第1期 宋冰,等:全球变化与陆地生态系统碳循环研究进展 态系统地上净初级生产力平均提高了29%m;另一反馈关系的不确定性,结果显示11种模型都表明未 项基于植物个体水平的整合分析结果表明,在氮添加来碳循环与气候变化之间存在正反馈作用.不同 处理下植物生物量增加了53.6%∞.在草原生态系地球系统模型模拟结果的差异性取决于陆地碳库响 统中,植物根系生物量对氮素添加的响应不显著),应大气CO2浓度升高的时滞,而不同模型中碳通量和 而一整合分析研究结果显示氮素添加对陆地生态系碳库的结果主要取决于植物生产力对CO,浓度增加 统地下生产力的影响为正效应.对土壤碳库的整的敏感性,虽然其它碳循环过程同样受CO2浓度增加 合研究表明土壤有机层碳库在氮素添加处理下增加的影响].同样,大多数气候-碳循环模型显示的正 了17%,但矿物质层的土壤碳库对氮素添加没有显反馈结果源于在气候变暖条件下生态系统净初级生 著响应,这最终导致了氮素添加对生态系统中土产力的降低和呼吸的增强,而实验的证据显示植物生 壤碳存储量并没有显著影响.模型预测结果显示,产力在碳循环对气候变化的反馈中起重要调节作 持续的氮输入可能会造成陆地生态系统的“氮饱和”用.另外,模型结果的不确定性也来源于从微观到 状态{8。,这说明陆地生态系统碳循环对大气氮沉降宏观以及从短时间尺度到长时间尺度的尺度推绎问 增加的响应可能是非线性的.由以往这些研究结果可题明.同时,目前很多模型没有考虑到碳氮循环的相 以看出,大气氮沉降增加在短期内可以促进陆地生态互作用、除CO2以外的其它温室气体的变化以及大气 系统生产力 气溶胶的变化等3.00 5)其它全球变化因子 1.2国内研究进展 工业革命以来,大气中的臭氧(O3)浓度不断升我国是全球变化领域科学研究的发起国之一,在 高,臭氧不仅本身是一种温室气体还影响着气候变生态系统碳循环与全球变化领域取得了系统性的成 化9.臭氧浓度增加会直接抑制植物生长进而降低果,并在各种重大国际科学研究计划中发挥了重要作 植物生产力明.例如整合分析的研究结果表明,臭用.自20世纪90年代以来,我国科学家就全球变化 氧增加导致北半球温带森林的光合速率降低11%,对陆地碳循环的影响给予了广泛关注,我国政府也加 生物量减少7%∞ω.实验和模型分析的结果同样支强了对陆地生态系统碳循环研究的支持力度.2006 持这种结论除臭氧以外,大气中其它成分的改年,国家自然科学基金委员会启动了“我国主要陆地 变,如气溶胶含量增加,同样对陆地生态系统碳循环生态系统对全球变化的响应与适应性样带硏究”,主 有着很大的影响.大气气溶胶主要通过影响辐射及云要研究了森林生态系统格局、生物多样性和物质循环 量间接地影响陆地植物生产∞.研究表明不同生态关键过程对全球变化的响应和适应机制.2011年,中 系统对气溶胶含量增加有不同的响应,对于森林和农国科学院启动了战略性先导科技专项“应对气候变化 田生态系统而言,气溶胶有可能会增加其碳汇;而对的碳收支认证及相关问题”(碳专项),其重点是清查 于草地生态系统,气溶胶增加会降低其碳汇[∞ 中国主要陆地生态系统的碳储量和碳固持潜力,从而 1.1.3陆地生态系统碳循环对气候变化的反馈 全面地推动了我国在碳收支和碳循环方面的研究 陆地生态系统碳循环对气候变化的反馈研究均2012年,国家基金委启动了重大项目“陆地生态系统 基于模型模拟目前有两种碳循环反馈模型,一种是中生物对碳-氮-水耦合循环的影响机制”,为深入 CO浓度-碳循环耦合模型,另外一种是气候-碳循理解我国主要陆地生态系统碳循环及相关地表过程 环耦合模型.由于大气CO,浓度增加通常会促进陆地的相互作用机制提供机理方面的探讨在这些研究项 生态系统的碳积累,所以利用CO,浓度-碳循环模型目的带动下,我国陆地生态系统碳循环对全球变化的 模拟的结果是碳循环与全球变化间存在负反馈关响应研究工作取得了很大进展 系{3.但是,基于气候-碳循环模型的研究结果,碳 在碳循环对全球变化的响应方面,我国学者的研 循环与全球变化之间是正反馈作用3.,9%.Fre究证明上世纪80年代初以来北半球植被生长期延长 dinstein等人(206)利用11种气候-碳循环耦合模是其生产力增加的主要原因;而温度是导致北半 型探讨了 IPCC A2情景下的碳循环与气候变化之间球植被生产力年际波动的主要因子,大气中CO2浓度第 １ 期 宋冰ꎬ等:全球变化与陆地生态系统碳循环研究进展 态系统地上净初级生产力平均提高了 ２９％ [７９] ꎻ另一 项基于植物个体水平的整合分析结果表明ꎬ在氮添加 处理下植物生物量增加了 ５３􀆰 ６％ [８４] . 