劉 坤,張 慧,2,*,孔令輝,喬亞軍,胡夢甜

1 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所,南京 210042

2 南京信息工程大學大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心,地理與遙感學院,南京 210044

自工業(yè)革命以來,人類對化石燃料的消耗,導致CO2等溫室氣體被大量釋放,大氣中CO2濃度從1750年約278 μmol/mol增加到2021年11月的415.01 μmol/mol(https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/),從2006年開始中國取代美國成為世界上最大的CO2排放國[1],2020 年的碳排放量約為 10.7 Pg(1 Pg=1015g=10億t)CO2當量,占同年全球排放量的31%[2],未來中國實現(xiàn)碳中和所需的碳減排壓力遠超過世界上其他任何一個發(fā)達國家[3]。為此,2020年我國提出:“二氧化碳排放力爭在2030年達到峰值,2060年實現(xiàn)碳中和目標”,這不僅是實現(xiàn)我國自身可持續(xù)發(fā)展的需求,也是展現(xiàn)我國作為負責任大國的作為和擔當。減少CO2排放和增加碳匯是最主要的兩種實現(xiàn)“碳中和”目標的手段,而碳匯增加的重點在于提高生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性,鞏固提升生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力。

生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)根據(jù)排放和吸收之間的關系可以分為碳源和碳匯,其中碳源表示生態(tài)系統(tǒng)的排放量大于吸收量,而碳匯則表示生態(tài)系統(tǒng)的吸收量大于排放量。根據(jù)最新的生態(tài)系統(tǒng)碳匯的定義:“生態(tài)系統(tǒng)碳匯是指不同生態(tài)系統(tǒng)相關關聯(lián)共同對于全球生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的作用,不僅包括傳統(tǒng)的植樹造林、增加綠化面積等措施對于碳吸收的貢獻,也包括草原、濕地、海洋等生態(tài)系統(tǒng)吸收大氣中二氧化碳的過程,同時也涵蓋土壤、永久性凍土固定的碳儲量”[4]。中國陸地生態(tài)系統(tǒng)占全球陸地面積的6.4%,其凈CO2的吸收量占全球吸收量的10%—30%,是全球和區(qū)域碳循環(huán)及其模式研究的重點地區(qū)。根據(jù)預測,在2060年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力將達到0.36 Pg C/a,抵消的同期化石燃料燃燒和工業(yè)活動導致的碳排放的比例將達到43%[5]。因此,在中國開展陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究不僅是改進生態(tài)系統(tǒng)管理、保障生態(tài)安全的急迫需求,同時也為實現(xiàn)“碳中和”目標路線圖和時間表提供科學基礎[6]。

近年來,隨著科技水平的進步,適用于不同時空尺度的碳匯水平觀測技術和碳匯強度評估方法不斷地得到發(fā)展和完善。在全球尺度和中國尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評估研究中,國內(nèi)外發(fā)表了大量的基于不同估算方法的文章(表1),根據(jù)數(shù)據(jù)的來源及模型方法的原理可以將陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯方法分為“自下而上”(bottom-up)和“自上而下”(top-down)兩類[17]?！白韵露稀狈椒ɡ玫孛嬲{(diào)查數(shù)據(jù)、氣象觀測數(shù)據(jù),使用模型方法模擬區(qū)域或全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯,主要包括地表植被生物量和土壤碳的地面調(diào)查與清查方法、渦度相關法、生態(tài)過程模型等方法[22]。常用的模型包括通過溫度、降水等氣候因子,海拔、坡度、坡向、經(jīng)緯度等地理因子與植被生物量、蓄積量之間的關系來估算陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的經(jīng)驗模型[23—24];通過考慮植被生長與光能利用效率(光合有效輻射)以及植被內(nèi)部生理生態(tài)過程(光合作用、呼吸作用等)來估算陸地生態(tài)系統(tǒng)尺度生產(chǎn)力的生態(tài)過程模型[25]?！白陨隙隆狈椒ㄖ饕锰纪囱菁夹g,基于不同平臺的(地基平臺、航空遙感平臺、衛(wèi)星遙感)大氣溫室氣體濃度觀測,結(jié)合氣象場數(shù)據(jù)和大氣輻射傳輸模型計算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強度[12,26],常用的方法有基于大氣CO2濃度的碳同化方法以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演方法[27]。

