【专题】中国陆地生态系统碳、水通量相关研究进展
作者：阿克苏站 更新时间：2015-12-18
一、陆地生态系统-大气间碳交换研究进展
陆地生态系统与大气间的碳交换是全球碳循环中的重要过程。了解生态系统碳交换通量的空间格局及其控制机制对于精确地预测和评估全球碳收支至关重要。
中国科学院地理科学与资源研究所于贵瑞研究员通过整合亚洲、欧洲、北美洲、南美洲、非洲以及大洋洲六大区域的长期碳通量数据揭示了中国、亚洲、北半球乃至全球陆地生态系统碳交换通量的空间格局及其控制因素。研究结果表明年均温、年降水量的空间格局是调控生态系统总初级生产力（GPP）、生态系统呼吸（RE）和净生态系统生产力（NEP）空间变异的主要因子。该结果从区域到全球尺度上证明了气候格局调控生态系统碳交换通量空间格局的气候决定论的普适性，提供了从气候地理分布格局来分析和评估区域和全球尺度的生态系统碳收支的新思路。
于贵瑞研究员同时指出生态系统碳循环的两大重要过程生态系统总初级生产力（GPP）和生态系统呼吸（RE）在空间格局上存在同向共变现象，并且无论是在区域还是全球尺度上都普遍存在。在气候和植被指数的空间变异梯度上，RE/GPP比值稳定在平均值为0.87 ± 0.04，0.7-1.2的范围内波动。该研究进一步揭示了GPP和RE空间格局的同向共变现象是由于GPP和RE共同受到气候和植被指数的影响，并且两者对气候和植被指数的空间变异具有一致的响应趋势，而根本的生理学原因在于GPP是RE的直接底物供给者，光合产物的空间差异驱动了呼吸的空间变异，该结果表明了在RE站点间差异的研究中，必须充分考虑光合生产力的影响。
另外，于贵瑞研究员还通过对过去二十年里（1990-2010），来自中国通量网（ChinaFlux），亚洲通量网（AsiaFlux），欧洲通量网（CarboEurope），美洲通量网（AmeriFlux）和全球通量网（FLUXNET）的碳交换通量数据的综合分析，发现了在1990-2010年代间，20-40°N东亚季风区亚热带森林生态系统具有高碳吸收强度，净生态系统生产力(NEP)达到362 ± 39 g C m-2 yr-1。该净生态系统生产力超过了亚洲和北美0-20°N的热带森林生态系统，也高于亚洲和北美40-60°N的温带和北方林带森林生态系统，与北美东南部亚热带森林和欧洲40-60°N高效管理的温带森林生态系统相当。东亚季风区亚热带森林生态系统的总净生态系统生产力(NEP)约为0.72 ± 0.08 Pg C yr-1，占全球森林生态系统NEP的8%。该区域充足的水热条件加上过去几十年植树造林形成的年幼的森林结构，和快速的工业和农业发展产生的高氮沉降的三者叠加作用，促使东亚季风区亚热带森林生态系统表现出高碳吸收功能。这一结果表明了亚洲亚热带森林生态系统在当今全球碳循环和碳汇功能中的作用不可忽视，也挑战了过去仅认为欧美温带森林是主要碳汇功能区的传统观点，启示我们需要重新评估北半球陆地生态系统碳汇功能区域的地理分布格局及其区域贡献。
二、陆地生态系统水分利用效率时空变异的研究进展
水分利用效率是反映碳水通量间耦合关系的指标，揭示水分利用效率的时空变异有助于增加我们对碳通量时空变化的理解，也有助于阐明水资源有效性对固碳的支撑能力。基于微气象学理论的涡度相关观测技术可以同时观测碳水通量数据，为分析水分利用效率的时空变异提供了数据基础。
以ChinaFLUX长期连续观测数据为基础，于贵瑞研究团队在水分利用效率时空变异的研究中取得了一系列研究进展。在水分利用效率季节动态的研究上，基于森林生态系统的观测结果表明，由于总初级生产力和蒸散对气象要素的响应具有一致性，温带森林生态系统的水分利用效率呈现保守的特点，而在亚热带生态系统，总初级生产力和蒸散对气象要素的响应存在差异，进而使得碳水通量解耦（Yu et al., 2008）；分析了典型草地生态系统水分利用效率的季节动态，发现草地生态系统水分利用效率的季节动态主要是由LAI改变所导致的T/ET的波动所引起的（Hu et al., 2008）；分析了不同生态系统水分利用效率季节动态的差异及形成机制，发现北方生态系统水分利用效率的季节动态主要受T/ET的变化控制，而亚热带生态系统水分利用效率的季节动态由GPP/T决定（Zhu et al., 2014）；基于不同生产力表征指标（地上生物量、总初级生产力、净生态系统生产力）获得的水分利用效率具有相似的变化规律（Zhao et al., 2007）。