(四) 与国内外同类研究相比的创新性与研究特色
本项目是原有973项目、科学院知识创新工程重大项目和基金委重大项目的延续，与国内外同类研究相比，具有以下的创新性和研究特色。 1. 创新性 (1)
通过跨区域联网观测，以生态化学计量理论为基础，揭示碳-氮-水通量的相互平衡关系
本项目选择样带上具有代表性的森林和草地生态系统为研究对象，采用顶层设计，以涡度相关和稳定同位素等原位连续观测技术为基础，开展跨区域碳、氮、水循环的联网综合观测，为揭示不同类型生态系统碳氮水通量的相互作用关系提供高质量连续观测数据。同时，以生态化学计量理论为基础，充分发挥多学科、多领域的交叉优势，探讨不同类型生态系统碳氮水通量组分之间的生态计量平衡关系，阐明其环境影响机制，是对生态化学计量学理论的丰富和发展。 (2)
通过多因子联网控制实验，阐明碳-氮-水耦合循环过程对全球变化的适应性
本项目通过开展典型森林和草地生态系统的多因子联网控制实验，综合考虑了全球变化的主要因素（增温、控水、施肥和放牧等）交互作用对叶片、群落、生态系统、区域尺度的碳-氮-水耦合循环过程的影响，可以充分认识不同水热梯度下生态系统碳-氮-水循环的耦合机制及其对环境变化的响应和适应。 (3)
构建新一代碳-氮-水耦合机理模型，发展机理模型-遥感模型-数据融合系统
充分利用观测数据和控制实验所获得的机理认识和数据资源，在生态系统模型中集成氮对光合作用、呼吸作用、同化物分配等影响的过程模拟，可以深入认识大气氮沉降、环境变化等因素对生态系统碳固定的调控机制。通过研发模型数据同化方法，能有效改进模型结构和提高模型模拟精度，从而建立新一代机理模型-遥感模型-数据融合系统，并采用卫星遥感观测反演数据阐明不同尺度生态系统碳氮水通量的时空格局及其区域响应。 2. 研究特色
? 直接服务国家需求：根据国际减排行动的科技需求，开展陆地固碳潜力和碳汇管理的综合研究，为国家生态系统温室气体管理和环境外交谈判提供决策服务，推动我国生态环境建设和低碳经济的发展。
? 直接面对学科前沿：瞄准当前国际全球变化与生态系统相关研究领域的学术前沿，关注生态系统碳氮水的耦合关系、生态系统对环境变化的响应与适应两个关键科学问题，体现了本项目整体布局的前瞻性和鲜明的国际视野。 ? 以野外大科学装置为依托：以中国东部南北样带(NSTEC)、中国草地样带(CGT)、国家生态系统观测研究网路(CNERN)和中国生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)为平台开展联网观测与实验，充分发挥国家野外大科学平台的科技支撑作用。
? 采用多途径综合集成技术：采用自上而下和自下而上的研究方法，强调定点观测和样带调查、网络观测和控制实验、地面和卫星遥感观测、正演与反演模型技术相结合，发挥多学科研究方法和技术手段的综合集成的优势和作用。
(五) 取得重大突破的可行性分析
1. 生态系统碳氮水通量组分平衡关系研究的思路清晰且技术途径可行
生态系统碳氮水通量组分的相互平衡关系及其影响机制是揭示陆地生态系统增汇机制和强度，降低全球碳平衡预测的不确定性必须解决的科学问题，也是本项目的难点与挑战。本项目以生态化学计量学理论为指导，开展碳、氮、水通量及其组分的联网综合观测，其研究思路清晰；并且项目组拥有涡度相关、气相色谱、同位素分析等先进技术手段、实验设施和长期的数据积累，为项目取得突破提供了数据和技术保障。
2. 完善的实验平台和研究方案可以确保控制实验研究的深入开展
采用顶层设计思想，基于样带的自然环境梯度，充分利用部分站点现有的增温、施氮、降水和放牧以及穿透水转移等控制实验的研究基础，构建自然环境梯度下的多因子控制实验平台，研究生态系统碳氮水过程对全球变化的响应和适应。部分台站已经开展了单因子控制实验研究，掌握了环境要素的控制技术与方法，积累了丰富的经验和观测数据。同时本项目已设计了完善的实验方案和技术体系，将保证联网控制实验研究的顺利开展。
3. 陆地生态系统碳-氮-水耦合模型-构建条件已趋于成熟
目前，项目组已自主研发了生态系统碳循环模型（包括AVIM2、CEVSA等），开展了我国陆地生态系统碳循环时空格局的模拟研究。然而，由于缺乏生态系统碳氮水通量长期观测数据，以及对碳-氮-水循环耦合关系的科学认识有限，限制
了生态系统碳氮水耦合模型的发展。随着长期生态系统通量观测数据的积累，多因子控制实验的开展和数据-模型融合技术、遥感反演技术的完善，构建新一代生态系统碳-氮-水耦合模型的条件日趋成熟。
4. 拥有长期从事碳氮水循环研究的科研队伍，具备广泛的国际和国内合作基础
本项目的主持和参与单位，在以往合作研究过程中，已经形成了多个以优秀中青年科学家领衔的研究队伍，涉及生态、气候、全球变化等多个研究领域，具有长期从事生态系统碳氮水循环的经历，多年来与北美、欧洲和亚洲的主要研究机构，以及国际学术组织一直保持密切的合作与交流，可保障本项目及时跟踪国际前沿动向。具有良好的国内和国际合作基础。
六、课题设置
针对国家对陆地生态系统碳氮水耦合循环过程研究的迫切需求，围绕主要研究内容和关键科学问题，本项目拟设4个研究课题，各课题间的有机联系如下图所示(图9)。
