陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評(píng)估方法研究進(jìn)展

劉 坤,張 慧,2,*,孔令輝,喬亞軍,胡夢(mèng)甜

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

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

自工業(yè)革命以來(lái),人類對(duì)化石燃料的消耗,導(dǎo)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(kāi)始中國(guó)取代美國(guó)成為世界上最大的CO2排放國(guó)[1],2020 年的碳排放量約為 10.7 Pg(1 Pg=1015g=10億t)CO2當(dāng)量,占同年全球排放量的31%[2],未來(lái)中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和所需的碳減排壓力遠(yuǎn)超過(guò)世界上其他任何一個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家[3]。為此,2020年我國(guó)提出:“二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年達(dá)到峰值,2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)”,這不僅是實(shí)現(xiàn)我國(guó)自身可持續(xù)發(fā)展的需求,也是展現(xiàn)我國(guó)作為負(fù)責(zé)任大國(guó)的作為和擔(dān)當(dāng)。減少CO2排放和增加碳匯是最主要的兩種實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的手段,而碳匯增加的重點(diǎn)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(guān)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(guān)關(guān)聯(lián)共同對(duì)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(shù)造林、增加綠化面積等措施對(duì)于碳吸收的貢獻(xiàn),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(guò)程,同時(shí)也涵蓋土壤、永久性凍土固定的碳儲(chǔ)量”[4]。中國(guó)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(diǎn)地區(qū)。根據(jù)預(yù)測(cè),在2060年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力將達(dá)到0.36 Pg C/a,抵消的同期化石燃料燃燒和工業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致的碳排放的比例將達(dá)到43%[5]。因此,在中國(guó)開(kāi)展陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究不僅是改進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)管理、保障生態(tài)安全的急迫需求,同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)路線圖和時(shí)間表提供科學(xué)基礎(chǔ)[6]。

近年來(lái),隨著科技水平的進(jìn)步,適用于不同時(shí)空尺度的碳匯水平觀測(cè)技術(shù)和碳匯強(qiáng)度評(píng)估方法不斷地得到發(fā)展和完善。在全球尺度和中國(guó)尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評(píng)估研究中,國(guó)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(lái)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]。“自下而上”方法利用地面調(diào)查數(shù)據(jù)、氣象觀測(cè)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(guān)法、生態(tài)過(guò)程模型等方法[22]。常用的模型包括通過(guò)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(guān)系來(lái)估算陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚23—24];通過(guò)考慮植被生長(zhǎng)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(guò)程(光合作用、呼吸作用等)來(lái)估算陸地生態(tài)系統(tǒng)尺度生產(chǎn)力的生態(tài)過(guò)程模型[25]?！白陨隙隆狈椒ㄖ饕锰纪囱菁夹g(shù),基于不同平臺(tái)的(地基平臺(tái)、航空遙感平臺(tái)、衛(wèi)星遙感)大氣溫室氣體濃度觀測(cè),結(jié)合氣象場(chǎng)數(shù)據(jù)和大氣輻射傳輸模型計(jì)算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)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(guó)區(qū)域尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)度估計(jì)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(píng)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(yīng)用、以及各方法的優(yōu)勢(shì)及缺陷,闡明主要驅(qū)動(dòng)因子對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響;總結(jié)中國(guó)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(shù)手段在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究中的應(yīng)用,為更準(zhǔn)確的估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯、更好的支撐國(guó)家碳中和行動(dòng)方案的制定和實(shí)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(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究包括多個(gè)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(píng)估,陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)度的評(píng)估和碳匯強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。郭兆迪等根據(jù)中國(guó)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(jì)天然林、人工林、經(jīng)濟(jì)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(jì)算了中國(guó)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(jì)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(guó)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(rèn)為森林生態(tài)系統(tǒng)的森林生物量、地表凋落物、木質(zhì)殘?bào)w和土壤有機(jī)碳等組分整體表現(xiàn)出明顯的碳匯,并肯定了我國(guó)植樹(shù)造林、人工林面積增加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳匯的重要貢獻(xiàn)[28—29]。由全球變化研究國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持的研究結(jié)果表明:2004—2008年間中國(guó)森林凋落物碳和木質(zhì)殘?bào)w的碳儲(chǔ)量為(925±54)Tg,1988—2008年,森林凋落物碳和木質(zhì)殘?bào)w的年平均碳匯為(925±54)Tg C/a[30]。在對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力預(yù)測(cè)上,劉迎春等基于國(guó)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(shù)種組成情況不變)2000—2200年森林碳儲(chǔ)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(hù)政策引導(dǎo)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(guò)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(cè)數(shù)據(jù),估算了全球森林在1990—2007年間碳匯強(qiáng)度變化,前十年(1990—1999)的全球凈森林碳匯強(qiáng)度為(1.0±0.8)Pg C/a,后期(2000—2007)的碳匯強(qiáng)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(píng)估方法明確、技術(shù)簡(jiǎn)單,可以直接獲得最為準(zhǔn)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(jìn)行總體精度控制,工作量大,耗時(shí)長(zhǎng),而且樣地清查法沒(méi)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(duì)于灌叢、濕地、荒漠、凍土、城市等生態(tài)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)則較少,如中科院實(shí)施的“碳專項(xiàng)”項(xiàng)目耗時(shí)5年在全國(guó)也僅調(diào)查了14371個(gè)調(diào)查樣方(森林樣方7800個(gè),草地樣方4030個(gè),灌叢樣方1200個(gè),農(nóng)田樣方1341個(gè)),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(chǔ)量的年變化量計(jì)算得到,碳儲(chǔ)量的年變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量,碳匯測(cè)定誤差較大;同時(shí)該方法沒(méi)有考慮生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的土壤呼吸、水蝕、風(fēng)蝕等因素造成的碳的橫向轉(zhuǎn)移過(guò)程。

