陆地生态系统碳循环模型研究概述

陆地碳循环研究是全球变化研究中的一个重要组成部分,而碳循环模型已成为目前研究陆地碳循环的必要手段.本文针对有关碳循环研究方面的进展,介绍了陆地碳循环模型的基本结构、碳循环过程中涉及的两个基本模型以及目前陆地生态系统碳循环模型的两大类型,并通过对现有主要陆地生态系统碳收支模式的分析,指出了未来陆地碳循环模型的研究方向可能是发展基于动态植被的生物物理模型.这种耦合模型也可能是地球系统模式的重要组成部分.

基于GIS和RS陆地生态系统碳循环的模型研究

陆地生态系统碳循环在全球碳循环中起着重要的和不可替代的作用。由于人们无法在全球尺度上直接和全面的测量生态系统的碳循环过程,因此,利用模型估算成为一种重要的研究方法。本文主要阐述了GIS和RS的特性及这两种技术支持下的遥感反演模型和生物量遥感模型。通过比较分析可知,作为对空间数据存储和可视化表达的GIS技术和具有全球观测能力的RS技术在模型中起着重要而不可替代的作用。

陆地生态系统氮状态对碳循环的限制作用研究进展

陆地生态系统碳循环和氮循环密切相关,碳贮量与碳通量在很大程度上受氮循环的影响和限制。由于氮循环的复杂性,在以往的大多数碳循环研究中,更多考虑水分、温度和大气CO2浓度等因子的影响,考虑碳氮相互作用的研究较少。氮素可限制植物光合、有机质分解、同化产物的分配以及生态系统对大气CO2浓度升高的响应。根据目前有关碳氮模型的发展状况可将碳氮耦合循环模型分为三大类:一是静态模型,它的土壤养分水平或者叶氮含量不变,是常数,这类模型适合于在站点或氮素浓度变化不大的区域应用;二是土壤氮限制模型,能够保持稳定的生态系统氮收支,在NPP(Net Primary Productivity,净初级生产力)的模拟中考虑土壤氮有效性的动态变化的影响,使模拟结果更为合理;三是叶氮限制模型,在NPP的模拟中考虑叶片氮浓度的动态变化的影响。这三类模型虽然都考虑了氮对碳循环的限制作用,但在氮碳循环机理方面尚有不少欠缺,所以在研究中可能会带来很大的不确定性。在以后的研究中,应通过加强碳氮相互作用的实验研究,增进对碳氮过程的深入了解,进而建立综合动态的碳氮耦合模型,以减少目前碳循环研究中的不确定性。

气候变暖对陆地生态系统碳循环的影响

作为全球变化的主要表现之一,气候变暖对全球陆地生态系统碳循环的影响巨大,揭示这一作用对于精确理解碳循环的过程和相关政策的制定具有重要的指导意义。该文综述了此领域近十几年来的主要研究工作,总结了陆地生态系统碳循环对气候变暖响应的主要内部机制及其过程,简述了相关模型的发展及其主要应用,并指出以往研究中存在的主要问题以及未来研究的主要方向。在气候变暖条件下,陆地生态系统碳循环的变化主要体现在以下几个方面:1)低纬度地区生态系统NPP一般表现为降低,而在中高纬度地区通常表现为增加,而在全球尺度上表现为NPP增加;2)土壤呼吸作用增强,但经过一段时间后表现出一定的适应性;3)高纬度地区的生态系统植被碳库表现为增加趋势,低纬度地区生态系统植被碳库变化不大,或略微降低,在全球尺度上表现为植被碳库增加;4)地表凋落物的产量和分解速率增加;5)土壤有机碳分解加速,进而减少土壤碳储存,同时植被碳库向土壤碳库的流动增加从而增加土壤碳库,这两种作用在不同生态系统的比重不同,在全球尺度上表现为土壤碳库的减少;6)尽管不同生态系统表现各异,总体上全球陆地生态系统表现为一个弱碳源。生物物理模型、生物地理模型和生物地球化学模型陆续被开发出来用于研究工作,并取得了一定的成果,但是研究结果仍然存在很大的不确定性。在未来的数年甚至是数十年间,气候变暖与全球变化的其它表现间的协同影响将是下一步的研究重点,气候变暖和陆地生态系统间的双向反馈作用机制是进行更准确研究的理论基础,生态系统结构和功能对气候变化的适应性是准确理解和预测未来气候情景下陆地生态系统碳循环的前提。