课题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研究理机解释解理模计课题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研究机理认知,模型验证过程分析释机型验设验证课题2：生态系统碳氮水耦合循环关键过程对全球变化的响应和适应性研究实课题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研究图9. 各课题间的有机联系
课题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研究 预期目标：
以中国东部南北样带(NSTEC)和中国草地样带(CGT)为基础，选择样带上具有代表性的森林和草地生态系统为研究对象，开展典型陆地生态系统碳氮水通量的综合观测，阐明我国主要陆地生态系统碳氮水通量特征和年际变异规律及过程机理，确定各生态系统的碳氮水通量组分及其平衡关系，阐明我国主要陆地生态系统碳氮水通量对温度、降水和大气氮沉降变异的响应特征与机制，并为陆地生态系统碳氮水耦合模型的模拟与改进和区域和国家尺度碳源/汇评估提供基础的科学数据和机理认识。
研究内容：
[1] 基于样带的生态系统碳氮水通量的年际变异
选择呼中、帽儿山、长白山、大岗山、千烟洲、鼎湖山、哀牢山、西双版纳为NSTEC的控制站点系列，选择呼伦贝尔、锡林郭勒、海北、当雄等为CGT控制站点系列，在生态系统尺度上利用涡度相关技术进行生态系统净CO2交换(NEE)、水汽交换(ET)和显热通量(H)的自动观测；在冠层-大气界面，连续观测大气干湿氮沉降量；辅以生态系统土壤、植被、气象、气候和水文等指标的定期监测与常规观测。同时，在有条件的站点，利用静态箱－气相色谱技术进行土壤－大气界面CO2、CH4和N2O等温室气体通量的长期观测。阐明我国主要陆地生态系统碳氮水通量特征和年际变异规律及环境控制机理。 [2] 典型陆地生态系统碳氮水通量的相互平衡关系
在NSTEC和CGT上选择2个控制站点，在生态系统-大气界面，与涡度相关通量观测结合，进行13C、18O和D稳定性同位素原位连续观测，实现NEE组分(GEE和RE)和ET组分(E和T)的原位连续拆分；同时利用15N同位素示踪技术，初步量化典型生态系统的生物固氮量。重点确定典型陆地生态系统碳氮水通量组分，构建和分析生态系统碳氮水通量各组分间可计量的相互平衡关系，并通过集成分析基于样带和联网观测数据，揭示样带尺度的生态系统碳水通量的相互作用关系如水分利用率、光能利用率、氮肥利用效率等平衡指标的生态学与生物物理学控制机制。
[3] 主要陆地生态系统碳氮水通量对温度、降水和氮沉降变异的响应
结合样带的优势，基于NSTEC和CGT控制站点的碳氮和水通量的连续观测数据以及植被生理生态监测数据和环境变化信息，揭示不同样带上我国主要陆地生态系统碳氮水通量及其相互平衡关系对温度、降水和大气氮沉降变异的响应
特征与机制。
本课题参与单位有中科院地理资源所、植物所、沈阳应用生态所、华南植物园、西北高原所、西双版纳热带植物园以及中国林科院森环森保所和中国农科院资源区划所。
经费比例：39%
承担单位：中国科学院地理科学与资源研究所、中国林业科学研究院 课题负责人：李胜功
课题2、生态系统碳氮水耦合循环关键过程对全球变化的响应和适应性研究 预期目标：
以NSTEC上的典型森林和CGT上的典型草地生态系统为研究对象，开展氮沉降、降水、温度和放牧为主控因子的环境变化控制实验。阐明外源性氮输入和降水变化对典型森林生态系统碳、氮、水循环主要过程的影响，揭示森林生态系统碳、氮、水循环过程的耦合机制；确定典型草地生态系统碳、氮、水循环过程中关键的耦合环节，解析气候变化和放牧干扰对这些环节的可能影响，揭示由此引起的生态系统结构与功能的变化。在此基础上，阐明生态系统水平上碳、氮、水循环过程对全球变化的区域响应与适应，为揭示我国森林和草地的碳源、碳汇功能与固碳潜力，制定合理的应对全球变化的生态系统管理措施提供理论依据。
研究内容：
[1] 典型生态系统碳氮水循环关键过程对氮输入变化的响应与适应机理
在NSTEC上选择呼中寒温带针叶林、长白山温带针阔混交林、千烟洲亚热带人工林、鼎湖山亚热带季风常绿林，在CGT上选择呼伦贝尔温带草甸草原、锡林郭勒温带典型草原、海北高寒草甸、当雄高寒草甸草原生态系统，布置人工增氮控制实验。重点探讨氮素输入对森林和草地生态系统碳、氮循环主要过程的影响以及氮素利用效率随施氮强度的变化，阐明生态系统碳、氮循环过程的耦合机制，定量评价大气氮沉降对森林和草地生态系统碳固定的贡献。 [2] 典型生态系统碳氮水循环关键过程对降水变化的响应与适应机理
在NSTEC上选择长白山温带针阔混交林和鼎湖山亚热带季风常绿林，布置穿透雨转移控制实验，在CGT上选择呼伦贝尔温带草甸草原和锡林郭勒温带典型草原，布置降水控制实验，研究降水量和降水频率变化对典型区域森林和草地生态系统碳氮水循环关键过程的即时和延滞效应，重点阐明生态系统水分利用效率对极端气候事件(洪涝和干旱)和脉冲式降水的响应特征，阐明生态系统碳水循