对于科学调控人类土地利用行为,缓减与适应全球气候变化具有重要意义。本文简要介绍了该项目近5年取得的重要研究成果。     

陆地生态系统对气候变化的脆弱性评价与适应性管理

气候变化导致的生态系统脆弱性正在不断加剧,针对气候变化采取稳健的适应政策已经成为全球共识。本文重点探讨了气候变化背景下陆地生态系统脆弱性评价与适应性管理的国内外研究现状,指出了当前脆弱性评价与适应性管理面临的主要难点,介绍了中国在陆地生态系统脆弱性评价与适应性管理方面取得的最新研究进展。在此基础上,提出了未来迫切需要开展的研究任务:不同气候变化区域、不同时空尺度陆地生态系统脆弱性临界点及其调控过程,陆地生态系统脆弱性评价与适应性管理的定向调控,重大气象灾害的陆地生态系统风险评估与应对技术,适应气候变化的可持续生态系统区划与技术示范。     

地球整体和区域气候震荡性变化的自然因素和预测方法

中国人对"地球离极自转"和"冰河期形成因为"的科学发现,为研究全球气候的自然变化规律和预测方法提供了科学依据.地球所处的宇宙环境和自身的基本运动形式,直接影响着太阳热能对地球表面的辐射和分布的变化,这种变化是引起全球整体气候变化和区域性气候变化的自然因素.通过观测地球表面位置相对于空间纬度的变化趋势,能有效预测地球各区域气候的变化趋势.地球整体和区域气候变化是有规律的,加强气候变化的科学研究,发现气候变化的自然因素和规律,找到整体和区域气候变化的预测方法,是我国经济发展的迫切需要.     

甘肃祁连山水源林生态系统定位研究

“甘肃祁连山水源林生态系统定位研究”（2001—09）是国家林业“十五”重点项目，旨在系统研究祁连山水源林生态系统结构与功能、演替动态及水源林生态环境等，为全国森林生态系统研究提供最可靠的基础研究数据和具有权威性的研究成果，为大规模开展生态环境建设提供科学依据和参考。     

全球变化对北半球木本植物多样性的影响研究

物种多样性的形成和维持机制是20世纪亟待解决的25个重大科学问题之一,其研究是生物多样性保护和利用的基石。北半球木本植物具有极其重要的生态价值,在东亚的多样性最高,尤其是中国具有丰富的森林类型、大量的木本特有种和孑遗种,对全球变化敏感。晚新近纪以来的全球气候震荡,特别是人类世以来的全球变化不断重塑物种的分布和多样性格局,亟需深入认识植物多样性的形成与维持机制及其对全球变化的响应,并据此制定科学的保护策略。本项目针对北半球木本植物多样性格局是如何形成的、生态多样性如何响应全球变化、未来全球变化情景下如何保护中国的植物多样性等3个问题开展研究,阐明北半球木本植物多样性格局的成因和响应全球变化的机理,揭示东亚地带性森林群落多样性与生态功能维持和响应气候变化的机制;建立北半球木本植物及其生态信息平台,预测未来中国珍稀濒危木本植物分布与适应性变化趋势,提出保护对策。     

全球变化对生态脆弱区资源环境承载力的影响研究

我国生态脆弱区占国土面积的一半以上,在全球变化和人类活动双重影响下,其生态服务功能逐渐减弱,资源环境承载力下降,严重威胁着区域生态安全与可持续发展。尽管国内外学者已对资源环境承载力的概念体系、评估方法等开展了大量研究工作,但是对生态脆弱区资源环境承载力形成过程及其对全球变化响应机理的认识还不够深入,致使其理论体系和评估方法还不够完善,关于全球变化对生态脆弱区资源环境承载力影响的评估结果还存在很大不确定性。本项目以我国典型生态脆弱区为对象,采用联网观测、联网控制实验、样带—区域调查等手段,开展关键资源环境要素时空变化特征和过程及其对全球变化的响应机理研究,发展资源环境承载力形成理论和生态系统演变与突变转型理论,构建资源环境承载力与资源环境系统脆弱性评估的指标体系及软件平台,准确评估全球变化对生态脆弱区资源环境承载力的影响,确定全球增暖1.5℃情景下的资源环境系统发生转折的阈值,编制生态脆弱区资源环境承载力和资源环境系统脆弱性高精度分布图,服务于国家对生态脆弱区生态安全与可持续发展的重大需求。     

