黄河流域陆地生态系统碳储量测算及其影响因素

准确估算陆地生态系统碳储量,科学制定生态环境保护和土地利用政策,对促进区域低碳可持续发展,实现“碳中和”目标具有重要意义。基于大量碳密度样点数据,将其与生态地理分区和土地利用类型图空间叠置,采用克里金插值法得到黄河流域碳密度空间分布数据集。应用InVEST模型对2000年、2010年和2020年黄河流域陆地生态系统碳储量的时空演变测度,提高了碳储量估算结果的准确性。利用Pearson相关性分析和多尺度地理加权回归模型(MGWR)对自然、社会经济和景观格局指数等因素对县级行政单元尺度单位面积碳储量的影响进行分析。主要结论如下:(1)黄河流域碳密度空间分布呈西部大于东部、东部地区自东南向西北递减的格局;(2)2000—2020年黄河流域陆地生态系统碳储量增加0.02%(7.011×10~9—7.012×10~9t),空间分布与碳密度相同,空间集聚特征显著,“高高集聚区”主要分布在黄河上游西南部的青藏高原地区,“低低集聚区”主要分布在黄河上游北部和黄河下游大部分地区;(3)Pearson相关性分析得出与碳储量呈正相关的影响因素为Pr(降水)、NDVI(归一化植被指数)和Slope(坡度);呈负相关的影响因素为TEM(温度)、HAI(人类影响指数)、SHDI(香农多样性指数)、DN(夜间灯光数据像素值)和PPOD(人口密度)。(4)MGWR模型得出TEM、Pr、NDVI和SHDI空间异质性强,HAI在2010年后异质性强;Slope空间异质性中等;DN和PPOD为全局尺度变量,空间影响平稳;(5)MGWR模型得出NDVI对黄河流域县级单位面积碳储量作用强度最大。NDVI、Slope对县级单位面积碳储量的影响呈正效应,TEM、HAI、DN和PPOD呈负效应,Pr、SHDI呈正、负双向效应。

陆地生态系统土壤CO_(2)排放对模拟增温的响应特征及影响因素

全球变暖已经成为不争的事实,陆地生态系统碳循环的研究受到了各界广泛关注,是当前全球变化研究中的重点。土壤CO_(2)排放是陆地生态系统与大气间二氧化碳交换的最大通量之一,当前陆地生态系统中土壤CO_(2)排放如何响应全球气候变暖及其影响因素仍不清楚,限制了对土壤碳循环过程及影响机制的深入认识。旨在明确全球变暖背景下陆地生态系统中土壤CO_(2)排放格局及影响因素。基于Web of Science、PubMed和中国知网等中英文期刊数据库,充分收集全球范围内的相关野外试验文献81篇,提取出65个研究位置和213组相关研究数据,采用Meta分析方法探讨陆地生态系统土壤CO_(2)排放对增温的响应特征,分析其与海拔、气候、土壤含水量、容重(BD)、pH、全氮(TN)和土壤有机碳(SOC)的相关关系。结果表明:陆地生态系统中土壤CO_(2)排放对增温整体有显著的正向响应,在农、林、草生态系统中,增温使土壤CO_(2)排放分别显著增加13.1%、18.0%、5.9%(P<0.05),森林生态系统对增温响应的正效应最强烈;增温能在短时期内促进土壤呼吸,但随着增温持续时间增加,土壤呼吸对温度的敏感性会降低,对温度变化产生适应性,从而使其对增温的响应能力减弱;响应特征受到环境因子、土壤特性以及其他试验条件等的影响,绝大多数条件下对增温表现出显著的正响应特征,不同影响因子之间共同作用、相互影响。增温通常能够改变植物生物量、土壤养分含量及微生物数量和活性,从而影响到植被根际呼吸和土壤呼吸速率。相关分析表明,海拔对土壤CO_(2)排放有显著负向影响,而年均气温、年均降水量、土壤含水量和仪器嵌入土壤深度则对土壤CO_(2)排放产生显著正向影响。这些结果对于理解全球土壤CO_(2)排放的时空变化格局有重要意义,也为准确评价全球变暖背景下土壤碳汇功能及其持续性提供理论依据。