1.2 渦度相關(guān)方法

渦度相關(guān)法是基于微氣象理論的目前唯一能直接測(cè)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(cè)技術(shù)[34],實(shí)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(guò)程涉及的生態(tài)現(xiàn)象觀察、生態(tài)要素觀測(cè)、生態(tài)系統(tǒng)功能變化觀測(cè)的融合[35]。目前全球通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(FLUXNET)建立起900多個(gè)觀測(cè)樣點(diǎn),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(cè)網(wǎng)絡(luò),包括美國(guó)通量網(wǎng)、歐洲通量網(wǎng)、亞洲通量網(wǎng)、中國(guó)通量網(wǎng)等共42個(gè)國(guó)家、23個(gè)區(qū)域性通量研究網(wǎng)絡(luò)[36]。中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)(ChinaFLUX)于2002年建成,截止目前擁有80多個(gè)臺(tái)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(guò)應(yīng)用微氣象法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)CO2和水熱通量長(zhǎng)期定位觀測(cè)的關(guān)鍵技術(shù),為全球碳平衡與全球變化研究提供中國(guó)典型陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、水汽、氮通量的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)。

通過(guò)構(gòu)建區(qū)域、國(guó)家及全球尺度的通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),可以研究不同時(shí)間尺度和空間尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)度。Fu等通過(guò)借助歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)1979—2013年間的CO2通量觀測(cè)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(zhǎng)期趨勢(shì)與年際變異的特征規(guī)律,發(fā)現(xiàn)從長(zhǎng)期趨勢(shì)來(lái)看,北半球和南半球?qū)θ騈EP貢獻(xiàn)率相當(dāng),年際變化上,北半球的貢獻(xiàn)率更大(58%)[38]。Pieter 等通過(guò)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(jì)算了1981—1987年間全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯水平,認(rèn)為陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯水平遠(yuǎn)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(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):相同緯度的中國(guó)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(guān)碳通量技術(shù)也應(yīng)用于不同氣候區(qū)和植被類型的生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)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]?；跍u度相關(guān)方法的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究,可以實(shí)施監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期的點(diǎn)位觀測(cè)可以規(guī)避生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的短期波動(dòng)帶來(lái)的不確定性,有利于探討生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程對(duì)氣候變化的相應(yīng)機(jī)制。但是,渦度相關(guān)方法設(shè)備布設(shè)要求高,下墊面地形復(fù)雜的情況會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行,且周圍會(huì)有建筑物限高要求;通量塔數(shù)量偏少、設(shè)置不合理、覆蓋范圍小不能完全反映測(cè)量生態(tài)系統(tǒng)的景觀異質(zhì)性;因渦度測(cè)量?jī)x器和工作原理的缺陷,觀測(cè)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(duì)于空缺碳通量數(shù)據(jù)的填補(bǔ)不同方法誤差較大;儀器還不能準(zhǔn)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(shí)擾動(dòng)數(shù)據(jù)還是無(wú)效記錄數(shù)據(jù);由于夜間的湍流被抑制會(huì)導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)不足,測(cè)量數(shù)據(jù)值偏低,測(cè)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(shí)期記錄到CO2吸收現(xiàn)象)[46];對(duì)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(yīng)用數(shù)學(xué)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(cè)值之間的關(guān)系,對(duì)當(dāng)前碳匯狀況進(jìn)行評(píng)估,和對(duì)未來(lái)碳匯情景進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)模型在結(jié)構(gòu)、參數(shù)及算法上的不同,可以分成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜕鷳B(tài)過(guò)程模型。樣地清查法中應(yīng)用的異速生長(zhǎng)模型、蓄積量—生物量轉(zhuǎn)換模型、全碳庫(kù)模型等都屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Piao等利用34個(gè)固定樣點(diǎn)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(yàn)回歸方程,并假設(shè)地上/地下生物量比值為常數(shù),隨后將實(shí)測(cè)調(diào)查點(diǎn)通過(guò)尺度上估算全國(guó)碳匯為(0.19—0.26)Pg C/a[21]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒豢紤]環(huán)境因素的影響,模型參數(shù)沒(méi)有特定的生態(tài)學(xué)含義,不能從機(jī)理上對(duì)碳匯過(guò)程進(jìn)行解釋。