土地利用/覆盖变化对陆地生态系统碳循环的影响

土地利用/覆盖变化是学术界最为关注的环境变化问题之一,它能够影响陆地生态系统的生物多样性、水、碳和养分循环、能量平衡,引起温室气体释放增加等其它环境问题。不同类型的土地利用/覆盖变化对生态系统碳循环的作用不同,由高生物量的森林转化为低生物量的草地、农田或城市后,大量的CO2将释放到大气中。全球土地利用/覆盖变化具有很强的空间变异性,对生态系统碳循环的影响同样具有明显的空间差异:热带地区的土地利用/覆盖变化造成大量的碳释放,而中高纬度地区土地利用/覆盖变化则表现为碳汇。目前,土地利用/覆盖变化引起的生态系统碳循环变化主要是通过模型模拟来估算的。尽管土地利用/覆盖变化及其相关过程与生态系统碳循环的关系已经比较清楚,但是,由于土地利用/覆盖变化过程复杂且影响广泛,对于如何量化两者之间的关系还存在很多不确定性。目前的量化过程主要是利用经验数据来实现的,机理性不强,使得对土地利用/覆盖变化造成的陆地生态系统CO2释放量的估测差异很大。除了进一步加强长期定位研究以获得土地利用/覆盖变化与生态系统碳循环过程的定量关系外,土地利用/覆盖变化模型与植被动态模型、生态系统过程模型的耦合也是今后模型发展的主要方向之一。采用合理的管理措施能够大量增加土地利用/覆盖变化过程中的碳储存量,降低碳释放量,因此在模型中耦合管理措施来研究土地利用/覆盖变化过程对生态系统碳循环的影响是未来几年的工作重点。

遥感技术与陆地生态系统碳循环研究

在人类社会日益关注全球环境问题的今天,大气中CO2和CH4等温室气体浓度升高诱发的全球气候变化已成为可持续发展的最严峻挑战。因此,针对各个陆地生态系统的碳循环研究成为气候变化和区域发展研究的重点和关键。陆地生态系统中土地利用方式、植被种类等的变化,通过时间和空间的尺度来影响着全球碳循环,而遥感技术具有宏观、速度快、周期短、信息量大、多时相等特点,因此在植被覆盖和土地利用分类、碳循环遥感模型等方面都有着重要的应用。

陆地生态系统固碳速率立体监测方法:进展与挑战

全球CO_(2)浓度增加造成的全球变暖已成为人类亟需解决的问题,陆地生态系统在过去几十年一直扮演着重要的碳汇角色,吸收了30%左右的人类活动排放CO_(2)。本文调研分析了陆地生态系统固碳速率空间估算方法,包括样地调查、通量监测、模型模拟、遥感估算等,梳理了各种估算方法的研究现状与进展。样地调查、通量观测等方法可以提供点尺度的固碳速率直接测量信息,但存在观测样本有限、空间代表性不足等问题。模型模拟方法可以从机理的角度描述陆地碳、水、能量循环,模拟预测陆地生态系统固碳速率的状态和变化。然而,在模型建立过程中,抽象和简化会引入结构与假设的不确定性,以及模型驱动数据引入的不确定性等问题是碳循环模型模拟方法面临的重大挑战。卫星遥感具有全球覆盖、分辨率精细、时间序列观测等优点,结合机器学习方法,为地球大数据驱动的全球碳源汇估算提供了新的研究范式。但是,当前各种固碳速率的监测方法还没有满足高度时空异质性的陆地生态系统固碳量监测需求,未来需要整合地面观测、模型模拟和卫星遥感等多种技术手段,提供区域和全球尺度的陆地生态系统碳汇精确估算方法体系和科学数据产品。

