农田生态系统碳汇研究进展

农田生态系统碳汇包括农作物生物量碳汇和农田土壤碳汇两个方面，中国农田生态系统面积大，碳储量高，是全球生态系统碳循环的重要组成部分。厘清中国农作物生物量和土壤有机碳含量、变化率和影响因素对于解析全球碳循环和维系粮食安全具有重要意义。梳理农田生态系统碳汇相关概念的基础上，比较农田生态系统碳汇研究方法的适用性及存在问题，通过以往研究和SoilGrids250数据研究中国农田生态系统碳库时空分布，并分析农田生态系统碳汇的影响因素及固碳方法。结果表明，中国近30年来农作物生物量呈现增加趋势，农田土壤有机碳含量普遍较低且空间分布不均，0-5cm土壤有机碳含量平均值在16.7 g/kg到86.5 g/kg之间，增加农田土壤有机碳含量是未来中国农田生态系统碳汇的重要方向。肥料和有机残留管理、保护性耕作、种植模式、灌溉等管理措施是增加土壤有机碳汇的主要措施，但农田生态系统碳汇潜力估算仍存在不确定性。最后，从农田生态系统碳汇潜力估算、影响因素厘定和增汇技术研发3个方面提出未来研究方向。研究结果有助于推动农田生态系统碳汇科学研究和技术推广，为实现农田生态系统助力"碳中和"寻求重要路径。     

碳中和的生态学透视

在简述碳中和概念的基础上, 重点对碳中和的实现途径及生态系统碳汇的重要性进行了评述, 认为碳减排和碳增汇是实现“碳中和”的两个决定因素; 碳减排的核心是节能、调结构、增效和发展清洁能源, 碳增汇的核心是生态保护、建设和管理。由于植被自然生长和生态建设等因素, 中国陆地生态系统发挥了, 并将在未来继续发挥着重要的碳汇作用。为增强生态系统的固碳能力, 作者提出“三优”生态建设和管理原则, 即“最优的生态系统布局、最优的物种配置、最优的生态系统管理”。此外, 文章还对“后碳中和”时代可能出现的问题和挑战进行了展望, 认为碳中和后, 由于气候变化, 特别是大气CO₂浓度增速减缓甚至下降等因素, 可能导致全球性的植被生产力下降, 对此可能带来的新的环境问题需要提前谋划和应对。     

黄河流域国土空间碳中和度研究——以内蒙古段为例

基于全球气候治理背景以及黄河流域在我国生态文明建设中的重要地位,以黄河流域内蒙古段为例,通过情景分析法,建立改进的IPAT模型和集成生态圈模拟器IBIS,预测不同情景下2018-2060年研究区碳排放变化趋势和达峰情况,并结合对碳汇水平的模拟分析2060年碳中和实现进程。结果显示①在基准情景、节能情景、低碳情景和粗放情景下,黄河流域内蒙古段将分别于2040年、2035年、2030年和2050年实现碳达峰,峰值碳排放量分别为12209万t、11213万t、9784万t和17635万t;②在IPCC RCP2.6和RCP6.0气候变化情景下,黄河流域内蒙古段的陆地生态系统整体分别呈现出碳汇和碳源的不同效应,净初级生产力分别为1533万t和-506万t;③综合能源消费碳排放和碳汇水平,在RCP2.6气候情景下,若碳排放选取基准、节能、低碳和粗放情景,则2060年黄河流域内蒙古段分别可实现碳中和进程的18.42%、22.37%、34.46%和9.90%;在RCP6.0气候情景下,由于研究区陆地生态系统呈现出碳源效应,因此难以对碳中和进程的推进做出贡献。可见,对于黄河流域内蒙古段而言,需要科学制订碳达峰、碳中和目标实现时间,未来要更进一步保护重要碳汇生态系统,提升固碳增汇能力;调整能源消费结构,增加可再生能源发展规划指标;构建碳排放权交易市场,促进碳指标流动;制定土地利用碳排放标准,优化国土空间格局。     

