项目名称： 中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互
起止年限：依托部门：关系及其环境影响机制
于贵瑞 中国科学院地理科学与资源研
究所
2010年1月-2014年8月 中国科学院
首席科学家：
一、研究内容
(一) 拟解决的科学问题
本研究的核心科学目标是：分析生态系统碳、氮、水通量的年际变异及其相互平衡关系；揭示典型森林和草地生态系统碳氮水耦合循环对环境变化的区域响应机制；研发新一代基于多尺度-多源数据融合的陆地生态系统碳氮水循环耦合模型；综合评价我国及东亚地区陆地生态系统碳收支的时空格局及其对未来气候变化和人类活动的响应。
本研究工作的核心任务是：评估我国陆地生态系统碳源/汇强度、空间格局及变化趋势，阐明我国主要生态系统碳氮水循环关键过程对温度升高、降水变化和氮沉降增加的区域响应机制，为国家的温室气体管理提供科学依据。
为实现上述的目标和核心任务，必需解决以下两个关键科学问题，发展一套关键方法论体系，它们的逻辑关系如图1所示。
环境要素的自然变化?辐射?温度?水分?营养人为或间接人为活动引起的环境变化?增温?氮沉降?水分变化?放牧干扰碳循环科学问题1:生态系统碳-氮-水通量组分的相互平衡关系及其影响机制生态系统碳汇功能科学问题2:生态系统碳-氮-水耦合循环过程对全球变化的响应和适应水循环氮循环方法论体系:生态过程机理模型-遥感模型-观测数据融合系统建设的关键技术集成研究：中国区域生态系统碳源汇的时空格局与温室气体管理
图1. 本研究所关注的核心科学问题与方法论体系的逻辑关系
1. 生态系统碳-氮-水通量组分的相互平衡关系及其影响机制
陆地生态系统碳、氮、水循环包含诸多复杂过程，它们不仅在土壤、植被、大气界面之间存在着错综复杂的相互作用关系，而且碳、氮、水循环之间具有相互制约的耦合关系，由此可以推断生态系统碳氮水通量组分之间存在着可计量的相互平衡关系。因此，研究生态系统碳氮水通量组分生态化学计量平衡关系及其环境影响机制是揭示碳氮水通量的季节和年际变异规律、阐明陆地生态系统增汇潜力、降低全球碳平衡预测的不确定性必须解决的科学问题，是本研究项目的难点与挑战。
2. 生态系统碳-氮-水耦合循环过程对全球变化的响应和适应
人类活动导致的大气氮沉降增加、温度/降水的空间格局和时间分配的改变，正在严重影响生态系统碳、氮、水循环过程以及各种通量组分间平衡关系和陆地生态系统碳源/汇强度。因此，生态系统碳-氮-水耦合循环关键过程对气候变化(如温度升高、降水格局变化等)和各种扰动(如氮沉降的增加、放牧等)的响应和适应引起了学术界的高度关注，也是本研究项目所要解决的关键科学问题。 3. 生态过程机理模型-遥感模型-观测数据融合系统建设的关键技术
区域碳汇功能的评估及其对环境响应和适应性分析最有效的技术途径是以生态系统模型为基础的综合模拟系统。以往的研究工作由于各种技术手段的局限性，尚未发展整合多尺度、多途径的生态系统碳、氮、水相互作用的评估模型。因此，构建新一代的生态过程机理模型-遥感模型-观测数据融合系统是模拟和评估区域碳、氮、水通量时空格局特征的迫切需要，也是本研究所要解决的关键技术，包括新型卫星遥感反演技术、多源数据同化技术、机理模型-遥感模型-观测数据的融合技术等。
(二) 主要研究内容
1. 主要陆地生态系统碳氮水通量的年际变异及其相互平衡关系
本研究将整合中国东部南北样带(NSTEC)和中国草地样带(CGT)的代表性通量观测研究站，开展生态系统碳氮水通量及其主要组分动态变化的综合观测研究，揭示我国主要陆地生态系统碳、氮、水通量的季节和年际变异特征和环境驱动机制，揭示生态系统碳、氮、水通量之间的计量学平衡关系及其时空变异规律。拟重点解决以下关键科学问题：