近年來(lái),隨著對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程中涉及的生物物理化學(xué)過(guò)程認(rèn)識(shí)的逐步深入,越來(lái)越多的研究者通過(guò)分析太陽(yáng)輻射傳輸、光合作用和呼吸作用、養(yǎng)分和水分循環(huán)等過(guò)程,將與過(guò)程相關(guān)的植被冠層結(jié)構(gòu)(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?zé)晒?參數(shù);空氣動(dòng)力學(xué)溫度、水汽壓差、輻射、水熱參數(shù)等物理參數(shù)作為驅(qū)動(dòng)因子,構(gòu)建基于生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程的機(jī)理模型。根據(jù)驅(qū)動(dòng)因子模型進(jìn)一步可以分為靜態(tài)模型和動(dòng)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(dòng)因子(氣候、植被)維持基線情景,而動(dòng)態(tài)模型種的植被物種分布會(huì)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(guó)1981—2000年間由于氣候變化和CO2濃度增加導(dǎo)致的陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)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(guó)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(guò)程模型估算了1982—2010年間的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)度,結(jié)果表明在1982—2000年間中國(guó)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(guò)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(guò)對(duì)因子進(jìn)行歸因分析,評(píng)價(jià)不同因子對(duì)模型的貢獻(xiàn),同時(shí)也可以對(duì)未來(lái)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯大小進(jìn)行預(yù)測(cè)。但不同類型的模型在原理、結(jié)構(gòu)和參數(shù)上存在差別,導(dǎo)致在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評(píng)估中存在很大的不確定性;模型輸入?yún)?shù)的固有誤差和測(cè)量誤差、模型參數(shù)相關(guān)作用產(chǎn)生的誤差在應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的誤差傳遞最終都會(huì)誤差累計(jì)到碳匯計(jì)算中;傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鄙賹?duì)估算結(jié)果機(jī)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(duì)于土壤呼吸的模擬;過(guò)程模型將碳匯復(fù)雜的生物物理化學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)化為幾個(gè)主要的驅(qū)動(dòng)因子,關(guān)鍵參數(shù)依賴經(jīng)驗(yàn)設(shè)置,降低了碳匯估算的準(zhǔn)確性;模型方法很少會(huì)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(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)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(qiáng),僅依靠地面觀測(cè)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(diǎn)狀觀測(cè)拓展為空間上的面上監(jiān)測(cè),將定點(diǎn)定時(shí)的靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)拓展為隨時(shí)隨地的動(dòng)態(tài)觀測(cè),將局部的離散觀測(cè)拓展為全局的連續(xù)觀測(cè)[49]。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始多光譜衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星、熱紅外傳感器、激光雷達(dá)傳感器、碳衛(wèi)星陸續(xù)的發(fā)射并應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究(表3)。當(dāng)前,應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)估算碳匯的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在4個(gè)方面:(1)通過(guò)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(guān)關(guān)系,構(gòu)建統(tǒng)計(jì)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(shí)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(zhǎng)季累積葉面積指數(shù)的變化趨勢(shì)及其驅(qū)動(dòng)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(jiàn)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(guān)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(diǎn)通量、氣象、氮沉降等資料,對(duì)中國(guó)亞熱帶季風(fēng)區(qū)森林碳匯進(jìn)行了全面評(píng)估,得出較高的碳匯估計(jì)((0.72±0.08) Pg C /a)并將此碳匯歸因于中國(guó)植樹(shù)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(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF)與地表植被生產(chǎn)力之間的關(guān)系計(jì)算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯[56]。(4)利用大氣CO2柱濃度觀測(cè)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(píng)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(cè)數(shù)據(jù)的大氣反演模型是近年來(lái)發(fā)展的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯計(jì)算的新技術(shù)。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(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),不僅可以獲取化石燃料燃燒排放的CO2信息,也可以監(jiān)測(cè)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(guó)家溫室氣體清單指南中,明確增加了基于CO2濃度觀測(cè)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(dú)立數(shù)據(jù)驗(yàn)證排放因子法和過(guò)程模型法等自下而上的碳源匯估算模型[57]。