滨海盐沼净碳汇能力研究方法综述

滨海盐沼较高的初级生产力以及缓慢的有机质降解速率使其具有显著的碳汇功能，对其净固碳能力开展定量化研究对于制定我国增汇减排政策、实现碳中和目标具有重要的技术支撑作用。目前，国内外有关湿地净碳汇量的观测手段、计算思路及预测方法众多，导致各种研究成果的可比性不高。从碳通量原位观测、碳收支过程测定、土壤碳储量变化、碳循环过程模拟等角度出发，对滨海盐沼净碳汇能力研究方法进行系统梳理，在总结各类方法优缺点、剖析已有研究存在问题的基础上，提出未来滨海盐沼净固碳能力确定的主要研究方向：基于湿地生态系统碳的生物地球化学循环机理，结合卫星遥感技术，构建碳源/汇过程模型，将碳通量观测及碳收支测量数据用于模型参数率定和校验，实现不同时空尺度盐沼生态系统碳收支模拟，是定量评估滨海盐沼净碳汇能力的发展趋势和有效途径。     

滨海盐沼湿地蓝色碳汇功能、形成机制及其增汇潜力

盐沼湿地具有很高的碳捕获与存储能力, 是缓解全球变暖的有效蓝色碳汇(蓝碳)。未来气候变暖和海平面上升可能增加盐沼湿地的固碳能力, 其蓝碳功能越来越受到国际社会的重视。该文重点围绕盐沼湿地蓝碳形成的关键过程、光合碳分配过程及影响机制、碳沉积埋藏特征及其来源解析、盐沼湿地土壤碳库稳定性及其微生物机制、盐沼湿地蓝碳过程动态模拟及其增汇潜力等5个方面进行综述。在此基础上, 针对当前研究的不足, 提出今后的研究中需要进一步探究盐沼湿地植被海陆梯度分布格局对碳吸收能力和碳分配的影响, 土壤有机碳沉积和埋藏速率及其对全球变化的响应, 盐沼湿地土壤碳库的稳定性及其横向碳流动, 气候变化和海平面上升背景下盐沼湿地蓝碳模拟与增汇潜力评估, 以及盐沼湿地蓝碳的增汇技术和途径。以期为深入理解盐沼湿地蓝碳形成过程与机制, 预测全球变化背景下盐沼湿地蓝碳功能的潜在变化趋势和制定蓝碳增汇途径提供理论支持, 助力碳达峰、碳中和目标实现。     

“双碳”目标下山水林田湖草沙一体化保护和修复工程优先区与技术策略研究

巩固与提升生态系统碳汇能力是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径之一。生态保护修复对生态系统固碳增汇有着重要影响。2016—2021年,财政部、自然资源部、生态环境部在我国27个省(自治区、直辖市)共支持了三批山水林田湖草生态保护修复工程试点和第一批山水林田湖草沙一体化保护和修复工程,共35个山水工程。通过分析已部署的35个山水工程布局的空间特征和碳汇效益,结合国家重点关注的生态保护修复区域、全国重要生态系统保护和修复重大工程分布、生态系统碳汇重要区域和敏感区域,探索“双碳”目标下山水工程布局优先区及生态保护修复技术策略。研究发现山水工程的碳汇效益具有空间差异性,且山水工程优先区主要依次分布在青藏高原生态屏障区、东北森林带、长江重点生态区(含川滇生态屏障)、南方丘陵山地带、黄河重点生态区(含黄土高原生态屏障)、北方防沙带等的森林、高原草地、荒漠、岩溶地区等区域。基于此,提出未来山水工程在不同区域的技术策略。在森林生态系统为主地区,不仅要提高森林覆盖度、森林质量,还应当加强生物多样性的保护和土壤碳汇能力的提升;在高原草原及冻土地区应加强草地退化和冻土监测,提高草地质量;在西北荒漠化地区加强碳...     