多重压力下近海生态系统可持续产出与适应性管理的科学基础

本项目围绕"多重压力影响下近海生物地球化学过程对典型生态系统功能的作用机理"和"典型生态系统的资源可持续利用对多重压力的响应"这2个关键科学问题,针对多重压力对近海生态系统产出的影响进行深入的研究,提高预测的水平,为实现我国近海生态系统的可持续产出与适应性管理提供科学依据。项目选择东海陆架与山东半岛为研究对象,以生物地球化学过程与食物网的相互作用为主线,紧扣2个科学问题开展了以下3个方面的研究工作:多重压力对近海典型生态系统中生物地球化学循环的调控作用、东海陆架缺氧区生态系统的功能对多重压力的响应过程和近海典型增养殖区的食物生产对多重压力的适应性响应机制。通过项目的实施,提高了海洋生态系统多学科交叉与整合研究队伍的能力建设,进一步丰富和完善了近海生态系统数据系统和资料共享平台。     

复杂性科学视角下的社会生态系统可持续性分析

绿色发展与可持续发展体现了社会生态系统结构和演化的复杂性与可持续性。社会生态系统是一种复杂适应系统,其复杂性主要体现为:具有非线性层级结构、具有适应性演化机制和表现出共同进化过程。社会生态系统的可持续性则主要表现为自稳定性、自组织性和自适应性等特征。社会生态系统在演化过程中,在一定条件下,能够维持自己的整体有序结构;能够根据规则调整系统的内部结构,甚至改变规则以适应不断变化的外界环境,从而使系统突现出新的结构和功能,表现出一种适应性的有序演化过程。社会生态系统的可持续性分析为绿色发展的理论建构提供了新的视角和研究进路。     

祁连山土壤呼吸沿环境梯度变化规律的研究

“祁连山土壤呼吸沿环境梯度变化规律的研究”系甘肃祁连山水源涵养林研究院与中国林业科学研究院森林生态环境研究所合作研究的国家自然科学基金项目（30271071）。该研究旨在填补祁连山和内陆河地区土壤呼吸本底资料的空白,为正确评价祁连山土壤系统乃至陆地生态系统在全球变化中的地位和作用提供依据。     

全球变化对区域水土资源与环境质量的影响

水土资源是人类赖以生存的物质基础,是保障国家水安全和粮食安全的根本;水土资源的优化配置已成为全球生态环境保护和经济发展共生的有效途径。在全球变化背景下,水资源的水质水量以及土地资源的格局和土壤环境质量都将发生深刻的变化。因此揭示全球变化对区域水土资源和环境质量的影响,预估全球变化背景下区域水土资源和环境质量的变化趋势,并将这种影响纳入水土资源优化配置模型中,建立全球变化背景下规避生态环境风险的水土资源优化配置模型是当前国际研究的重大热点和前沿命题,是我国亟需解决的国家重大需求。未来相关研究需以全球变化背景下大气—陆面—水文—环境过程演变为主线,需重点研究4项内容:水土界面物质能量迁移传输和相互作用过程及规律分析、区域水土资源空间网络系统变化特征和驱动机制、气候变化对区域水土资源和环境质量的影响评价、全球增暖1.5℃/2℃区域水土资源优化配置模式设计。解决3大科学问题:气候变化背景下水土界面物质/能量迁移转化过程及规律、区域水土资源空间网络系统对全球变化的响应过程及机理、全球变化背景下水土资源优化配置原理及环境风险规避机制。     

我国北方几种典型森林退化机制及恢复技术

我国森林退化严重,人均森林面积和蓄积量不足世界平均水平的1/4和1/7,森林生态功能低下,年平均生长量不足世界平均水平的1/4.在受到人为和自然干扰的同时,对我国森林(尤其是北方森林)威胁更为严重的是全球变化的长期影响.     

“十一五”期间我国陆域生态系统评估

良好的生态环境是人类生存和可持续发展的基础。无论维持生态系统结构和功能的可持续性,还是修复受损生态系统,或是重建具有活力、结构稳定和自我调节能力的生态系统,其首要前提都是掌握与人类发展密切相关的生态环境状况。自20世纪90年代中期以来,国家对生态环境保护越来越重视。“十一五”期间,国家出台了一系列生态保护政策和措施,不断加强开展生态环境保护。