第1期 宋冰,等:全球变化与陆地生态系统碳循环研究进展 由于碳循环是地球系统物质和能量循环的核心,通过集合欧洲通量数据、航空航天的CO2观测数据和 是不同圈层相互作用的纽带,陆地碳循环及其对全球地面清査资料,开展综合集成工作,探讨欧洲地区陆 变化的响应研究一直是国际地球物理学界广泛关注地生态系统碳源/汇的时空分布格局.亚洲地区的 的前沿问题,是国际地圈生物圈计划(lGBP)、全球环些科学家也相继开展了亚洲区域陆地生态系统碳储 境变化国际人文因素计划(IHDP)、世界气候研究计量、碳汇及其它与全球变化相关问题的研究-.例 划(wCRP)、全球碳计划(GCP)等重大科学研究计划如, AsiaFlux研究网络针对亚洲地区典型生态系统碳 的主题.陆地生态系统碳循环不仅是驱动生态系通量进行研究,量化了亚洲区域的碳收支状况 统变化的关键过程,还与生态系统水循环、养分循环 与此同时,为了模拟和预测陆地碳循环及其未来 和生物多样性等有着密切的耦合关系,会直接或间接情景,科学家们相继开发了大量的陆地碳循环动力学 地影响陆地生态系统的功能、生物多样性和可持续模型.目前,IPC用到的十余个地球系统模型中的陆 性3].因此,对陆地生态系统碳循环及相关地表过地模型均从不同角度描述了碳循环的过程和机制,但 程对全球变化响应的研究是预测未来大气CO浓度、是,这些模型之间的模拟结果相差甚远.如何对 认识大气圈与生物圈的相互作用等科学问题的关键,这些模型进行基准评价( benchmark analysis)并定量 同时也是认识地球生态系统能量平衡、水分和养分循模型的不确定性是当前全球变化生态学研究的难点 环以及生物多样性变化的基础 与热点.在过去二十余年间,多个模型评估项目已经 到目前为止,科学家们通过实地观测、控制实验、应运而生.例如,“陆地表面参数比较计划(PLPS) 模型模拟以及整合分析与数据挖掘等手段在全球范集中于硏究水分和能量平衡的验证ω;“碳循环模型 围内对全球变化与陆地生态系统碳循环已经开展了联动计划(CCMP)”对陆地碳循环的模拟进行评 大量的研究.本文将综述最近十几年来国内外在此领估{3;“碳循环-气候耦合模型比较项目(CMP)” 域的研究进展阐述陆地生态系统碳循环对大气CO2系统地比较了IPCC用到的11个陆地生态系统模型 浓度升高、全球变暖、降雨格局改变、氮沉降增加等多的预测结果 个因子的响应及其反馈,并针对目前存在的问题提出 虽然世界各地对不同区域的陆地生态系统碳通 未来的研究展望 量/储量和碳源/汇已经有一些研究,我们对关键区域 1国内外研究进展 乃至全球碳源/汇的生物地理学格局及其调控机制的 理解还很有限.同时,尽管全球陆地生态系统碳通量/ 1.1国际研究进展 储量和碳源/汇已有很多估算值,但不同区域间的估 1.1.Ⅰ气候变化与区域碳收支研究进展 算由于缺乏一致性和标准化,各种估算结果之间存在 准确地估计和评价陆地生态系统碳源/汇时空变较大的差异性另一方面,目前的生态系统过程模型 化和相关地表过程对全球变化的响应和适应是预测由于模型自身的限制和对生态系统关键过程和控制 气候变化、管理自然资源以及控制温室效应增强的基机制理解的缺乏,对陆地碳源/汇时空格局的估算以 础,是目前全球变化研究最为重要的前沿领域之一.及陆地碳循环对气候变化的响应的预测仍然存在很 近些年来,科学界对陆地生态系统碳循环的研究日益大的不确定性3.如何用联网观测和试验数据来优 重视,世界各个国家纷纷启动一些大型碳循环科学硏化模型参数并降低模型模拟的不确定性、提高模型预 究计划.比如,美国、加拿大和墨西哥联合启动了“北测的准确性是未来全球变化生态学研究的主要挑战 美碳计划(NACP)”,重点研究北美区域和国家尺度之 的碳源/汇格局及其变化;欧盟发起了“欧洲碳循环联1.1.2陆地碳循环对全球变化的响应 合项目( CarboEurope)”,重点研究欧洲陆地生态系统 1)CO2浓度升高 碳储量/通量状况. CarboEurope项目在2003年结束 由于CO2是植物进行光合作用的底物,大气CO 后,欧盟启动了另外一个综合集成碳项目—Car浓度升高通常会促进植物的光合作用,进而促进植物 euRope-P,重点在于将以前的研究工作继续深入,生长和陆地生态系统生产力{”,3,,,但是不同植物第 １ 期 宋冰ꎬ等:全球变化与陆地生态系统碳循环研究进展 由于碳循环是地球系统物质和能量循环的核心ꎬ 是不同圈层相互作用的纽带ꎬ陆地碳循环及其对全球 变化的响应研究一直是国际地球物理学界广泛关注 的前沿问题ꎬ是国际地圈生物圈计划( ＩＧＢＰ)、全球环 境变化国际人文因素计划( ＩＨＤＰ)、世界气候研究计 划(ＷＣＲＰ)、全球碳计划(ＧＣＰ)等重大科学研究计划 的主题[１９] . 