表1 全球尺度和中國區(qū)域尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強度估計Table 1 Estimation of carbon sink of terrestrial ecosystem in China and around the world

本文根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)碳匯評估的“自下而上”和“自上而下”兩種途徑,分析討論不同方法在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算中的應用、以及各方法的優(yōu)勢及缺陷,闡明主要驅(qū)動因子對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響;總結(jié)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯特征及主要影響因素,最后,基于目前研究存在的挑戰(zhàn),展望了新的理論、方法和技術手段在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究中的應用,為更準確的估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯、更好的支撐國家碳中和行動方案的制定和實施提供參考。

1 “自下而上”碳匯估算方法

1.1 樣地清查法

利用清查法評估陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究包括多個方面:基于生物量組分的碳匯估算,生態(tài)系統(tǒng)各組分碳匯水平評估,陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強度的評估和碳匯強度的變化趨勢。郭兆迪等根據(jù)中國多期森林資源清查數(shù)據(jù),按照不同森林類型分別統(tǒng)計天然林、人工林、經(jīng)濟林和竹林的面積和蓄積數(shù)據(jù),利用生物量轉(zhuǎn)換因子法計算了中國1977—2008年間森林生物量的碳匯情況,得到天然林和人工林(63.3 Tg C/a(1 Tg=1012g))、經(jīng)濟林(4.0 Tg C/a)和竹林(2.9 Tg C/a)的年平均碳匯[9]。方精云等根據(jù)清查數(shù)據(jù)估算了1981—2000年間中國陸地生態(tài)系統(tǒng)各組分(森林、草地、灌木叢、農(nóng)作物、土壤)碳匯,認為森林生態(tài)系統(tǒng)的森林生物量、地表凋落物、木質(zhì)殘體和土壤有機碳等組分整體表現(xiàn)出明顯的碳匯,并肯定了我國植樹造林、人工林面積增加對生態(tài)系統(tǒng)碳匯的重要貢獻[28—29]。由全球變化研究國家重大科學研究計劃項目經(jīng)費支持的研究結(jié)果表明:2004—2008年間中國森林凋落物碳和木質(zhì)殘體的碳儲量為(925±54)Tg,1988—2008年,森林凋落物碳和木質(zhì)殘體的年平均碳匯為(925±54)Tg C/a[30]。在對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力預測上,劉迎春等基于國家林業(yè)和草原局第一至六次森林資源清查數(shù)據(jù),采用蓄積量—生物量轉(zhuǎn)換方程,探討了在基線情景下(氣候條件、干擾情況、管理方式、森林面積、樹種組成情況不變)2000—2200年森林碳儲量變化[31];Zhang等在基于森林生物量碳密度恒定的情況下,探討了2000—2025年間在“退耕還林還草”環(huán)境保護政策引導下,森林和草地面積增加的條件下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯變化[32]。Pan等通過收集全球不同地區(qū)的森林調(diào)查數(shù)據(jù)以及歷史觀測數(shù)據(jù),估算了全球森林在1990—2007年間碳匯強度變化,前十年(1990—1999)的全球凈森林碳匯強度為(1.0±0.8)Pg C/a,后期(2000—2007)的碳匯強度略高于前十年為(1.2±0.8)Pg C/a[16]。基于樣地清查法的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評估方法明確、技術簡單,可以直接獲得最為準確和可靠的數(shù)據(jù)。但陸地生態(tài)系統(tǒng)具有較高的空間異質(zhì)性,需要較廣的空間范圍和較為精確的采樣精度,一般都需要靠抽樣方法進行總體精度控制,工作量大,耗時長,而且樣地清查法沒有考慮陸地生態(tài)系統(tǒng)的全部類型,該方法多側(cè)重于森林、草地生態(tài)系統(tǒng)等占比較高的生態(tài)系統(tǒng),對于灌叢、濕地、荒漠、凍土、城市等生態(tài)系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)則較少,如中科院實施的“碳專項”項目耗時5年在全國也僅調(diào)查了14371個調(diào)查樣方(森林樣方7800個,草地樣方4030個,灌叢樣方1200個,農(nóng)田樣方1341個),且并未涵蓋所有的陸地生態(tài)系統(tǒng)[33]。此外,基于樣地清查法的碳匯通常基于碳儲量的年變化量計算得到,碳儲量的年變化量遠遠小于陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量,碳匯測定誤差較大;同時該方法沒有考慮生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的土壤呼吸、水蝕、風蝕等因素造成的碳的橫向轉(zhuǎn)移過程。