陆地碳循环研究中的模型方法

陆地碳循环是全球变化研究中的重要内容，碳循环模型已成为研究陆地碳循环的必要方法．其中气候变化、大气ＣＯ２浓度上升以及人类活动引起的土地利用和土地覆盖变化导致陆地生态系统在结构、功能、组成和分布等方面的变化及其反馈关系对陆地碳循环的影响是模型模拟的关键问题．生物地理模型和生物地球化学模型是碳循环模型的两大类型，建模方法、模型性质、特点和应用范围各异．碳循环模型的发展方向是综合两类模型的特点，建立全球动态碳循环模型．

陆地碳循环模型的比较分析

陆地碳循环是全球变化研究的重要内容,碳循环模型的研究已经成为陆地碳循环中最重要的组成成分．作为碳循环模型的两大类型,生物地理模型和生物化学模型在建模方法,输入参数,应用范围以及输出变量方面各不相同。本文通过对这两大类碳循环模型中的代表模型进行比较分析,指出未来模型发展的方向即综合两类模型的优点,利用遥感数据,建立以动态植被为基础的具有实时性的大尺度陆地碳循环模型。

DICE/RICE模型中碳循环模块的比较

碳循环模型的正确构建是影响综合集成评估模型IAM(Integrated Assessment Model)模拟结果的重要因素之一。DICE/RICE模型中的碳循环模型主要有两个,即Nordhaus单层碳库模型和Nordhaus三层碳库模型,但这两个模型的主要缺陷是不考虑陆地生态系统在碳循环中的贡献,因此,引入了包含陆地生态系统的Svirezhev碳循环模型,并将其与Nordhaus单层碳库模型、Nordhaus三层碳库模型展开比较研究。结果表明,在基于历史数据的模型检验中,Svirezhev碳循环模型对全球二氧化碳浓度模拟的准确度优于其他两个模型。对于未来全球气候变化的模拟,3个模型模拟得到了至2100年的温度预测值分别为2.98,3.54,2.91℃,二氧化碳浓度值分别为608.04,733.04,594.70μL/L。其中,Svirezhev碳循环模型的模拟值在3个模型中最低,表明了陆地生态系统和海洋对二氧化碳的吸收作用对抑制全球升温的贡献;而分析也发现Nordhaus三层碳库模型对陆地生态系统和海洋碳库的模拟与实际观测值偏离较大。最后,通过敏感性分析,研究发现DICE/RICE模型中使用的气候响应模块在短期温度模拟中对地表温度的初值较为敏感,在长期温度模拟中敏感度显著下降。总之,从碳循环机制的模拟性能而言,Svirezhev碳循环模型优于其他两个模型,而Nordhaus单层碳库模型虽然机制较为简单却保证了模拟的准确性,但Nordhaus三层碳库模型虽然丰富了碳库的表征,实际上各碳库的模拟准确性差,降低了模型的可靠性。

磷影响陆地生态系统碳循环过程及模型表达方法

全球气候变暖已大大改变了陆地植物碳吸收能力,提高了全球植被净初级生产力。随着气候变暖的加剧,磷对植物生长的限制作用逐渐显现且不断增强,磷影响陆地生态系统碳循环的机理和模型研究已成为研究热点。该文系统分析了磷影响陆地生态系统碳循环的相关机理以及模型对相关过程的定量化表达方法。综合对比分析了国际上的CarnegieAmes-Stanford Approach-CNP (CASA-CNP)、Community Land Model-CNP (CLM-CNP)和Jena Scheme for Biosphere-Atmosphere Coupling in Hamburg-CNP (JSBACH-CNP)等碳、氮、磷耦合模型中磷影响植物光合作用与同化物分配过程、植物对磷的吸收过程、土壤中磷的转化过程以及生态系统磷输入与输出等过程的相关数学表达方法,指出了模型算法的局限与不确定性以及未来模型发展与改进的方向。同时综合对比分析了CASA-CNP、CLM-CNP、JSBACH-CNP模型的基本特征,总结了磷循环模型的建模方法,为未来开展磷影响陆地生态系统碳循环的模型模拟研究提供了借鉴方法与参考思路。

