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 学科前沿
中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制研究 第4期
国家重点基础研究发展规划项目

中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制研究

简 报

项目办公室编 第4期 2003年9月18日

2003财政年度美国碳循环研究计划

USGCRP(美国全球变化研究计划)2003财政年度计划中全球碳循环研究和观测计划预算为2.52亿美元(表1)。USGCRP全球碳循环计划力图确定:1)全球系统碳储量和碳通量的大小、动态变化及其变异性,以及未来碳循环过程受内在和外在因素影响产生的变化;2)为碳汇和碳源的评价与管理策略提供科学理论支持,以实现风险、成本和效益的平衡。USGCRP认为碳循环研究应采用学科交叉的方法,由大气、海洋、陆地和人文等多学科的碳循环研究者来共同完成。

表1. 美国全球变化计划2003财政年度全球碳循环研究预算(单位:百万美元)
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单位 经费
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美国航天航空局(NASA) 40

美国国家自然科学基金会(NSF) 24

美国农业部(USDA) 15

美国能源部(DOE) 14

美国大气和海洋管理局(NOAA) 9

美国地质调查局(USGS) 4

美国史密森学会(Smithsonian Institution) <1
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科学研究小计 106

NASA太空观测 146
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总计 252
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人类社会正进入一个减少碳循环研究不确定性的时期,这也是回答未来气候变化问题及其对人类产生影响的中心议题。这些问题包括:由环境变化、人类活动和过去与未来释放的温室气体导致的未来大气CO2和甲烷浓度是多少?在区域、国家和全球尺度上,有效的森林和农业管理将在多大程度上抵消化石燃料燃烧所释放的碳?未来海洋和陆地储存碳的自然过程将如何变化?气候系统内部反馈的前景如何,特别是那些可能大量增加陆地和海洋释放碳的反馈过程;作为大气持续变化的构成部分,食物安全问题是否将严重或减轻?如何进行比较树木和植物固定碳与在海洋深处地质构造中贮存碳的前景?两者之间的相互作用怎样?

为回答这些相关科学问题,USGCRP以科学研究进展中成熟的领域和公众最关心的紧迫问题为目标,启动了一个综合的碳循环科学研究计划。其中关键性的科学研究挑战包括:确定北美碳汇和源及其动力学调控过程;探讨海洋碳汇及其动力学调控过程;定期报道“全球碳循环状况”;评估土地利用变化和陆地海洋管理实践对土壤碳汇和源的影响;预测未来大气CO2和CH4的浓度及陆地和海洋碳汇的变化;根据精确的长期试验实例研究,提供科学支持和评估,加强对环境中碳的管理。

USGCRP2003财政年度中碳循环研究计划主要选择在北美及其临近的洋底盆地实施研究目标明确的综合研究计划。北美碳计划预计集中研究北美陆地及其临近海洋盆地碳汇和碳源。研究工作将持续5-10年,以提高观测技术,协调确定碳储量的方法,阐明大气、土壤和海洋之间土地管理实践活动中的碳通量规律及其关键调控过程。北美碳计划要求扩大美洲通量网络、北美大气垂直剖面,发展二氧化碳自动传感器,改善基于地表的森林和农业用地测量及清查方法、经验过程模型,继续建设遥感观测平台和新的遥感观测技术。以上计划将分三步执行:(1)2002-2004:发展新的研究方法和初步模拟能力;(2)2005-2007:测试并运用新的观测网络和更趋完善的野外观测网络进行过程研究;(3)2008年以后:运作阶段,优化网络并融合数据模型,提供稳定而可靠的北美及其临近大洋盆地CO2、CH4和CO的净储量和通量数据。评估数据产品的可行性和研究结果,综合评估报告计划将于2005年产生并一直贯穿于整个研究周期,将为未来的决策提供有效信息,这些决策包括:(1)减少CO2和CH4的净释放;(2)通过积极的碳管理增加碳吸收能力。