1.2 渦度相關方法

渦度相關法是基于微氣象理論的目前唯一能直接測量大氣與植被冠層及土壤間物質(zhì)循環(huán)和能量交換的觀測技術[34],實現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)尺度的溫室氣體交換、能量平衡和生產(chǎn)力等功能與過程涉及的生態(tài)現(xiàn)象觀察、生態(tài)要素觀測、生態(tài)系統(tǒng)功能變化觀測的融合[35]。目前全球通量觀測網(wǎng)絡聯(lián)盟(FLUXNET)建立起900多個觀測樣點,形成全球性和區(qū)域性的覆蓋不同氣候帶和植被區(qū)系的通量觀測網(wǎng)絡,包括美國通量網(wǎng)、歐洲通量網(wǎng)、亞洲通量網(wǎng)、中國通量網(wǎng)等共42個國家、23個區(qū)域性通量研究網(wǎng)絡[36]。中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(ChinaFLUX)于2002年建成,截止目前擁有80多個臺站,包括森林、草地、農(nóng)田、濕地、荒漠、水域生態(tài)系統(tǒng)[37],通過應用微氣象法進行生態(tài)系統(tǒng)CO2和水熱通量長期定位觀測的關鍵技術,為全球碳平衡與全球變化研究提供中國典型陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、水汽、氮通量的長期觀測數(shù)據(jù)。

通過構建區(qū)域、國家及全球尺度的通量觀測網(wǎng)絡,可以研究不同時間尺度和空間尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強度。Fu等通過借助歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)1979—2013年間的CO2通量觀測數(shù)據(jù),并結(jié)合地面植被數(shù)據(jù)定量分析了此間北半球、南半球和全球尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)NEP(Net ecosystem productivity)長期趨勢與年際變異的特征規(guī)律,發(fā)現(xiàn)從長期趨勢來看,北半球和南半球?qū)θ騈EP貢獻率相當,年際變化上,北半球的貢獻率更大(58%)[38]。Pieter 等通過收集陸地和海洋的CO2的碳通量數(shù)據(jù),使用大氣環(huán)流模型( general circulation model(GCM))計算了1981—1987年間全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯水平,認為陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯水平遠高于海洋生態(tài)系統(tǒng)[39]。在區(qū)域尺度上,Yu等根據(jù)碳通量觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):相同緯度的中國及東亞地區(qū)的亞熱帶森林碳匯能力要高于北美及歐洲地區(qū)森林碳匯量[40],Chen等的研究結(jié)果則表明亞熱帶和溫帶森林的碳匯能力要高于熱帶雨林地區(qū)和北方森林地區(qū)[41]。此外,渦度相關碳通量技術也應用于不同氣候區(qū)和植被類型的生態(tài)系統(tǒng)碳匯強度研究,包括寒帶草原和溫帶草原[42]、森林生態(tài)系統(tǒng)[43]、濕地生態(tài)系統(tǒng)[44]、荒漠生態(tài)系統(tǒng)[45]。基于渦度相關方法的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究,可以實施監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)尺度上的陸地與大氣碳交換,減少樣地清查法中的數(shù)據(jù)誤差,長期的點位觀測可以規(guī)避生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的短期波動帶來的不確定性,有利于探討生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程對氣候變化的相應機制。但是,渦度相關方法設備布設要求高,下墊面地形復雜的情況會影響設備運行,且周圍會有建筑物限高要求;通量塔數(shù)量偏少、設置不合理、覆蓋范圍小不能完全反映測量生態(tài)系統(tǒng)的景觀異質(zhì)性;因渦度測量儀器和工作原理的缺陷,觀測數(shù)據(jù)存在缺失,不能記錄到光合作用的碳吸收和呼吸的作用的碳排放數(shù)據(jù),對于空缺碳通量數(shù)據(jù)的填補不同方法誤差較大;儀器還不能準確區(qū)分記錄的異常數(shù)據(jù)是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的真實擾動數(shù)據(jù)還是無效記錄數(shù)據(jù);由于夜間的湍流被抑制會導致測量系統(tǒng)響應不足,測量數(shù)據(jù)值偏低,測量數(shù)據(jù)存在偏移現(xiàn)象(植被在休眠期和非光合作用時期記錄到CO2吸收現(xiàn)象)[46];對地表可用能量存在低估現(xiàn)象,能量平衡不閉合。