? 我国主要陆地生态系统碳、氮、水通量的季节和年际变异具有怎样的特
征？其环境驱动机制是什么？
? 生态系统碳、氮、水通量之间究竟具有怎样的生态化学计量平衡关系，是否具有可以定量表达的时空变异规律？
? 生态系统碳、氮、水通量之间的生态计量平衡与土壤和植物的生物化学计量平衡、生物资源的平衡利用和环境因素综合作用的木桶效应理论具有怎样的联系？
2. 生态系统碳氮水耦合循环关键过程及其对全球变化的响应与适应
本研究拟以中国东部南北样带（NSTEC）和中国草地样带（CGT）上典型区域森林和草地生态系统为研究对象，考虑不同区域主要的环境驱动因子，开展单因素或多因素交互作用的控制实验研究。揭示我国典型区域生态系统对氮沉降、温度和水分变化等的短期响应与长期适应机制，揭示气候变化和人为扰动的多因子协同作用，为区域生态系统碳源/汇的时空格局模拟分析，碳汇计量和增汇对策等提供实验性的科学依据。重点解决以下关键科学问题：
? 生态系统碳-氮-水耦合循环存在着多个环节，具体是哪些环节对生态系统功能的影响起着关键作用？这些耦合环节对环境变化的响应在时间和空尺度上是否存在一致性？
? 温度升高、氮沉降增加以及降水格局变化，如何综合影响生态系统碳平衡？是否会改变生态系统碳、氮、水通量之间的生态计量平衡？ ? 大气氮沉降、降水量和降水季节分配（脉冲式降水以及干旱）变化对森林和草地生态系统固碳潜力的影响究竟有多大？对碳循环关键过程的短期及长期影响机制是什么？
3. 多尺度-多源数据融合的陆地生态系统碳氮水耦合循环模型
以生态模型模拟、遥感反演和数据同化技术为主要手段，基于碳、氮、水循环联网观测数据、控制实验数据和遥感数据，改进生态系统水平的碳氮水循环关键耦合过程的模拟方法，优化碳氮水循环模型的参数，提高现有的生物地球化学循环模型(AVIM2、CEVSA、InTEC、BEPS等)对气候变化和人为活动情景下碳氮水耦合过程预测的精度，发展基于新型遥感传感器反演碳通量的方法，建立与多尺度-多源数据融合的新一代陆地生态系统碳-氮-水循环耦合模型系统，模拟分析我国和东亚区域陆地生态系统碳源/汇时空变化格局及其对环境变化和人类活动（地表覆盖变化和扰动）的区域响应。拟解决以下关键技术问题：
? 如何在同化ChinaFLUX和CNERN的长期监测数据、地面调查和实验数据基础上，研究碳氮水耦合循环的机理性定量表达方法，构建新一代碳-氮-水耦合循环的过程机理模型？
? 如何利用新的卫星数据，发展新的陆地表面参数算法，建立基于遥感数据的大气温室气体估算方法和技术体系？如何构建新一代碳-氮-水耦合循环的过程机理-遥感耦合模型？
? 如何以生态系统碳、氮、水通量长期观测和控制实验为基础，综合模拟分析和评估中国和东亚区域碳、氮、水通量的时空格局特征，定量估计输入资料和模型参数化导致的模拟结果的不确定性？
4. 中国陆地生态系统碳氮水通量的时空格局及其区域响应
基于碳氮水通量联网观测、典型区域生态系统控制实验和模型模拟研究，建立中国陆地生态系统碳氮水耦合循环过程的数据库系统，结合新一代碳-氮-水循环过程机理—遥感模型，研究中国及东亚区域陆地生态系统碳氮水通量的时空格局及其对全球变化的区域响应机制，开展中国陆地―碳汇功能区‖的区划，构建基于数据-模型融合平台的服务于陆地生态系统温室气体管理的碳计量分析系统。重点研究以下关键科学问题：
? 我国典型生态系统碳库和氮库功能、碳-氮-水耦合关系的重要参数(如水分利用效率，氮素利用效率、光能利用效率等)具有怎样的生物地理分异规律？
? 中国/东亚季风气候区的碳格局与其它大陆(区域)有怎样的差异，氮沉降
和水分条件如何影响中国区域碳源/汇的时空格局？
? 如何基于陆地生态系统碳源/汇和生态系统类型的空间格局特征，进行中
国陆地―碳汇功能区‖的区划，如何调控和管理我国的陆地生态系统温室气体的吸收和排放过程？