為了彌補(bǔ)地面CO2觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量少的不足,多個(gè)國(guó)家先后發(fā)射了碳衛(wèi)星應(yīng)用于監(jiān)測(cè)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(diǎn)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(shì)。在全球尺度上,Ingrid等應(yīng)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(jìn)模型,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guó),多個(gè)根據(jù)不同同化方法的全球碳同化系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)監(jiān)測(cè)。Tian 等基于POD-4DVar集合四維變化同化方法發(fā)展了Tan-Track中國(guó)碳衛(wèi)星聯(lián)合同化系統(tǒng)[62]。Zhang 基于亞洲和中國(guó)地區(qū)的CO2觀測(cè)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(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)平均碳匯為0.33 Pg C/a[26]。Wang基于中國(guó)6個(gè)地區(qū)的溫室氣體觀測(cè)本底站碳監(jiān)測(cè)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(cè)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(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯狀況,結(jié)果表明,我國(guó)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(guó)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(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯驅(qū)動(dòng)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(shù)造林)等人類活動(dòng)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(dòng)因素,他認(rèn)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(shì),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(guān)關(guān)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(guān)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(qiáng)度增加0.08 Pg C/a[65];通過(guò)對(duì)1950—2000年間歐洲大陸地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)度增加的驅(qū)動(dòng)力分析表明CO2濃度增加的貢獻(xiàn)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(shí)空分辨率較低、模型理論研究支撐不足,不能準(zhǔn)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(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(zhǔn)確性。