1.3 模型模擬法

模型模擬法是應用數(shù)學方法定量描述陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯與生態(tài)環(huán)境因子觀測值之間的關系,對當前碳匯狀況進行評估,和對未來碳匯情景進行預測。根據(jù)模型在結(jié)構、參數(shù)及算法上的不同,可以分成經(jīng)驗模型和生態(tài)過程模型。樣地清查法中應用的異速生長模型、蓄積量—生物量轉(zhuǎn)換模型、全碳庫模型等都屬于經(jīng)驗模型,Piao等利用34個固定樣點數(shù)據(jù)與從NOAA-AVHRR 遙感影像提取的歸一化植被指數(shù)(NDVI) 建立經(jīng)驗回歸方程,并假設地上/地下生物量比值為常數(shù),隨后將實測調(diào)查點通過尺度上估算全國碳匯為(0.19—0.26)Pg C/a[21]。經(jīng)驗模型不考慮環(huán)境因素的影響,模型參數(shù)沒有特定的生態(tài)學含義,不能從機理上對碳匯過程進行解釋。近年來,隨著對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中涉及的生物物理化學過程認識的逐步深入,越來越多的研究者通過分析太陽輻射傳輸、光合作用和呼吸作用、養(yǎng)分和水分循環(huán)等過程,將與過程相關的植被冠層結(jié)構(葉面積指數(shù)、覆蓋度、植被高度、生物量)、輻射吸收(PAR、反照率、凈輻射、地表溫度、冠層溫度、土壤溫度)、生化(葉綠素、胡蘿卜素、含氮量、葉片含水量)、功能(葉綠素熒光)參數(shù);空氣動力學溫度、水汽壓差、輻射、水熱參數(shù)等物理參數(shù)作為驅(qū)動因子,構建基于生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的機理模型。根據(jù)驅(qū)動因子模型進一步可以分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型,主要的靜態(tài)模型包括 CENTURY、InTEC和Biome-BGC等,在模擬期間,驅(qū)動因子(氣候、植被)維持基線情景,而動態(tài)模型種的植被物種分布會隨著氣候和土壤條件的變化發(fā)生改變,常用的模型有IBIS、CEVSA、BIOME3、LPJ-DGVM等。Cao等利用CEVSA模型估算了中國1981—2000年間由于氣候變化和CO2濃度增加導致的陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力和凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(碳匯)的變化,結(jié)果表明在此期間中國陸地生態(tài)系統(tǒng)由碳源向碳匯轉(zhuǎn)變,為(-0.32—0.25)Pg C/a[47]。He等基于氣候因子、土地利用數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù),使用CEVSA2、BEPS和 TEC3種生態(tài)過程模型估算了1982—2010年間的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強度,結(jié)果表明在1982—2000年間中國陸地生態(tài)系統(tǒng)是明顯的碳源,2000年后轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的碳匯[48]。利用生態(tài)過程模型模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯,可以闡明生態(tài)系統(tǒng)組分與環(huán)境因子之間的交互作用,通過對因子進行歸因分析,評價不同因子對模型的貢獻,同時也可以對未來陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯大小進行預測。但不同類型的模型在原理、結(jié)構和參數(shù)上存在差別,導致在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評估中存在很大的不確定性;模型輸入?yún)?shù)的固有誤差和測量誤差、模型參數(shù)相關作用產(chǎn)生的誤差在應用過程中產(chǎn)生的誤差傳遞最終都會誤差累計到碳匯計算中;傳統(tǒng)經(jīng)驗模型缺少對估算結(jié)果機理性解釋,物理模型(輻射傳輸、光能利用率模型)較為抽象,難以理解且缺少對于土壤呼吸的模擬;過程模型將碳匯復雜的生物物理化學過程簡化為幾個主要的驅(qū)動因子,關鍵參數(shù)依賴經(jīng)驗設置,降低了碳匯估算的準確性;模型方法很少會將生態(tài)系統(tǒng)人工管理措施考慮在內(nèi)(表2)。

表2 不同陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算方法的優(yōu)缺點及發(fā)展趨勢Table 2 The advantages,disadvantages and development tendency of different methods