在水分利用效率空间变异的研究方面，发现了中国东部南北样带森林生态系统的水分利用效率呈现明显的纬向变化规律，随着纬度增加、年均气温降低、年总降水量减少，水分利用效率呈现明显的增加趋势（Yu et al., 2008）；分析中国草地生态系统水分利用效率的空间分布发现，水分利用效率的差异主要由叶面积指数的不同所引起，随着叶面积指数的增加而增大（Hu et al., 2008）；进一步探讨中国陆地生态系统水分利用效率的空间变异，首次发现了水分利用效率的垂直变异性，随着海拔的增加呈现明显的降低趋势，影响水分利用效率空间变异的因素除了年均气温、年总降水量、叶面积指数以外还包括海拔，基于海拔和叶面积指数的方程可以解释65%的水分利用效率空间变异（Zhu et al., 2015）；基于水分利用效率的空间分布，揭示了固碳耗水成本的空间分布，发现了固碳耗水成本临界阈值为400-500mm，该边界以南造林固碳成本比较小（Gao et al., 2014）。
三、陆地生态系统蒸散观测及其组分模拟的研究进展
蒸散是陆地生态系统水分循环的重要分量，也是连接水圈、大气圈和生物圈之间水分、能量及碳循环的关键过程，对地表水资源的可利用性具有重要的限制作用。同时，蒸散由植被蒸腾、土壤蒸发和冠层截流蒸发组成，探讨蒸散组分在蒸散中所占的比例有助于增进我们对陆地水循环过程的理解。基于微气象学理论的涡度相关观测技术可以观测30分钟尺度的蒸散强度，为探讨蒸散及其组分的时空变异提供了数据基础。
以ChinaFLUX长期连续观测数据为基础，于贵瑞研究团队在蒸散动态变化及蒸散组分的模拟方面取得了一系列研究进展。基于典型生态系统观测的结果表明，蒸散的日变化对气温和VPD的响应存在非对称性，但对净辐射的响应没有表现出明显的非对称性，同时，蒸散对气温和VPD的非对称性响应在年内存在明显的季节波动（Zheng et al., 2014）；在Shuttleworth-Wallace模型的基础上，改进了模型中的气孔阻力和土壤表面阻力模块，将中国典型生态系统蒸散拆分为土壤蒸发和植被蒸腾，并分析了蒸散组分在蒸散中所占比例的时空变化，发现了冠层导度的改变在T/ET的时空变异中起着重要作用（Hu et al., 2009; Zhu et al., 2015）；构建了基于遥感和气象数据的SWH模型，并在典型生态系统进行了验证，发现该模型充分反映了蒸散的动态变化，并且该模型可以同时模拟GPP和蒸散的变化，为揭示区域尺度蒸散及其组分的变化提供了工具（Hu et al., 2013）。
相关文献
Chen, Z., Yu, G.R., Zhu, X.J., et al. 2015. Covariation between gross primary production and ecosystem respiration across space and the underlying mechanisms: A global synthesis. Agricultural and Forest Meteorology, 203, 180-190.
Zhu X-J, Yu G-R, Wang Q-F et al. (2015) Spatial variability of water use efficiency in China’s terrestrial ecosystems. Global and Planetary Change, 10.1016/j.gloplacha.2015.03.003.
（陈智、朱先进供稿）