陆地生态系统碳汇评估方法研究进展

“碳中和”是我国作出的一项重大的国家战略决策,陆地生态系统碳汇作为碳增汇的重要组成部分,在碳中和目标实现的过程中发挥着重要的作用。但当前基于不同观测数据和方法的陆地碳汇计算仍有很大的不确定性,为了全面了解陆地生态系统碳汇分布特征,提高陆地生态系统碳汇评估的准确性,梳理了近年来关于陆地生态系统碳汇评估的国内外研究进展,从“自下而上”和“自上而下”两类途径阐述了陆地生态系统碳汇评估的主要方法(样地清查法、涡度相关法、模型模拟法和碳同化反演法)的主要原理和特征,优势和缺陷,及在不同尺度碳汇研究中的应用,并从土地利用/覆盖变化、气候因素(大气CO₂浓度、氮沉降)、环境因素(太阳辐射、温度、降水)等因素阐述了陆地系统碳汇主要驱动因子;分析了我国陆地生态系统碳汇的主要特征及时空变化趋势,并从人类活动(生态工程)和环境因素阐述了中国陆地生态系统碳汇的驱动因素;最后,展望了新的监测手段和评估方法在提升陆地生态系统碳汇评估精度中的作用,从而更好的服务于我国“碳中和”的长远目标。     

基于自然的碳达峰、碳中和解决方案：关键议题

实现碳达峰、碳中和是我国生态文明建设的重点战略方向。按照“目标设计-要素布局-方案实施”的基本逻辑，可以对碳达峰、碳中和的工作要点进行系统梳理。基于自然的解决方案(Nature-based Solutions, NbS)是国际社会普遍认可的生态恢复前沿理念，具备可持续性、系统性、尺度性、适应性四方面核心特质，能够有效回应“双碳”目标的工作要求。碳达峰、碳中和与NbS在目标导向和实践思路上高度契合，二者均以可持续发展为主要目标，NbS八项实施准则亦能够为“双碳”工作的积极推进提供全面系统的行动框架。结合NbS实施准则，具体提出基于自然的碳达峰、碳中和八大关键议题：(1)统筹减污降碳协同增效的政策体系；(2)强化尺度级联的传导机制；(3)构建基于自然的固碳途径；(4)完善多元化的碳汇交易；(5)兼顾社会公平的参与机制；(6)促进基于权衡的路径选择；(7)创新动态连续的监测手段；(8)推动NbS在“双碳”领域主流化，以期支撑国家碳达峰、碳中和可持续解决方案的落实。     

双碳战略背景下城市生态系统的碳汇功能与生物多样性可以兼得

“碳达峰、碳中和”是中国对世界的庄严承诺, 也是当前指导我国可持续发展的重要战略。碳排放的空间分布表明, 城市及其周边地区是最主要的碳排放区。随着我国的城市化进程不断推进, 如何有效减少城市碳排放、增加碳汇成为关系着双碳战略成效的关键问题。作为城市空间中唯一的自然碳汇, 城市绿地生态系统的固碳增汇作用日益突出。加强城市绿地的碳汇建设, 如果按照传统的人工营建思路, 只种植在当前情景下碳汇能力强的少数植物种则很可能会减少生物多样性。基于植物分配有限资源时存在权衡关系的生态学一般原理, 不仅选取当前情景下碳汇能力强的植物, 还要考虑适应环境变化、在未来环境下碳汇能力强的植物, 以及遭遇极端环境时有一定碳汇能力的植物。在此框架下, 选取恰当的植物多样性组合有望实现更好的城市绿地碳汇功能, 即环境稳定时碳汇能力更强, 环境变化时碳汇能力更稳, 出现极端事件时碳汇损失更小。具体的做法包括: (1)扩展绿地物种库信息, 纳入植物的碳减排能力、适应环境变化能力、应对极端变化能力等信息; (2)考虑植物在碳汇能力与应对气候变化能力之间的权衡关系, 将植物分成不同类型的组, 比如高碳汇低适应、低碳汇高适应; (3)根据不同城市的环境和未来气候变化特点, 因地制宜地选择恰当植物组合营建城市绿地; (4)开展城市绿地建设的全生命周期碳计量, 以近自然方式营建和管养城市绿地, 减少管护过程的碳排放。这些举措有助于实现城市绿地碳汇能力提升与生物多样性保护的双重目标。城市生态系统的‌结构与功能共赢, 对落实双碳战略和生态文明建设意义重大。     