2 “自上而下”碳匯方法

陸地生態(tài)系統(tǒng)類型多樣,分布范圍廣、異質(zhì)性強,僅依靠地面觀測數(shù)據(jù)難以滿足大尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算的需求。因此,從數(shù)據(jù)獲取角度出發(fā),需要將地表點狀觀測拓展為空間上的面上監(jiān)測,將定點定時的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)拓展為隨時隨地的動態(tài)觀測,將局部的離散觀測拓展為全局的連續(xù)觀測[49]。從20世紀70年代開始多光譜衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星、熱紅外傳感器、激光雷達傳感器、碳衛(wèi)星陸續(xù)的發(fā)射并應用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究(表3)。當前,應用遙感數(shù)據(jù)估算碳匯的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在4個方面:(1)通過分析遙感數(shù)據(jù)植被指數(shù)、葉面積指數(shù)與地表植被的生產(chǎn)力的相關關系,構建統(tǒng)計模型估算生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[50]。Zhu利用AVHRR、MODIS 和 CYCLOPES衛(wèi)星傳感器獲取的1982—2009年間葉面積指數(shù)時間序列數(shù)據(jù),使用全球生態(tài)系統(tǒng)模型分析了全球陸地植被生長季累積葉面積指數(shù)的變化趨勢及其驅(qū)動因子[51]。(2)根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的建立光能利用率模型估算陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力,常見的模型包括CASA模型[52],BEPS模型[53],基于MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的MODIS-GPP模型[54],與渦度相關法相結(jié)合的EC-LUE模型[55]。Yu利用MODIS衛(wèi)星遙感土地覆蓋數(shù)據(jù)和1996—2000年的FPAR、站點通量、氣象、氮沉降等資料,對中國亞熱帶季風區(qū)森林碳匯進行了全面評估,得出較高的碳匯估計((0.72±0.08) Pg C /a)并將此碳匯歸因于中國植樹造林和氮沉降的影響[40]。(3)基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中的日光誘導葉綠素熒光(SIF)與地表植被生產(chǎn)力之間的關系計算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯[56]。(4)利用大氣CO2柱濃度觀測數(shù)據(jù),基于碳同化的方法反演生態(tài)系統(tǒng)碳通量[7],這是“自上而下”碳匯估算方法的基本原理。

表3 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評估常用衛(wèi)星傳感器參數(shù)Table 3 The parameters of satellite sensor used in Carbon sink assessment

基于CO2濃度觀測數(shù)據(jù)的大氣反演模型是近年來發(fā)展的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯計算的新技術。它可以獲取地面及高空的大區(qū)域的CO2三維空間數(shù)據(jù),遠距離實現(xiàn)對CO2氣體的實時監(jiān)測,不僅可以獲取化石燃料燃燒排放的CO2信息,也可以監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)中地-氣CO2濃度變化[12—13]。在2019年新修訂的IPCC國家溫室氣體清單指南中,明確增加了基于CO2濃度觀測的自上而下碳同化反演估算溫室氣體源-匯狀況的方法,并可以作為獨立數(shù)據(jù)驗證排放因子法和過程模型法等自下而上的碳源匯估算模型[57]。

為了彌補地面CO2觀測站點數(shù)量少的不足,多個國家先后發(fā)射了碳衛(wèi)星應用于監(jiān)測空間CO2濃度變化[58—59]。聯(lián)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面大氣CO2濃度、站點通量數(shù)據(jù)和遙感地表參數(shù)等數(shù)據(jù)是全球碳同化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。在全球尺度上,Ingrid等應用Carbon Tracker 全球碳同化反演系統(tǒng)估算了2001—2015年間全球碳匯情況;在區(qū)域尺度上,基于Carbon Tracker改進模型,成功實現(xiàn)了對亞洲[12]、歐洲[60]、南美洲[61]等地區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯分布的估算。在中國,多個根據(jù)不同同化方法的全球碳同化系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)并應用于生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)監(jiān)測。Tian 等基于POD-4DVar集合四維變化同化方法發(fā)展了Tan-Track中國碳衛(wèi)星聯(lián)合同化系統(tǒng)[62]。Zhang 基于亞洲和中國地區(qū)的CO2觀測數(shù)據(jù),使用CarbonTracker-China全球碳同化系統(tǒng),反演得到1°×1°分辨率的碳通量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)在2001—2010年間中國陸地生態(tài)系統(tǒng)平均碳匯為0.33 Pg C/a[26]。Wang基于中國6個地區(qū)的溫室氣體觀測本底站碳監(jiān)測數(shù)據(jù)和地面調(diào)查數(shù)據(jù),GOSAT和OCO-2衛(wèi)星溫室氣體濃度觀測結(jié)果和生態(tài)系統(tǒng)全球遙感數(shù)據(jù),使用Geos-Chem全球反演模型,估算2010—2016年間我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯狀況,結(jié)果表明,我國陸地生態(tài)系統(tǒng)年平均碳匯約為(1.11±3.8)Pg C/a,約占我國大陸地區(qū)年化石燃料燃燒排放量45%[25]。