气候变化下黑土区陆地生态系统碳储量时空格局与模拟

以典型黑土区——三江平原为研究区,采用最小二乘法揭示1990-2020年气候变化下研究区陆地生态系统碳储量变化趋势,借助重心分析和冷热点分析方法揭示研究区陆地生态系统碳储量时空分异特征,利用地理加权回归法分析气候因子对碳储量的影响,并借助CMIP6数据模拟和预测高强迫情景(SSP585)和中等强迫情景(SSP245)下陆地生态系统碳储量。结果表明:气候变化背景下1990-2020年研究区碳储量呈波动下降趋势,碳储量损失约2.66×10^(7)t;碳储量高值区主要分布在西北部和东部地区,碳储量低值区主要分布在北部和东南部地区;1990-2020年研究区碳储量下降速率变化幅度较大,其中鹤岗市碳储量下降速率最大,佳木斯市最小。1990-2020年研究区碳储量重心向东北方向移动1340m,其中2000-2020年向东北方向偏移1680m;碳储量热点区呈片状和块状分布格局,冷点区呈片状和带状分布格局,热点区范围基本保持不变,冷点区范围缩小。1990-2020年研究区年均气温、年降水量与碳储量关系具有显著性,呈正负无规律交错分布的空间格局。气候与土地利用变化决定碳储量的时空格局,其中林地-林地和耕地-耕地碳储量损失最大。在SSP585和SSP245情景下,2030年研究区碳储量分别为2.22×10^(7)t和2.26×10^(7)t,相比2020年分别减少2.17×10^(7)t和2.13×10^(7)t,碳储量空间分布格局未发生显著改变,但冷热点区范围均缩小,重心将持续向东北方向偏移6525m和6000m。

黄土高原陆地生态系统碳储量的时间演进与空间分异特征

[目的]揭示土地利用变化导致黄土高原陆地生态系统碳储量的时间变化及空间分异,为维护区域生态安全和土地管理提供理论指导。[方法]运用GIS、统计模型和地理探测器等方法,探究了1985—2019年黄土高原因LUCC引起的陆地生态系统碳储量的变化及空间分异的影响因素。[结果](1)1985—2019年黄土高原耕地减少277.14万hm^(2),林地、草地和建设用地分别增加167.97万hm^(2),119.35万hm^(2),128.47万hm^(2),其他土地减少143.75万hm^(2)。(2)1985—2019年黄土高原陆地生态系统碳储量共增加5225.51万t,2002年后,随着还林还草等生态工程的进一步推进,碳储量增幅明显,尤其是植被碳储量。(3)1985—2002年黄土高原陆地生态系统碳储量变化热点区域主要集中在陕西、山西、宁夏和内蒙古的部分地市;冷点区域主要集中在河南、山西、甘肃的部分地市;2002—2019年热点区域主要集中在陕西、甘肃、内蒙古和山西的部分地市;冷点区域主要集中在陕西、河南、山西、内蒙古和宁夏的部分地市。(4)黄土高原陆地生态系统碳储量空间格局受自然和人类活动的综合影响,年NDVI、实际蒸发量、人类活动强度、年降水量、坡度和高程是主要影响因子,且自然因子和人为因子组合交互作用高于单类型因子之间的组合。[结论]以退耕还林还草为主的生态工程所引起的林、草地面积增加使得黄土高原陆地生态系统碳储量不断增加。在保证粮食安全的前提下,科学制定差异化的生态治理方案,强化推进研究区生态工程建设,限制建设用地扩张,有利于提高区域碳储量。