湖南省杉木人工林生态系统碳储量分配格局及固碳潜力

人工林生态系统碳储量的空间分配格局对全球陆地碳循环有重要的影响,但湖南省杉木人工林生态系统碳储量的分配格局并不清楚。本研究在湖南省样地野外调查的基础上,结合第八次全国森林资源清查的结果,计算出湖南省杉木人工林生态系统的碳储量空间分布格局。结果表明:杉木人工林生态系统碳密度随着林龄增加而增加,幼龄林、中龄林和成熟林分别为125.70、138.57、193.72 Mg·hm~(-2);其中,幼龄林、中龄林和成熟林的植被生物量碳密度分别为18.72、38.86、62.48 Mg·hm~(-2);土壤碳密度随着林分发育先降低后增加,幼龄林为105.49 Mg·hm~(-2)、中龄林为97.23 Mg·hm~(-2)、成熟林126.7 Mg·hm~(-2);湖南省杉木人工林生态系统碳储量为307.48 Tg,其中幼龄林为90.57 Tg,中龄林为91.87 Tg,成熟林为125.31 Tg;湖南省杉木人工林生态系统的固碳潜力为85.56 Tg,其中,植被固碳潜力为47.19 Tg,土壤的固碳潜力为34.82 Tg。确定杉木人工林固碳潜力有助于量化人工林对碳汇的贡献及其制定实现潜力的森林经营管理措施。     

安徽省森林碳储量现状及固碳潜力

为阐明安徽省不同林龄的森林生态系统的碳储量现状, 以及现有自然环境条件下顶极森林生态系统的固碳潜力, 采用野外样地调查和BIOME4模型方法对此进行研究。安徽省森林生态系统的现状总碳储量为714.5 Tg C, 其中植被碳402.1 Tg C、土壤碳312.4 Tg C。从幼龄林至过熟林的生长过程中, 森林生态系统的总碳密度和植被碳密度都呈现增长趋势。但土壤碳密度从幼龄林至近熟林阶段呈增加趋势, 近熟林以后出现减少趋势。安徽省幼龄林和中龄林占森林总面积的75%, 若幼、中龄林发展到近熟林阶段, 将增加125.4 Tg C。BIOME4模拟显示: 当森林发展到气候顶极森林时, 安徽省森林生态系统将增加245.7 Tg C, 即总固碳潜力包括植被固碳153.7 Tg C, 土壤固碳92.0 Tg C。     

Current forest carbon stocks and carbon sequestration potential in Anhui Province,China

Aims
This study was conducted to investigate carbon stocks in forest ecosystems of different stand ages in Anhui Province, and to identify the carbon sequestration potential of climax forests controlled by the natural environment conditions.
Methods
Data were collected based on field investigations and simulations were made with the BIOME4 carbon cycle model.
Important findings
Currently, the total forest carbon stocks in Anhui Province amounts to 714.5 Tg C: 402.1 Tg C in vegetation and 312.4 Tg C in soil. Generally, both the total and vegetation carbon density exhibit an increasing trend with the natural growth of forest stands. Soil carbon density increases from young to near mature forests, and then gradually decreases thereafter. Young and middle-aged forests account for 75% of the total forest area in Anhui Province, with potentially an additional 125.4 Tg C to be gained after the young and middle-aged forests reach near mature stage. Results of BIOME4 simulations show that potentially an additional 245.7 Tg C, including 153.7 Tg C in vegetation and 92 Tg C in soil, could be gained if the current forests are transformed into climax forest ecosystems in Anhui Province.     