“自上而下”方法也是應用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯驅(qū)動因子分析的主要方法。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯受多種因素影響,不僅包括土地利用/覆蓋變化(森林砍伐、植樹造林)等人類活動的直接影響,也包括CO2濃度增加、氮沉降、氣溶膠等環(huán)境變化的影響,及溫度、降水和光照等氣候因素的影響[63]。Piao等使用大氣反演模型估算了1998—2012年間全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯情況并利用陸地生態(tài)系統(tǒng)模型分析了主要的驅(qū)動因素,他認為該期間全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯為(0.17± 0.05)Pg C /a,全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯量呈增加趨勢,原因主要在于受熱帶地區(qū)森林面積減少速度下降,北溫帶地區(qū)造林面積的增加[64]。研究表明大氣CO2濃度與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯呈正相關關系,根據(jù)1995—2014年間全球CO2濃度變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯之間的關系,大氣CO2濃度每增加100×10-6,碳匯增加(3.1—8.1)Pg C[17]。在北美洲地區(qū),根據(jù)1980—1993年間的陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù),隨著CO2濃度上升,碳匯強度增加0.08 Pg C/a[65];通過對1950—2000年間歐洲大陸地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強度增加的驅(qū)動力分析表明CO2濃度增加的貢獻率占61%[66]。但是,“自上而下”的方法也存在一定的缺陷,遙感數(shù)據(jù)的時空分辨率較低、模型理論研究支撐不足,不能準確區(qū)分不同類型生態(tài)系統(tǒng)碳匯;受傳感器特性、大氣輻射偏差、星下點角度等因素的影響,遙感數(shù)據(jù)出現(xiàn)的偏差;大氣CO2觀測點的數(shù)量與分布、大氣傳輸模型和同化方法的差異都影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的準確性。

3 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯驅(qū)動因子

通過對近年來中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究的文獻進行梳理,總結(jié)相關的研究方法和結(jié)果,通過“自下而上”和“自上而下”兩種方法估算的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯大小為(0.07—1.91)Pg C/a[67—69],其中,基于樣地清查法估算的碳匯介于(0.13—0.31)Pg C/a[21,28],基于渦度相關法估算的中國區(qū)域碳匯介于(0.18—1.91)Pg C/a[69—71],基于模型法模擬的碳匯為(0.07—0.29)Pg C/a[7,22,72],“自上而下”方法反演得到的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯為(0.28—1.11)Pg C/a[26,73—74]。通過比較兩類碳匯估算方法可以看出,基于不同方法的我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯水平存在著明顯的差異,“自上而下”方法計算的碳匯要普遍高于“自下而上”方法,這主要是因為“自上而下”方法假設化石燃料和非生物質(zhì)燃料燃燒完全釋放為CO2,未考慮其他的污染氣體和非氣態(tài)碳化合物,從而高估了大氣中CO2的排放量[75—76],而基于“自下而上”的方法對于森林產(chǎn)品收獲、水體沉積等從陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中轉(zhuǎn)移部分缺乏考慮[77—78];此外,對于陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯計算也存在很大的不確定性:對于森林定義的不同 統(tǒng)計的森林面積也有區(qū)別,森林碳匯往往只針對連片的森林喬木,對經(jīng)濟林、灌木林和其他類型林木較少納入計算,這造成了森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯水平的低估[33]。從中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強度歷史變化趨勢來看,學者對20世紀后半葉中國陸地碳匯變化有著較大的爭議,一些研究認為從60年代到90年代,碳匯水平呈微弱的下降趨勢[68,79],而有些研究則認為碳匯不存在明顯的變化[22]。對于21世紀以來的碳匯水平,大多數(shù)研究都認同中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強度在增加[73,80]。通過對未來碳匯水平的預測,到2060年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強度介于(0.19—0.52)Pg C/a[81—83],將會抵消2.8—18.7%的碳排放[84],為我國實現(xiàn)“碳中和”發(fā)揮著舉足輕重的作用。