长江三角洲城市群建设用地扩张和耕地保护对陆地生态系统碳汇的影响研究

基于DNDC(DeNitrification-DeComposition)和IBIS(Integrated Biosphere Simulator)模型模拟农田、林地、草地生态系统的温室气体排放量和碳汇通量,进而评估2000-2020年长江三角洲城市群建设用地扩张和新增耕地对陆地生态系统碳汇的影响。结果表明:①2020年长江三角洲城市群林地、草地和农田生态系统均承担碳汇功能,总碳汇平均值为4439.56±3257.83 kg C hm^(-2)·a^(-1),呈现北高南低的空间分布特征;②2000-2020年长江三角洲城市群新增建设用地13702.09 km^(2),引起陆地生态系统碳汇损失8.21 Tg C,若不考虑碳汇的空间异质性,则碳汇损失7.87 Tg C;③2000-2020年长江三角洲城市群新增耕地1236.58 km^(2)(27.42%和25.85%转入源分别为林地和草地),导致碳汇增加0.28 Tg C;④长江三角洲城市群农田生态系统具有较高的固碳能力且其碳汇具有较强的空间异质性,耕地保护政策降低了建设用地扩张引起的碳汇损失。

^(13)C稳定同位素在陆地生态系统植物-微生物-土壤碳循环中的应用

绿色植物通过光合作用吸收大气中的CO_(2),是陆地生态系统的主要碳(C)源,量化光合C在植物-土壤系统间的分配,对于明确C的周转与存留、预测气候变化背景下植被和土壤C库潜力具有重要意义。^(13)C稳定同位素技术具有准确性和易操作性,在C循环研究中被广泛应用,为探究植物-土壤系统C分配、土壤微生物群落结构、C利用效率和土壤C矿化为CO_(2)通量变化等特性提供重要技术支撑。本研究首先介绍^(13)C稳定同位素的发展和标记方法,主要有^(13)C脉冲(单次与多次)标记、^(13)C连续标记、借助C_(4)土壤种植C_(3)植物确定^(13)C丰度以及不改变植被条件鉴定自然^(13)C丰度等。其次总结该技术在植物-微生物-土壤系统C循环中的应用:主要包括^(13)C同位素标记在植物-土壤系统C分配,^(13)C自然丰度技术在树木生长轮和植物群落水平C循环、土壤有机C形成与分解过程中的应用;在土壤微生物方面,概述^(13)C稳定同位素在磷脂脂肪酸、氨基糖、芯片-稳定同位素探针、纳米二次离子质谱同位素成像、荧光原位杂交-纳米二次离子质谱技术等微生物标志物上的应用。接着总结^(13)C稳定同位素方法的缺点,即^(13)C样品检测价格昂贵、由于^(13)C分馏作用影响^(13)C丰度检测不准确及^(13)C标记与微生物标志物技术结合对^(13)C标记丰度要求较高等。最后,对未来^(13)C同位素示踪技术研究提出展望:在理论上,需探究^(13)C标记底物在植物-土壤-微生物系统C分配、转化和固持的作用机制和影响机制,构建统计与验证模型;在应用上,应注重交叉学科的运用,将地理信息系统、遥感等地学技术与^(13)C稳定同位素相结合,从更广泛、更全面的角度推进陆地生态系统C循环研究。

陆地生态系统多功能性的研究进展:基于趋势、方法和影响因素的探讨

生态系统具有同时维持多种生态功能和服务的能力,被称为生态系统多功能性(Ecosystem multifunctionality)。近年来,随着全球变化对生态系统的影响日益加深,针对陆地生态系统多功能性的研究也逐渐成为一个热点。本文从概念发展、热点趋势、指标量化和影响因子等方面阐述陆地生态系统多功能性的发展情况与研究现状,结果表明:自2004年“多功能性(Multifunctionality)”的概念被首次提出以来,该领域研究在2018年开始呈指数增长趋势,在此期间有学者细化了对生态系统多功能性定义的分类并提出生物多样性对生态系统多功能性的影响。通过文献计量分析发现,陆地生态系统比水生生态系统受到更多的关注,且对于生态系统多功能性的研究热点主要集中在生物多样性和多功能性领域。通过综合分析全球变化对陆地生态系统多功能性的影响发现,生物多样性促进陆地生态系统多功能性,气候变化和土地利用变化对陆地生态系统多功能性具有抑制作用。因此需要制定有效的政策和措施保护陆地生态系统多功能性的完整和稳定,确保人类社会的可持续发展。