陆地生态系统碳循环的多尺度试验观测和跨尺度机理模拟

准确估计陆地碳汇时空变化是预测气候变化和执行温室气体控制协议的基础.近10年来,以大型试验环境控制、涡度相关测定和定量遥感为代表的新技术手段的应用推动了多尺度生态观测网络的建立,获得和积累了大量有关陆地生态系统碳循环变化的数据.但是这些高强度和多尺度观测并没有显著降低对陆地碳汇及其变化估计和机理认识的不确定性.其主要原因是这些观测主要是在各个尺度上分别进行的,而生态系统碳循环变化取决于从生物个体的短期反应到区域生态系统格局长期变化各个尺度过程的相互作用.试验和观测总是在特定尺度上进行的,认识和定量表达跨尺度相互作用需要应用机理模拟的方法.但是,现有的生态机理模型以单一尺度试验观测数据为基础,不能现实地模拟生态系统大尺度格局、结构和过程对环境变化的动态响应和适应.估计和预测由多尺度过程相互作用决定的陆地碳汇变化要求构建新的生态系统理论框架和机理模型,集成和定量表达从生理生态过程响应到生态系统格局适应性变化的传递机理和非平衡生态系统演替机制.多尺度数据-模型融合(Data-modelfusion)是近年来发展起来的生态系统碳循环研究的新方法,它包括应用多尺度观测数据建立跨尺度机理模拟模型;应用多种观测数据在不同尺度上对模型进行检验和验证;应用动态观?

冻融过程与陆地生态系统碳循环的相互关系研究进展

全球变化与可持续发展研究是当今地学研究的两大主题,陆地生态系统碳循环对全球变化影响重大。冻土中的碳储量占据全球陆地碳储量的重要份额,它对气候变化十分敏感,是气候变化的指示器,研究冻土地区土壤的冻融过程及其与陆地生态系统碳循环之间的相互关系对于全球变化研究具有重要意义。在总结冻融对碳循环过程影响机理的基础上,回顾了国内外关于冻融影响下碳循环模拟研究的主要进展,指出了其存在的主要问题,并对未来冻融与碳循环研究发展趋势做了初步的展望。

陆地生态系统扰动与碳循环模拟研究进展

陆地生态系统扰动(火灾、病虫害、氮沉降、极端气候事件等)可以极大影响并改变生态系统的功能与结构,进而对陆地碳循环的时空格局产生重要影响。定量估算自然扰动对陆地生态系统的影响对于深入理解陆地生态系统循环过程具有十分重要的科学意义。文中针对几种主要陆地生态系统自然扰动(火灾、虫害、氮沉降、干旱和洪水等)分析扰动过程与陆地碳收支动态变化的关系,并在此基础上综述近年来相关研究的主要进展,总结生态系统扰动过程的主要研究方法和各自特点,重点介绍运用生态系统过程模型方法研究陆地生态系统对各种扰动过程的响应,分析当前相关研究中存在的主要问题和不确定性,最后对该领域的未来发展方向进行了展望。

应用集合卡尔曼滤波算法对土壤呼吸速率同化及NEP估算

为了对净生态系统生产力(NEP)进行准确估算,以长白山通量观测站观测数据为基础,构建土壤温度、湿度耦合因子的更新模型(线性函数、指数函数、二次式函数),结合集合卡尔曼滤波算法(EnKF)获取高精度土壤呼吸速率数据,应用陆地生态系统碳循环综合模型(InTEC模型)准确估算NEP。结果表明:二次式模型的EnKF算法同化结果估算效果最好,决定系数(R^(2))为0.782,均方根误差为52.90 g·m^(-2)·a^(-1);指数模型EnKF算法同化结果估算值的R^(2)为0.755,均方根误差为56.47 g·m^(-2)·a^(-1);线性模型EnKF算法同化结果估算值的R^(2)为0.742,均方根误差为62.80 g·m^(-2)·a^(-1)。选取二次式模型优化后的土壤呼吸速率数据,InTEC模型模拟长白山通量观测站长时间序列净生态系统生产力的R^(2)为0.900,均方根误差为61.77 g·m^(-2)·a^(-1);InTEC模型模拟东北三省森林生态系统2003—2010年的净生态系统生产力年均值,由初始模拟的30.07 g·m^(-2)·a^(-1),经EnKF算法更新后提升到176.87 g·m^(-2)·a^(-1)。因此,采用EnKF更新土壤温度-湿度耦合因子获取的土壤呼吸速率数据,能够提高InTEC模型估算NEP的精度,为大区域尺度森林生态系统NEP估算提供技术支持。