Mineral soil carbon fluxes in forests and implications for carbon balance assessments

Forest carbon cycles play an important role in efforts to understand and mitigate climate change. Large amounts of carbon (C) are stored in deep mineral forest soils, but are often not considered in accounting for global C fluxes because mineral soil C is commonly thought to be relatively stable. We explore C fluxes associated with forest management practices by examining existing data on forest C fluxes in the northeastern US. Our findings demonstrate that mineral soil C can play an important role in C emissions, especially when considering intensive forest management practices. Such practices are known to cause a high aboveground C flux to the atmosphere, but there is evidence that they can also promote comparably high and long‐term belowground C fluxes. If these additional fluxes are widespread in forests, recommendations for increased reliance on forest biomass may need to be reevaluated. Furthermore, existing protocols for the monitoring of forest C often ignore mineral soil C due to lack of data. Forest C analyses will be incomplete until this problem is resolved.     

土壤溶解性有机碳在陆地生态系统碳循环中的作用

土壤溶解性有机碳(DOC)是有机碳库的活跃组分,在陆地生态系统碳循环中发挥重要作用.本文从碳循环重要性着手,综述了土壤DOC在土壤碳固持与温室气体排放中的作用;结合我国的现实情况(如土壤酸化、气候变暖等),探讨了土壤DOC的相关影响因素如土壤性质、环境因素、人为活动对土壤DOC的影响及作用机制,对进一步理解土壤DOC在陆地生态系统碳循环与温室气体减排中的作用具有重要意义.     

外源输入碳在生物结皮土壤各碳组分中的分配特征

研究外源新输入碳进入生物结皮后在各碳组分间的分配特征,可以为理解生物结皮参与碳地球化学循环过程提供数据支持和理论依据。本研究针对黄土高原典型苔藓生物结皮,借助¹³C脉冲标记技术,精确示踪外源新输入碳在生物结皮碳组分中的分配特征及其与无结皮裸地的差异,揭示生物结皮对碳循环的影响。结果表明: 1)由于生物结皮养分循环速率较慢,且与维管束植物相比,其主要生物成分苔藓的生物量有限,导致生物结皮各碳组分的¹³C丰度值均随时间变化表现相对平稳。2)生物结皮的各碳组分¹³C含量均明显高于无结皮裸地,其有机碳、微生物生物量碳、可溶性有机碳中¹³C含量平均分别为0.258、0.078、0.004 mg·kg^-1,分别比裸地高3.1、18.5、2.6倍,且苔藓植株¹³C含量高达1.45 mg·kg^-1。3)生物结皮改变了有机碳各组分的分配特征,其新同化的碳主要分配于活性有机碳库和结皮生物中,表现为¹³C在微生物生物量碳中的分配率(30.6%)高于可溶性有机碳(1.7%),而苔藓植株的¹³C分配率为20.3%。4)生物结皮中微生物生物量¹³C的转移量和库容量分别是裸地的15.7和19.5倍,但其周转率(每月2.94次)略低于裸地(每月3.30次),相应周转期是裸地的1.1倍。综上,生物结皮改变了土壤有机碳组分的分配特征,提升了碳周转速率,在干旱荒漠生态系统碳循环中的作用不容忽视。     

城市森林碳汇及其抵消能源碳排放效果——以广州为例

城市森林及其管理相关政策作为减少CO₂排放的有效策略得到了较为广泛的关注。采用材积源生物量方程与净初级生产力方法来定量分析了广州市城市森林碳储量和碳固定量,根据化石能源使用量及其碳排放因子核算了广州城市能源碳排放,最后评估了城市森林碳抵消效果。结果显示广州市城市森林碳储量为654.42×10⁴t,平均碳密度为28.81 t/hm²,而森林碳固定量为658732 t/a,平均固碳率为2.90 t·hm^-2·a^-1。2005-2010年广州市年均能源碳排放则达到2907.41×10⁴t。广州城市森林碳储量约为城市年均能源碳排放的22.51%,其通过碳固定年均能够抵消年均碳排放的2.27%,不过从城市森林综合效益来看其仍是城市低碳发展重要举措之一。分析了林型组成和林龄结构对于广州森林碳储量和碳固定量的影响,并从森林管理角度为城市森林碳汇提升提出建议。这些结果和讨论有助于评估城市森林碳汇在抵消碳排放中所起的效果。     