陆地生态系统—大气界面多种碳氮气体交换通量的同步自动观测系统

项目概况我国现有的陆地生态系统非均匀下垫面观测技术,远不能满足碳氮温室气体排放的过程与机理及碳氮循环耦合过程的综合研究对观测设备性能的要求。由于国际上尚无商品化的相关设备,国外先进科研机构都只能通过自己研制来满足其科研工作的需要。本项目将研制我国第一套专门针对非均匀下垫面低矮植被陆地生态系统进行多点位多气体(包括N_(2)O、NO、CH_(4)、CO_(2))净排放通量的同步、高频、全自动综合测定的观测技术系统(AMEG)。

陆地生态系统 - 大气界面多种碳氮气体交换通量的同步自动观测系统

项目概况我国现有的陆地生态系统非均匀下垫面观测技术,远不能满足碳氮温室气体排放的过程与机理及碳氮循环耦合过程的综合研究对观测设备性能的要求。由于国际上尚无商品化的相关设备,国外先进科研机构都只能通过自己研制来满足其科研工作的需要。本项目将研制我国第一套专门针对非均匀下垫面低矮植被陆地生态系统进行多点位多气体(包括N_(2)O、NO、CH_(4)、CO_(2))净排放通量的同步、高频、全自动综合测定的观测技术系统(AMEG)。

大气环境监测卫星与陆地生态系统碳监测卫星投入使用

大气环境监测卫星与陆地生态系统碳监测卫星近日正式投入使用。大气环境监测卫星是世界首颗采用激光主动探测手段的高精度大气环境遥感卫星,利用主动激光、高光谱、多光谱等多种手段综合观测,可对大气细颗粒物、污染气体、温室气体等环境要素开展大范围、连续、动态、全天时的综合监测。该卫星首批发布的应用成果包括首个高精度全球全天时二氧化碳柱浓度分布图、首个全球二氧化氮柱浓度遥感图、全球臭氧柱浓度遥感图等20余项产品。

欢迎订阅《陆地生态系统与保护学报》

《陆地生态系统与保护学报》是中国林业科学研究院主办、国内外公开发行的自然科学学术期刊。主要报道范围包括森林、草地、荒漠、湿地等单一类型生态系统的起源、演化、结构、过程和功能及其在恢复、管理、保护上的最新科研成果,也包括由不同单一类型生态系统组成的复杂生态系统的相关研究成果,代表我国陆地生态系统与保护领域应对气候变化、生物多样性保育与可持续发展的科技水平及研究进展。此外,期刊还通过学术发展动向评述、学术交流讨论、相关科技信息展示等方式,促进相关行业的科技、教育及生产发展,支撑国家生态文明建设。

欢迎订阅《陆地生态系统与保护学报》

《陆地生态系统与保护学报》是中国林业科学研究院主办、国内外公开发行的自然科学学术期刊。主要报道范围包括森林、草地、荒漠、湿地等单一类型生态系统的起源、演化、结构、过程和功能及其在恢复、管理、保护上的最新科研成果,也包括由不同单一类型生态系统组成的复杂生态系统的相关研究成果,代表我国陆地生态系统与保护领域应对气候变化、生物多样性保育与可持续发展的科技水平及研究进展。此外,期刊还通过学术发展动向评述、学术交流讨论、相关科技信息展示等方式,促进相关行业的科技、教育及生产发展,支撑国家生态文明建设。

陆地生态碳卫星植被激光雷达大动态激光探测技术

陆地生态碳卫星搭载了基于脉冲时间飞行法的全波形激光雷达。针对林业高保真大动态的高精度测量需求,激光雷达设计了双增益探测通道,通道带宽优于80 MHz,采样率1.2 GHz,量化位数12 bit,双通道动态范围覆盖超过40 dB,实现了对激光主波和回波信号的不失真记录。时间测量单元利用优于10-8的高稳定恒温晶振作为时间基准,通过高效波形提取和高精度质心提取算法,达到了时间测量精度优于300 ps的技术指标。对双通道数据的相对延时进行了测量标定,利用其单次测量延时固定的特性提出了双通道测量数据的融合应用建议。目前激光雷达已在轨运行1年,运行良好,在轨标定测距精度优于0.15 m,满足研制要求。