在草原生态系 统中ꎬ植物根系生物量对氮素添加的响应不显著[８５] ꎬ 而一整合分析研究结果显示氮素添加对陆地生态系 统地下生产力的影响为正效应[８６] . 对土壤碳库的整 合研究表明土壤有机层碳库在氮素添加处理下增加 了 １７％ ꎬ但矿物质层的土壤碳库对氮素添加没有显 著响应[８７] ꎬ这最终导致了氮素添加对生态系统中土 壤碳存储量并没有显著影响[８６] . 模型预测结果显示ꎬ 持续的氮输入可能会造成陆地生态系统的“氮饱和” 状态[８８￣８９] ꎬ这说明陆地生态系统碳循环对大气氮沉降 增加的响应可能是非线性的. 由以往这些研究结果可 以看出ꎬ大气氮沉降增加在短期内可以促进陆地生态 系统生产力. ５)其它全球变化因子 工业革命以来ꎬ大气中的臭氧(Ｏ３ ) 浓度不断升 高ꎬ臭氧不仅本身是一种温室气体还影响着气候变 化[９０] . 臭氧浓度增加会直接抑制植物生长进而降低 植物生产力[９１￣９２] . 例如ꎬ整合分析的研究结果表明ꎬ臭 氧增加导致北半球温带森林的光合速率降低 １１％ ꎬ 生物量减少 ７％ [９０￣９１] . 实验和模型分析的结果同样支 持这种结论[３９ꎬ９３] . 除臭氧以外ꎬ大气中其它成分的改 变ꎬ如气溶胶含量增加ꎬ同样对陆地生态系统碳循环 有着很大的影响. 大气气溶胶主要通过影响辐射及云 量间接地影响陆地植物生产[９４] . 研究表明不同生态 系统对气溶胶含量增加有不同的响应ꎬ对于森林和农 田生态系统而言ꎬ气溶胶有可能会增加其碳汇ꎻ而对 于草地生态系统ꎬ气溶胶增加会降低其碳汇[９５] . １􀆰 １􀆰 ３ 陆地生态系统碳循环对气候变化的反馈 陆地生态系统碳循环对气候变化的反馈研究均 基于模型模拟. 目前有两种碳循环反馈模型ꎬ一种是 ＣＯ２浓度 － 碳循环耦合模型ꎬ另外一种是气候 － 碳循 环耦合模型. 由于大气 ＣＯ２浓度增加通常会促进陆地 生态系统的碳积累ꎬ所以利用 ＣＯ２浓度 － 碳循环模型 模拟的结果是碳循环与全球变化间存在负反馈关 系[２８ꎬ３４] . 但是ꎬ基于气候 － 碳循环模型的研究结果ꎬ碳 循环与全球变化之间是正反馈作用[３５ꎬ６０ꎬ９６￣９７] . Ｆｒｉｅ￣ ｄｌｉｎｇｓｔｅｉｎ 等人(２００６)利用 １１ 种气候 － 碳循环耦合模 型探讨了 ＩＰＣＣ Ａ２ 情景下的碳循环与气候变化之间 反馈关系的不确定性ꎬ结果显示 １１ 种模型都表明未 来碳循环与气候变化之间存在正反馈作用[３３] . 不同 地球系统模型模拟结果的差异性取决于陆地碳库响 应大气 ＣＯ２浓度升高的时滞ꎬ而不同模型中碳通量和 碳库的结果主要取决于植物生产力对 ＣＯ２浓度增加 的敏感性ꎬ虽然其它碳循环过程同样受 ＣＯ２浓度增加 的影响[２８] . 同样ꎬ大多数气候 － 碳循环模型显示的正 反馈结果源于在气候变暖条件下生态系统净初级生 产力的降低和呼吸的增强ꎬ而实验的证据显示植物生 产力在碳循环对气候变化的反馈中起重要调节作 用[９８] . 另外ꎬ模型结果的不确定性也来源于从微观到 宏观以及从短时间尺度到长时间尺度的尺度推绎问 题[９９] . 同时ꎬ目前很多模型没有考虑到碳氮循环的相 互作用、除 ＣＯ２以外的其它温室气体的变化以及大气 气溶胶的变化等[３４￣３５ꎬ１００￣１０１] . １􀆰 ２ 国内研究进展 我国是全球变化领域科学研究的发起国之一ꎬ在 生态系统碳循环与全球变化领域取得了系统性的成 果ꎬ并在各种重大国际科学研究计划中发挥了重要作 用. 自 ２０ 世纪 ９０ 年代以来ꎬ我国科学家就全球变化 对陆地碳循环的影响给予了广泛关注ꎬ我国政府也加 强了对陆地生态系统碳循环研究的支持力度. ２００６ 年ꎬ国家自然科学基金委员会启动了“我国主要陆地 生态系统对全球变化的响应与适应性样带研究”ꎬ主 要研究了森林生态系统格局、生物多样性和物质循环 关键过程对全球变化的响应和适应机制. ２０１１ 年ꎬ中 国科学院启动了战略性先导科技专项“应对气候变化 的碳收支认证及相关问题” (碳专项)ꎬ其重点是清查 中国主要陆地生态系统的碳储量和碳固持潜力ꎬ从而 全面地推动了我国在碳收支和碳循环方面的研究. ２０１２ 年ꎬ国家基金委启动了重大项目“陆地生态系统 中生物对碳 － 氮 － 水耦合循环的影响机制”ꎬ为深入 理解我国主要陆地生态系统碳循环及相关地表过程 的相互作用机制提供机理方面的探讨. 在这些研究项 目的带动下ꎬ我国陆地生态系统碳循环对全球变化的 响应研究工作取得了很大进展. 在碳循环对全球变化的响应方面ꎬ我国学者的研 究证明上世纪 ８０ 年代初以来北半球植被生长期延长 是其生产力增加的主要原因[１０２] ꎻ而温度是导致北半 球植被生产力年际波动的主要因子ꎬ大气中 ＣＯ２浓度 １７