在中國,氣候因素對于陸地碳匯的驅(qū)動作用要高于其他因素。Zhang等基于碳通量數(shù)據(jù)使用6個生態(tài)系統(tǒng)碳匯模型定量分析了中國陸地碳匯年際變化的區(qū)域貢獻與氣候變化之間的關系,結(jié)果表明中國季風區(qū)對全國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的年際變化起主導作用(86%),相較于其它區(qū)域的氣候因子,降水的年際變異對碳匯年際變異的貢獻最大(23%)[85]。Fang等利用基于NOAA時間序列數(shù)據(jù)獲取的歸一化植被指數(shù)(NDVI)研究了1982—1999年間中國植被活動的變化特征及驅(qū)動因素,結(jié)果表明18年間全國NDVI增加了7.4%,其主要的驅(qū)動因素在于溫度的升高、夏季降水的增加和農(nóng)業(yè)活動的增強[86]。通過對中國1982—2010年間陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯變化及驅(qū)動因素分析,發(fā)現(xiàn)氣候因素效應的貢獻率為56.3%,其次是氮沉降(11.3%)和大氣CO2濃度增加(8.6%)[48]。盧學鶴等利用衛(wèi)星遙感估算的大氣氮沉降數(shù)據(jù)、衛(wèi)星柱濃度數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)模擬了氮沉降對于我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響,研究表明在21世紀初期,大氣氮沉降使中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯增加了0.0469 Pg C/a[87]。我國所屬的北半球大部分地區(qū)為全球氮沉降的高值區(qū)域[88]。

土地利用管理也是中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的主要影響因素。當前土地利用/覆蓋變化主要包括兩個方面,一方面隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程需要的國土開發(fā)導致的林地、耕地、草地面積減少、建設用地增加,對1980—2010年間我國陸地生態(tài)系統(tǒng)土地利用變化的研究表明,30年間因林地、耕地面積減少和城市用地的增加造成了279 Tg C的損失[89]。另一方面受益于天然林資源保護工程、退耕還林還草、三北防護林體系等一系列生態(tài)工程的實施,增加了森林面積,提高了森林覆蓋率,明顯提高了我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力[90]。Chen等基于MODIS全時間序列葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)2000—2017年間全球植被葉面積呈增加趨勢,其中,中國以占全球6.6%的植被面積,貢獻了占1/4的全球葉面積增加量,地球變“綠”的直接因素就是土地利用管理[91]。

4 展望

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯是一個復雜的機理過程,碳匯估算也受多種因素的影響,包括對于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯定義的差異、模型參數(shù)化本身的系統(tǒng)誤差、觀測樣點分布不均的造成抽樣誤差、觀測設備本身存在的測量誤差、以及不同碳匯估算原理和方法間的誤差[92—93]。為了加深對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯過程機理的理解,提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算的準確性,準確客觀的評價陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯對我國碳中和的貢獻,需要采用新技術和新方法,多源數(shù)據(jù)、多尺度數(shù)據(jù)和多源方法相融合,開展陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評估。

4.1 規(guī)范陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯指標

要對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯有著全面準確的認識,首先需統(tǒng)一陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯指標定義。因?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)的定義不同,不同研究使用的觀測數(shù)據(jù)在來源、定義、閾值等方面存在著差異,其結(jié)論也會存在較大的差距,Fang等[86]和Tang等[33]分別采用森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)和1∶100萬植被圖來計算森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯,其定義的森林面積分別為(1.428×106) hm2和(1.882×106)hm2。因此,規(guī)范生態(tài)系統(tǒng)指標,統(tǒng)一量化分類方法,及時更新土地利用數(shù)據(jù),對于比較不同生態(tài)系統(tǒng)碳匯有著重要意義。