3 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯驅(qū)動(dòng)因子

通過(guò)對(duì)近年來(lái)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理,總結(jié)相關(guān)的研究方法和結(jié)果,通過(guò)“自下而上”和“自上而下”兩種方法估算的中國(guó)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(guān)法估算的中國(guó)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(guò)比較兩類碳匯估算方法可以看出,基于不同方法的我國(guó)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(jì)算的碳匯要普遍高于“自下而上”方法,這主要是因?yàn)椤白陨隙隆狈椒僭O(shè)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(duì)于森林產(chǎn)品收獲、水體沉積等從陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)中轉(zhuǎn)移部分缺乏考慮[77—78];此外,對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯計(jì)算也存在很大的不確定性:對(duì)于森林定義的不同 統(tǒng)計(jì)的森林面積也有區(qū)別,森林碳匯往往只針對(duì)連片的森林喬木,對(duì)經(jīng)濟(jì)林、灌木林和其他類型林木較少納入計(jì)算,這造成了森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯水平的低估[33]。從中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)度歷史變化趨勢(shì)來(lái)看,學(xué)者對(duì)20世紀(jì)后半葉中國(guó)陸地碳匯變化有著較大的爭(zhēng)議,一些研究認(rèn)為從60年代到90年代,碳匯水平呈微弱的下降趨勢(shì)[68,79],而有些研究則認(rèn)為碳匯不存在明顯的變化[22]。對(duì)于21世紀(jì)以來(lái)的碳匯水平,大多數(shù)研究都認(rèn)同中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)度在增加[73,80]。通過(guò)對(duì)未來(lái)碳匯水平的預(yù)測(cè),到2060年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)度介于(0.19—0.52)Pg C/a[81—83],將會(huì)抵消2.8—18.7%的碳排放[84],為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”發(fā)揮著舉足輕重的作用。

在中國(guó),氣候因素對(duì)于陸地碳匯的驅(qū)動(dòng)作用要高于其他因素。Zhang等基于碳通量數(shù)據(jù)使用6個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳匯模型定量分析了中國(guó)陸地碳匯年際變化的區(qū)域貢獻(xiàn)與氣候變化之間的關(guān)系,結(jié)果表明中國(guó)季風(fēng)區(qū)對(duì)全國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的年際變化起主導(dǎo)作用(86%),相較于其它區(qū)域的氣候因子,降水的年際變異對(duì)碳匯年際變異的貢獻(xiàn)最大(23%)[85]。Fang等利用基于NOAA時(shí)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(guó)植被活動(dòng)的變化特征及驅(qū)動(dòng)因素,結(jié)果表明18年間全國(guó)NDVI增加了7.4%,其主要的驅(qū)動(dòng)因素在于溫度的升高、夏季降水的增加和農(nóng)業(yè)活動(dòng)的增強(qiáng)[86]。通過(guò)對(duì)中國(guó)1982—2010年間陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯變化及驅(qū)動(dòng)因素分析,發(fā)現(xiàn)氣候因素效應(yīng)的貢獻(xiàn)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(xué)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(duì)于我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響,研究表明在21世紀(jì)初期,大氣氮沉降使中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯增加了0.0469 Pg C/a[87]。我國(guó)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(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的主要影響因素。當(dāng)前土地利用/覆蓋變化主要包括兩個(gè)方面,一方面隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程需要的國(guó)土開(kāi)發(fā)導(dǎo)致的林地、耕地、草地面積減少、建設(shè)用地增加,對(duì)1980—2010年間我國(guó)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(hù)工程、退耕還林還草、三北防護(hù)林體系等一系列生態(tài)工程的實(shí)施,增加了森林面積,提高了森林覆蓋率,明顯提高了我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力[90]。Chen等基于MODIS全時(shí)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(shì),其中,中國(guó)以占全球6.6%的植被面積,貢獻(xiàn)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(gè)復(fù)雜的機(jī)理過(guò)程,碳匯估算也受多種因素的影響,包括對(duì)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(cè)樣點(diǎn)分布不均的造成抽樣誤差、觀測(cè)設(shè)備本身存在的測(cè)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(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯過(guò)程機(jī)理的理解,提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算的準(zhǔn)確性,準(zhǔn)確客觀的評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯對(duì)我國(guó)碳中和的貢獻(xiàn),需要采用新技術(shù)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(kāi)展陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評(píng)估。

4.1 規(guī)范陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯指標(biāo)