陆地生态系统碳循环不仅是驱动生态系 统变化的关键过程ꎬ还与生态系统水循环、养分循环 和生物多样性等有着密切的耦合关系ꎬ会直接或间接 地影响陆地生态系统的功能、生物多样性和可持续 性[２０￣２２] . 因此ꎬ对陆地生态系统碳循环及相关地表过 程对全球变化响应的研究是预测未来大气 ＣＯ２浓度、 认识大气圈与生物圈的相互作用等科学问题的关键ꎬ 同时也是认识地球生态系统能量平衡、水分和养分循 环以及生物多样性变化的基础. 到目前为止ꎬ科学家们通过实地观测、控制实验、 模型模拟以及整合分析与数据挖掘等手段在全球范 围内对全球变化与陆地生态系统碳循环已经开展了 大量的研究. 本文将综述最近十几年来国内外在此领 域的研究进展ꎬ阐述陆地生态系统碳循环对大气 ＣＯ２ 浓度升高、全球变暖、降雨格局改变、氮沉降增加等多 个因子的响应及其反馈ꎬ并针对目前存在的问题提出 未来的研究展望. １ 国内外研究进展 １􀆰 １ 国际研究进展 １􀆰 １􀆰 １ 气候变化与区域碳收支研究进展 准确地估计和评价陆地生态系统碳源/ 汇时空变 化和相关地表过程对全球变化的响应和适应是预测 气候变化、管理自然资源以及控制温室效应增强的基 础ꎬ是目前全球变化研究最为重要的前沿领域之一. 近些年来ꎬ科学界对陆地生态系统碳循环的研究日益 重视ꎬ世界各个国家纷纷启动一些大型碳循环科学研 究计划. 比如ꎬ美国、加拿大和墨西哥联合启动了“北 美碳计划(ＮＡＣＰ)”ꎬ重点研究北美区域和国家尺度 的碳源/ 汇格局及其变化ꎻ欧盟发起了“欧洲碳循环联 合项目(ＣａｒｂｏＥｕｒｏｐｅ)”ꎬ重点研究欧洲陆地生态系统 碳储量/ 通量状况. ＣａｒｂｏＥｕｒｏｐｅ 项目在 ２００３ 年结束 后ꎬ欧盟启动了另外一个综合集成碳项目———Ｃａｒ￣ ｂｏＥｕｒｏｐｅ － ＩＰꎬ重点在于将以前的研究工作继续深入ꎬ 通过集合欧洲通量数据、航空航天的 ＣＯ２观测数据和 地面清查资料ꎬ开展综合集成工作ꎬ探讨欧洲地区陆 地生态系统碳源/ 汇的时空分布格局. 亚洲地区的一 些科学家也相继开展了亚洲区域陆地生态系统碳储 量、碳汇及其它与全球变化相关问题的研究[２３￣２６] . 例 如ꎬＡｓｉａＦｌｕｘ 研究网络针对亚洲地区典型生态系统碳 通量进行研究ꎬ量化了亚洲区域的碳收支状况[２７] . 与此同时ꎬ为了模拟和预测陆地碳循环及其未来 情景ꎬ科学家们相继开发了大量的陆地碳循环动力学 模型. 目前ꎬＩＰＣＣ 用到的十余个地球系统模型中的陆 地模型均从不同角度描述了碳循环的过程和机制ꎬ但 是ꎬ这些模型之间的模拟结果相差甚远[２８￣３０] . 如何对 这些模型进行基准评价( ｂｅｎｃｈｍａｒｋ ａｎａｌｙｓｉｓ) 并定量 模型的不确定性是当前全球变化生态学研究的难点 与热点. 在过去二十余年间ꎬ多个模型评估项目已经 应运而生. 例如ꎬ“陆地表面参数比较计划( ＰＩＬＰＳ)” 集中于研究水分和能量平衡的验证[３１] ꎻ“碳循环模型 联动计划 ( ＣＣＭＬＰ)” 对陆地碳循环的模拟进行评 估[３２] ꎻ“碳循环 － 气候耦合模型比较项目(Ｃ ４ ＭＩＰ)” 系统地比较了 ＩＰＣＣ 用到的 １１ 个陆地生态系统模型 的预测结果[３３￣３５] . 虽然世界各地对不同区域的陆地生态系统碳通 量/ 储量和碳源/ 汇已经有一些研究ꎬ我们对关键区域 乃至全球碳源/ 汇的生物地理学格局及其调控机制的 理解还很有限. 同时ꎬ尽管全球陆地生态系统碳通量/ 储量和碳源/ 汇已有很多估算值ꎬ但不同区域间的估 算由于缺乏一致性和标准化ꎬ各种估算结果之间存在 较大的差异性. 另一方面ꎬ目前的生态系统过程模型 由于模型自身的限制和对生态系统关键过程和控制 机制理解的缺乏ꎬ对陆地碳源/ 汇时空格局的估算以 及陆地碳循环对气候变化的响应的预测仍然存在很 大的不确定性[３５￣３６] . 如何用联网观测和试验数据来优 化模型参数并降低模型模拟的不确定性、提高模型预 测的准确性是未来全球变化生态学研究的主要挑战 之一. １􀆰 １􀆰 ２ 陆地碳循环对全球变化的响应 １)ＣＯ２浓度升高 由于 ＣＯ２是植物进行光合作用的底物ꎬ大气 ＣＯ２ 浓度升高通常会促进植物的光合作用ꎬ进而促进植物 生长和陆地生态系统生产力[３７ꎬ３８ꎬ３９ꎬ４０] ꎬ但是不同植物 １５