另外,2003财政年度大洋碳汇的研究将会以航海碳测量和更多的综合海色系列人造卫星数据分析形式继续进行。新的结果将为有关碳汇/源的土地利用和土地管理、与森林生物量和农业土地有关的碳蓄积管理实践、大尺度生物燃烧和工业释放对区域碳平衡的影响方面提供可靠的科学依据。

近期研究重点

协调北美碳汇的估算:采用两种截然不同的方法对一段时期(1980-1989)第一次北美碳汇的估计进行整理。过去,基于大气和陆地测量的方法并未给出令人满意的美国碳汇的估算。最近研究中使用的方法和系列数据为发展北美常规碳汇/源的定量估算能力和了解其潜在的机制铺平了道路。提高北美生态系统CO2吸收量的估算能力,将使未来大气CO2浓度的估算更加精确。

北方森林的一个大碳汇:通过AVHRR人造卫星20年的数据和森林调查发现:欧洲、北美温带森林生物碳固定显著,而加拿大一些北方森林碳有损失。森林的增加源于美国的火灾防治和再造林以及俄罗斯的减少森林砍伐策略,加拿大森林增量的减少源于火灾和虫灾。这些研究表明航空测量森林是可行的,并将有助于归纳总结陆地碳汇的动力学特性,并确定其在碳固定中所扮演的角色,包括气候变化对陆地生态系统的影响。现在我们可以更好地追踪全球尺度陆地生产率的变化,这对确定碳将在何处吸收以及在何处可能持续性固定十分重要。

碳吸收测量方法协定:美洲通量网络采用两个独立的方法确定了森林生态系统的净碳吸收量。在哈佛森林的相同地点,十多年的通量塔测量方法和精确的森林清查方法以及树木寿命测定法所估算的碳吸收量在统计上都较为相似。测量方法协定的达成将更加有效地使用两种方法精确地估算净生态系统生产和陆地碳汇。

氧同位素法调查碳交换:通过研究发展了一个模型,可用来估算植物、土壤和冠层水蒸气之间CO2和水的氧18同位素流量。氧18同位素扮演示踪者的角色,使科学家能分开CO2和水的来源,从而洞悉调控生态系统和大气之间碳交换的特性。该模型已与NCAR气候系统模型(CCSM)――一个链接陆地-水面的模型进行了耦合。这项改进提供了了解生态系统中植物和土壤的碳通量更多信息的一种有力工具。该研究对认识和阐述大尺度地区陆地通量、预测陆地碳吸收活动很有必要。

碳管理选项的鉴别:在2001年的森林和农业温室气体模型论坛上,科研工作者对比了农业和森林部分潜在温室气体释放的减少。首先试图通过每年一度的研讨会,让参加者选择与经济和生物物理相关的全球和区域模型,汇编、对比有关北美农业和森林碳释放、减少量的估算,以明确未来研究中有关管理决策的方向。

碳知识的综合与合作:美国林务局南方全球变化项目组组织了一个城市、草地、森林、农业和湿地生态系统碳动力学的国际会议,其论文集(《环境污染》特刊)概括了目前对陆地生态系统系统碳储存和碳动力学的认识。其中大量论文强调了在模拟和预测不同地区和生态系统碳固定潜力时,扰动因素(例如火)、气候、基本生态过程和管理实践都扮演着重要角色,了解这一点具有重要意义。这些知识综合表明了“科学研究的现状”:(1)碳吸收在增加;(2)观测和核实碳吸收的变化;(3)发展碳信用报告和贸易的潜在决策,以及碳统计规则和方针。

太平洋人为CO2吸收的估计:第一次在太平洋和大西洋综合的海洋人为碳吸收量清查研究工作即将完成。通过采用数据库方法,发现太平洋承担的人为释放的碳比工业革命前多4.5×108吨,与海洋模型的模拟结果一致,约是那段时期化石燃料燃烧总释放量的20%。最近刚刚出版了基于直接观测的海洋清查综合报告,这些流域范围的清查对我们了解人类活动产生的碳有多少被海洋吸收,以及它们如何输送到地球主要大洋盆地有着重要意义。