陆地生态系统碳监测卫星系统设计与技术创新

由国家民用空间基础设施支持的陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”瞄准森林碳汇储量评估的需求,配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪和多角度偏振成像仪等4个载荷。卫星采用主被动遥感相结合的体制,综合运用激光、多角度、多光谱、超光谱、偏振等遥感手段,可实现植被生物量、叶绿素荧光、气溶胶分布的高精度定量测量。通过在轨定标和真实性检验,发布了包括森林树高、生物量、叶绿素荧光等反演产品。目前该卫星处于在轨测试阶段,预期在地面坡度小于5°的区域,树高测量精度优于1.5 m,区域尺度的生物量反演精度优于85%。该卫星将在碳汇储量监测、生态资源详查、国家重大生态工程监测评价等方向上提供遥感监测服务,为“碳达峰、碳中和”战略发挥遥感力量。

遥瞰山河 拱卫九重——陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”

2022年8月4日,陆地生态系统碳监测卫星“句(gōu)芒号”由长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心成功发射。句芒是中国古代民间神话中的木神、春神、东方之神,主管树木发芽生长。2022年7月,国家航天局发起陆地生态系统碳监测卫星征名活动,最终选定“句芒号”,寓意卫星在生态保护与双碳循环中,将会为人类社会作出重要贡献,为卫星赋予独属炎黄子孙的浪漫。

2000-2018年中国陆地生态系统生态质量指数

生态状况的退化引起了人们的广泛关注,推动了定量分析生态质量方法的发展,加速了生态质量概念的完善,从而有利于指导未来生态环境保护政策的制定。基于当前生态系统功能和生物多样性生境的像素级历史基线的生态质量概念框架,应用卫星遥感和生态系统过程模型数据,经过正向归一化、相关性分析、基于粒子群优化的投影寻踪算法方面的数据质量控制,构建了2000–2018年空间分辨率为1公里的中国陆地生态系统生态质量数据集。通过共享本数据集,以期为生态评估理论和方法的发展,以及为宏观生态系统的管理和决策提供数据基础。

碳中和背景下国内外陆地生态系统碳汇评估方法研究进展

研究目的:针对近30年森林、草地、农田、湿地4种生态系统主流碳汇核算方法,辨析各核算方法特点以准确地对陆地生态系统碳汇能力现状和未来碳汇潜力进行评估。研究方法:文献综述法、对比分析法和归纳法等。研究结果:(1)现有碳汇核算方法多基于公式模型计算,在进行植被碳汇空间格局分析时受样本数量、测量误差、参数误差、数据来源不一致、模型普适性差等因素影响,计算结果存在不确定性,中国统一标准的陆地生态系统碳汇监测体系亟待建立;(2)实现陆地生态系统碳汇量的准确计算,需要可靠数据源、合理的模型与计算方法、多途径的交叉验证、适当误差分析与插补校正;(3)应有效整合样地勘察、模型构建、微气象学和遥感监测等方法,评估陆地碳库的现存量与容量,揭示碳库稳定性及综合考虑碳库影响因素,以期解决生态系统多尺度耦合问题。研究结论:未来研究重点应基于大量实测数据,探究分类型、分地域、分气候的差异化碳汇核算方法,建立全尺度、广覆盖的碳汇计量模型,为中国陆地生态系统碳汇核算标准提供参考。