要對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯有著全面準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí),首先需統(tǒng)一陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯指標(biāo)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(cè)數(shù)據(jù)在來(lái)源、定義、閾值等方面存在著差異,其結(jié)論也會(huì)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(wàn)植被圖來(lái)計(jì)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(biāo),統(tǒng)一量化分類方法,及時(shí)更新土地利用數(shù)據(jù),對(duì)于比較不同生態(tài)系統(tǒng)碳匯有著重要意義。

4.2 擴(kuò)展陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)范圍,完善碳匯監(jiān)測(cè)技術(shù)手段

在計(jì)算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯時(shí)不僅要關(guān)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(dòng)數(shù)據(jù)的收集,擴(kuò)大陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)范圍,標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)觀測(cè),提高數(shù)據(jù)的代表性和準(zhǔn)確性。完善國(guó)家陸地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站、中國(guó)通量觀測(cè)研究聯(lián)盟、中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)光譜觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)等觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè),從而獲取長(zhǎng)期、連續(xù)、定位的生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù),推進(jìn)大氣觀測(cè)衛(wèi)星(天氣、氣候大氣成分探測(cè)衛(wèi)星)、陸地觀測(cè)衛(wèi)星(光學(xué)、微波、地球物理場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星)等空間基礎(chǔ)設(shè)施和基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的近地面遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè),獲取高分辨率、長(zhǎng)時(shí)間序列、高可靠性的生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(碳通量、氣溶膠、葉綠素?zé)晒?、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(cè)體系。我國(guó)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(cè)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(cè)衛(wèi)星“句芒”為我國(guó)獲取全球森林碳匯的多要素遙感信息,提高碳匯計(jì)量的效率和精度、實(shí)現(xiàn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯監(jiān)測(cè)提供重要支撐[95]。

4.3 新技術(shù)的應(yīng)用及模型方法的系統(tǒng)耦合

新技術(shù)和新方法的廣泛應(yīng)用可以促進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究。測(cè)序技術(shù)的突破、質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展以及生物信息學(xué)的進(jìn)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(gòu)提供了幫助;穩(wěn)定碳同位素追蹤技術(shù)通過(guò)測(cè)定植被、土壤及大氣中各碳庫(kù)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(dòng)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(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF)遙感技術(shù)作為新興的植被遙感技術(shù),在借助近地面遙感平臺(tái)、機(jī)載平臺(tái)和星載平臺(tái)獲取豐富的數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)上,通過(guò)深入SIF機(jī)理研究,構(gòu)建起從葉片、冠層全球尺度的生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中的關(guān)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(cè)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(shù)手段和方法已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)碳匯的準(zhǔn)確評(píng)估,今后的研究方向已傾向于綜合應(yīng)用各類觀測(cè)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(jìn)行碳匯比較驗(yàn)證。包括基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)建立溫室氣體、碳、氮同位素協(xié)同觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),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(dòng),揭示陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯,降低預(yù)測(cè)的不確定性。

4.4 國(guó)家重大生態(tài)工程的碳匯評(píng)估

最后,根據(jù)中國(guó)政府出臺(tái)的“碳匯能力鞏固提升行動(dòng)”方案,需要量化國(guó)家生態(tài)保護(hù)修復(fù)重大工程對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響。防護(hù)林工程、退耕還林還草工程和國(guó)土綠化工程對(duì)森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)的增匯潛力,以及隨著時(shí)間的推移植被年齡結(jié)構(gòu)的變化和經(jīng)營(yíng)管理措施對(duì)碳匯能力的影響都需要科學(xué)評(píng)估,同時(shí)也要研制和完善突發(fā)氣候狀況下(極端天氣、火災(zāi))和不同碳排放場(chǎng)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(píng)估的研究性,當(dāng)2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)后[96],隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、CO2濃度的變化,“后碳中和”時(shí)代的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯評(píng)估可能遇到新的問(wèn)題和挑戰(zhàn),這需要有預(yù)見(jiàn)性考量并提前作出科學(xué)的應(yīng)對(duì)。