大气-海洋之间的CO2交换:首次赤道太平洋地区直接的大气-海洋CO2交换研究工作已于2001年结束。该地区是海洋CO2释放到大气中的最大天然来源。大气和海洋之间气体交换的动力学是目前定量化区域尺度海洋吸收量不确定性的主要来源。采用三种独特的方法可准确进行大气-海洋CO2交换的直接观测。这些数据将融合入算法中,以提高海洋吸收化石燃料燃烧产生的CO2的估算。

年际以及气候驱动下海洋生物量的变化观测:基于三年SeaWiFS海洋水色卫星观测的数据,第一次连续地精确跟踪和描述了海洋植物生物量,并进行了陆地植物光合作用季节和年际变化特征的全球估计。同时观测了厄尔尼诺/拉尼娜现象的差异,发现热带海洋生物量显著增加。另外,第一次成功地完成了对两个海洋水色系列数据――来自SeaWifs和日本的海色与海温扫描辐射仪(OCTS)的校准,引发了对全球海洋长期海色时间序列数据的精确校准。通过增强海洋和陆地植物生产率的年度及年际变化的定量化能力,将有助于提高我们预测生态系统响应气候变化的能力。

2003财政年度计划重点

USGCRP将继续强调对全球碳汇和源的研究和定量化,近期尤其重视北美和临近海域,并希望填补陆地碳固定原因的知识空白,以及海洋碳吸收和贮存的调控过程。2003财政年度美国全球变化计划中主要的碳循环研究计划包括:

北美碳计划:指导北美碳计划(NACP)的大范围准备活动,包括详细的观测网络和集中的野外考察实施计划、征集项目、建立科研队伍、部署新的观测站点、发展和/或集成清查数据库和新陆地覆盖序列数据。DOE、NOAA、 NSF和USDA已经要求在2003财政年度为启动全球变化研究提供资助,以便开始实施NACP的部分计划。

农业碳固定潜力:完成美国农业地区与土地利用变化和土地管理活动相关的碳固定的经济分析。基于技术上可行性的生物物理前沿研究,通过经济可行性研究将揭示农业地区净碳释放量减少的不同水平的经济成本、环境后果、商品的价格和产量、不同农业收入水平固碳的资助。

森林碳估计:启动全美森林生物量、森林土壤和木制产品储存的碳估计研究,该研究将改善森林碳观测和估计方法论。研究结果将为通过林业管理活动减缓温室气体排放的成本效益方法提供强有力的科学基础。该项工作将建立在已有碳统计和预测的经验上,并将使用美国林务局清查和分析数据。

美国陆地生态系统的碳交换:在未来五年,来自美洲通量网络站点的碳交换结果将提供更多美国陆地生态系统碳获取或损失的综合估算。将净生态系统碳交换(基于涡度相关)与生物统计学和森林清查方法相比较分析,可以指导用于确定精确可靠的陆地碳循环观测以及议定书的需要,获得不同生态系统和景观中碳贮存的定量结果。早期扰动和管理的影响,特别是立地年龄和组成成分也要评价,将使用美洲通量站点数据、给定植被类型或者特定地区净CO2交换的碳循环模型进行分析。

大气-海洋碳通量的测定:采用携带仪器和传感器的轮船测量大洋表面CO2分压(P CO2),较少采样的北大西洋和北太平洋地区将得到优先考虑。这项工作最根本的目的是通过结合遥感和P CO2测量,使全球尺度大气-海洋通量的定量化成为可能。要完成这一目标,将需要确定较小时空尺度上P CO2变异性的调控机制。这些数据对于限定作为北美碳计划一部分的北美碳收支估计十分重要。

海洋碳清查:重复进行海洋碳清查,能更好地认识目前未充分了解海洋碳的年际和十年间变化,这些测量是全球气候观测系统的一部分。主要目的是估算在大气CO2浓度增加的状况下,与气候变化相应的人为释放CO2十年的变化。这些约束条件将用于更好地预测全球海洋碳汇响应未来气候扰动因素的行为。

(潘媛媛 王绍强译)


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