我国陆地生态系统碳汇的研究进展和提升挑战与路径

巩固和提升陆地生态系统碳汇能力和潜力是缓解全球CO_(2)浓度上升和气候变暖的重要手段,也是实现我国“碳中和”目标的主要途径之一。为全面了解我国陆地生态系统碳汇功能及科学制定“碳中和”目标实施路径和行动方案,本研究总结我国森林、灌丛、草地、荒漠、湿地和农田生态系统碳源/汇的研究现状和趋势,阐述我国陆地生态系统碳汇提升面临的挑战及解决路径。近40年来,我国陆地生态系统表现为重要的碳汇,碳汇强度时空差异明显:从1980—2000年的0.17 Pg·a^(-1)(1 Pg=1×10^(15) g)增至2001—2010年的0.20 Pg·a^(-1),预计2050—2060年将达0.46~0.49 Pg·a^(-1);整体上呈现东、南部高,西、北部低的空间格局。我国陆地生态系统各子系统碳源/汇特征也表现不同:森林是碳汇的主体,灌丛、湿地和农田表现出碳汇趋势,但草地和荒漠的碳源/汇特征尚不明确。我国陆地生态系统未来碳汇潜力巨大,但仍存在较大不确定性,主要面临3方面问题,即国土生态空间有限、固碳能力亟待提升、政策机制与配套措施不完善。今后,我国陆地生态系统碳汇提升应从以下4个方面开展深入研究:1)优化生态空间布局,科学实施生态修复;2)科学认知生态系统碳汇形成机制,提升生态系统固碳能力;3)加强生态系统碳汇调查、监测、核算以及标准规范能力建设;4)探索生态碳汇价值实现机制与路径。

基于过程模型的2000—2018年中国陆地生态系统服务时空动态及其权衡与协同分析

2000年以来,中国陆地生态系统经历了剧烈变化并显著改变了生态系统服务。深入理解近20年中国陆地生态系统服务的时空演变格局及其权衡与协同关系对生态系统管理和可持续发展具有重要的理论和实践意义。基于最新发展的遥感驱动的生态系统服务评估过程模型(CEVSA-ES),研究定量评估了2000—2018年中国4种生态系统服务(即净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持)的时空格局及其权衡与协同关系。结果发现:(1)净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持等服务在2018的全国总量分别为3.68 Pg C/a、0.43 Pg C/a、1015.71 km^(3)/a 208.18 Gt/a;东部季风区的生态系统服务显著高于西北内陆地区及青藏高原地区,特别是热带-亚热带地区主导了中国生态系统服务供给,其对全国尺度不同生态系统服务总量的贡献率均高于50%;(2)2000—2018年,全国净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持均呈增加趋势,年际变化速率分别为42.80 Tg C/a、13.42 Tg C/a、11.90 km^(3)/a、1.11 Gt/a,其中净初级生产力、固碳、蓄水呈显著增加趋势(P<0.05);针对不同气候区,热带-亚热带季风区主导了净初级生产力及固碳的增加趋势,蓄水在不同气候区均呈不显著增加趋势,土壤保持仅在温带大陆性气候区呈显著增加趋势;(3)2000—2018年中国净初级生产力、固碳、蓄水、土壤保持等服务两两之间均呈协同关系。净初级生产力是众多生态系统服务的基础,其与固碳、蓄水、土壤保持两两之间均呈现显著协同关系,这奠定了不同服务之间协同关系的基础;在空间上,两两生态系统服务之间呈协同关系的面积占全国总面积的比例均超过60%,其主要分布在中国北方及长江中下游地区。本研究有助于增强对生态系统服务变化的认知,提高生态系统服务评估结果的科学性,可为生态系统管理提供参考。

基于地面观测的陆地生态系统碳储量多源数据整合方法

陆地生态系统有机碳储量通常指一定面积的植被、土壤和凋落物的有机碳存储量总和。准确评估陆地生态系统碳储量现状和变化,对于揭示全球变化对陆地生态系统碳库的影响、指导政府决策者制定气候应对策略和评估现有措施的有效性等具有重要意义。地面观测数据是生态系统碳储量及其变化评估的重要数据源之一,但目前除少数生态站开展了长期地面数据观测外,绝大多数地面观测数据呈现出多源化、相互不匹配、时间不连续等特点;因此,迫切需要发展科学、规范化的多源数据整合方法,将这些多源、分散的地面观测数据整编形成长期系统的地面动态观测数据集,提高数据资源价值。从陆地生态系统碳储量组分及其基本算法着手,系统梳理了植被和土壤碳储量估算中植被不同器官生物量和碳含量、土壤碳含量、土壤容重等关键参数的观测现状,并详细介绍了这些关键参数的科学推导方法。此外,也进一步讨论了多源地面观测碳储量数据整合的方法,并展望了该方法体系未来的发展方向,期待能为后续相关研究提供可借鉴的规范性方法。