杉木人工林C库与C吸存的动态研究

对湖南会同10年生、14年生杉木人工林C库和C吸存的动态研究结果表明,杉木人工林生态系统的C库主要由植被层、死地被物层、土壤层组成的,按其C库大小顺序排列为土壤层>植被层>死地被物层。10年生、14年生杉木林生态系统的C库分别为120.52和171.40t.hm-2,具有一定的年龄阶段和地带性特点。随着杉木林年龄的增长,乔木层C贮量的优势逐渐加强,从10年生的30.38t.hm-2增加到14年生的61.24t.hm-2,分别占总C库的25.21%和38.50%,树干C贮量占林分C贮量的比例最大,可达47.17%以上,并随杉木林年龄的增长而明显增强,分布在枝、叶、皮和根中的C贮量占48.11%以上,地上部分的C贮量占总C贮量的84.73%以上。10年生和14年生林地土壤层(0~60cm)的C库分别为88.21和108.20t.hm-2,占生态系统总C库的63.13%以上,土壤表层(0~15cm)的C储量分别占土壤总C库的36.57%和34.26%,土壤0~30cm层中的C储量分别占土壤总C库的63.44%和61.05%。地上部分C贮量与地下部分C贮量之比为10年生时为1∶3.53,14年生时为1∶2.22。10年生和14年生杉木人工林生态系统的年净固定C量分别为5.488和9.285t.hm-2.a-1。湖南省现有杉木林植被C库为0.1916×108t,潜在C库为1.4710×108t,C吸存潜力为1.2794×108t,湖南省现有杉木林植被的C库仅为其潜在C库的13.03%,低于全国水平26.46%。     

Soil organic carbon dynamics jointly controlled by climate,carbon inputs,soil properties and soil carbon fractions

Soil organic carbon (SOC) dynamics are regulated by the complex interplay of climatic, edaphic and biotic conditions. However, the interrelation of SOC and these drivers and their potential connection networks are rarely assessed quantitatively. Using observations of SOC dynamics with detailed soil properties from 90 field trials at 28 sites under different agroecosystems across the Australian cropping regions, we investigated the direct and indirect effects of climate, soil properties, carbon (C) inputs and soil C pools (a total of 17 variables) on SOC change rate (r_C, Mg C ha^?1 yr^?1). Among these variables, we found that the most influential variables on r_C were the average C input amount and annual precipitation, and the total SOC stock at the beginning of the trials. Overall, C inputs (including C input amount and pasture frequency in the crop rotation system) accounted for 27% of the relative influence on r_C, followed by climate 25% (including precipitation and temperature), soil C pools 24% (including pool size and composition) and soil properties (such as cation exchange capacity, clay content, bulk density) 24%. Path analysis identified a network of intercorrelations of climate, soil properties, C inputs and soil C pools in determining r_C. The direct correlation of r_C with climate was significantly weakened if removing the effects of soil properties and C pools, and vice versa. These results reveal the relative importance of climate, soil properties, C inputs and C pools and their complex interconnections in regulating SOC dynamics. Ignorance of the impact of changes in soil properties, C pool composition and C input (quantity and quality) on SOC dynamics is likely one of the main sources of uncertainty in SOC predictions from the process‐based SOC models.     

碳同位素技术在森林生态系统碳循环研究中的应用

碳同位素技术对碳素在生态系统中的迁移动态具有很好的示踪作用,在生态学各领域研究中应用广泛。土壤、大气、植物是森林生态系统的重要碳库,植物是大气和土壤交换碳元素的重要介质。本文简要总结了碳同位素技术在研究碳元素在植物体内以及植物、土壤、大气碳库之间的迁移规律和生态学过程中的应用,展望了该技术在森林界面学中的应用前景。