陆地生物圈模型的发展与应用

陆地生物圈与大气圈和水圈之间能量、水和碳氮等元素的交换和循环对整个地球系统产生了深刻的影响。陆地生物圈模型(TBM)是研究陆地生态系统如何响应和反馈全球变化的重要方法和工具。通过对从生态系统到区域和全球陆地生物圈不同空间尺度的植被动态、生物地球物理和生物地球化学循环过程、水循环和水文过程、自然干扰和人类活动等过程时间动态的模拟,陆地生物圈模型被广泛地应用于评估和归因过去陆地生物圈的时空变化和预测陆地生物圈对未来全球变化的响应和反馈。该文简要回顾了陆地生物圈模型的发展,总结了模型对陆地生态系统主要过程的刻画和模型在生态系统生态学的应用,并对未来陆地生物圈模型的发展和应用进行了展望。

陆地总初级生产力遥感估算精度分析

准确估算陆地总初级生产力GPP(Gross Primary Productivity)数值对碳循环过程模拟有重要影响。本文介绍了多种基于植被指数以及基于光能利用率的遥感GPP算法,综述了不同算法在其研究区域的估算精度;并分析了MODIS/GPP以及BESS/GPP两种遥感GPP产品在不同植被类型的估算精度。通过对比全球碳通量站网络GPP数据表明,MODIS/GPP产品在全球估算结果具显著相关性(R2=0.59)及中等标准误差(RMSE=2.86 g C/m2/day),估算精度较高的植被类型有落叶阔叶林,草地等;估算精度较低类型包括常绿阔叶林,稀树草原等。本文对GPP产品中存在的不确定性进行分析,通过综述前人研究中发现的遥感估算GPP方法中存在的问题,指出可能的提高卫星遥感GPP产品估算精度的方法及发展趋势。

东北林区净初级生产力及大兴安岭地区林火干扰影响的模拟研究

森林净初级生产力(NPP)是衡量陆地碳源/汇的重要参数,准确地估算森林生态系统的NPP,同时通过引入干扰因子以期更加完整地描述生态学过程及其响应是目前森林生态系统碳循环研究的重点。因此,该研究基于北方生态系统生产力(BEPS)模型,结合遥感数据和气象数据等模拟2003年东北林区NPP;将BEPS模型模拟的结果作为整合陆地生态系统碳收支(In TEC)模型的参考年数据,模拟东北林区1901–2008年的NPP,并在In TEC模型中加入林火干扰数据,模拟大兴安岭地区1966–2008年的森林NPP。结果显示:在1901年,东北林区NPP平均值仅为278.8 g C·m–2·a–1,到了1950年,NPP平均值增加到338.5 g C·m–2·a–1,2008年NPP平均值进一步增加到378.4 g C·m–2·a–1。其中长白山地区的NPP平均值始终最高,大兴安岭次之,小兴安岭始终最低。到了2008年,大、小兴安岭和长白山地区的NPP平均值都有较大涨幅,其中涨幅最高的是长白山地区,达到200–300 g C·m–2·a–1;东北三省中,黑龙江和吉林的NPP平均值和总量都比较高,辽宁相对较低,但相比于1901年的涨幅最高,达到70%;重大火灾(100–1000 hm2)对NPP的影响不是很大,而特大火灾(>1 000 hm2)的影响比较大,使NPP下降幅度达到10%左右,其他火灾年份,NPP增长迅速并保持在较高水平;对火灾面积在100 000 hm2以上的4个年份的NPP进行分析,发现NPP平均值都大幅度下降,其中1987年下降幅度最大,为11%以上。