4.2 擴展陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測范圍,完善碳匯監(jiān)測技術手段

在計算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯時不僅要關注森林、草地、農(nóng)田、濕地(包括泥炭地)等生態(tài)系統(tǒng)的碳匯數(shù)據(jù),也要重視灌叢、荒漠、凍土、城市生態(tài)系統(tǒng)等碳匯數(shù)據(jù),以及水體可溶碳、大氣中除CO2通量以外的氮、硫、甲烷通量、人為碳匯活動數(shù)據(jù)的收集,擴大陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測范圍,標準化數(shù)據(jù)觀測,提高數(shù)據(jù)的代表性和準確性。完善國家陸地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站、中國通量觀測研究聯(lián)盟、中國生態(tài)系統(tǒng)光譜觀測研究網(wǎng)絡等觀測系統(tǒng)的建設,從而獲取長期、連續(xù)、定位的生態(tài)系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù),推進大氣觀測衛(wèi)星(天氣、氣候大氣成分探測衛(wèi)星)、陸地觀測衛(wèi)星(光學、微波、地球物理場探測衛(wèi)星)等空間基礎設施和基于無人機遙感技術的近地面遙感監(jiān)測平臺的建設,獲取高分辨率、長時間序列、高可靠性的生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)(碳通量、氣溶膠、葉綠素熒光、生物量、葉面積指數(shù)、大氣顆粒物、污染氣體、溫室氣體濃度),完善“天-空-地”一體化的陸地生態(tài)系統(tǒng)觀測體系。我國于2018年發(fā)射的首顆碳衛(wèi)星(TanSat),在研究全球CO2濃度,監(jiān)測溫室氣體方法、估算全球和區(qū)域碳通量已發(fā)揮了重要作用[94]。2022年8月發(fā)射的首顆陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星“句芒”為我國獲取全球森林碳匯的多要素遙感信息,提高碳匯計量的效率和精度、實現(xiàn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯監(jiān)測提供重要支撐[95]。

4.3 新技術的應用及模型方法的系統(tǒng)耦合

新技術和新方法的廣泛應用可以促進陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究。測序技術的突破、質(zhì)譜技術的發(fā)展以及生物信息學的進步為從分子層面闡明生態(tài)系統(tǒng)群落組成、功能和結(jié)構提供了幫助;穩(wěn)定碳同位素追蹤技術通過測定植被、土壤及大氣中各碳庫示蹤物量的變化,量化植被光合作用中碳的傳輸與分配特征、闡明土壤碳動態(tài)變化,從葉片、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)等尺度解釋陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán);日光誘導葉綠素熒光(SIF)遙感技術作為新興的植被遙感技術,在借助近地面遙感平臺、機載平臺和星載平臺獲取豐富的數(shù)據(jù)源基礎上,通過深入SIF機理研究,構建起從葉片、冠層全球尺度的生態(tài)系統(tǒng)過程中的關鍵生理生化參數(shù)反演模型,為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)監(jiān)測提供了新的視角。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯方法日趨成熟,單一的技術手段和方法已經(jīng)不能實現(xiàn)碳匯的準確評估,今后的研究方向已傾向于綜合應用各類觀測數(shù)據(jù)、耦合多種模型、“自下而上”和“自上而下”方法相結(jié)合進行碳匯比較驗證。包括基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術建立溫室氣體、碳、氮同位素協(xié)同觀測網(wǎng)絡,植被碳循環(huán)模型與氣候模型相耦合研究不同尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)間的物質(zhì)循環(huán)和能量流動,揭示陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯,降低預測的不確定性。

4.4 國家重大生態(tài)工程的碳匯評估

最后,根據(jù)中國政府出臺的“碳匯能力鞏固提升行動”方案,需要量化國家生態(tài)保護修復重大工程對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響。防護林工程、退耕還林還草工程和國土綠化工程對森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)的增匯潛力,以及隨著時間的推移植被年齡結(jié)構的變化和經(jīng)營管理措施對碳匯能力的影響都需要科學評估,同時也要研制和完善突發(fā)氣候狀況下(極端天氣、火災)和不同碳排放場景下的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯模型。此外,考慮到陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評估的研究性,當2060年實現(xiàn)“碳中和”目標后[96],隨著能源結(jié)構的調(diào)整、CO2濃度的變化,“后碳中和”時代的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評估可能遇到新的問題和挑戰(zhàn),這需要有預見性考量并提前作出科學的應對。