中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互关系及其环境影响机制

项目名称：中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互关系及其环境影响机制首席科学家：于贵瑞中国科学院地理科学与资源研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院

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。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？

二、预期目标(一)总体目标充分利用中国东部南北样带(NSTEC)和中国草地样带(CGT)在全球植被中的区位优势和现有的研究基础，以国家生态系统观测研究网络(CNERN)和中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)为依托，建立中国陆地生态系统碳氮水循环科学研究平台(ChinaFLUX-CN)，在此基础上综合开展典型陆地生态系统碳氮水循环过程的长期联网观测、多因子控制联网实验，开发我国新一代碳-氮-水耦合循环的过程机理-遥感耦合模型，阐明生态系统碳氮水通量之间的生态计量平衡特征及其对气候变化的响应和适应，为我国参与应对全球气候变化的国际行动和生态环境建设提供科技支撑。通过本项目的实施，构建我国陆地生态系统碳氮水循环的观测、数据和模拟平台，以支持中国生态系统温室气体管理决策分析；揭示生态系统碳氮水循环耦合机制、陆地碳汇时空分布格局，以服务于全球气候变化对策和生态环境建设；阐明碳-氮-水通量间的生态化学计量平衡特征及其对气候变化的响应和适应机制，以提升我国的学术地位和研究水平。 (二)五年预期目标1.科学目标阐明中国东部南北样带(NSTEC)和中国草地样带(CGT)主要陆地生态系统碳、氮、水通量特征、年际变异和过程机理，确定各类生态系统植被-土壤-大气碳库之间的通量及其平衡关系；阐明我国主要陆地生态系统碳氮水通量间的生态计量平衡对温度和降水变异的适应性；定量评价异常气候事件(如干旱、高温等)对碳氮水通量的影响。科学辨识我国典型区域主要类型生态系统碳氮水耦合循环机理及其对全球变化的响应与适应性；揭示典型区域生态系统碳氮水循环关键过程对温度升高、降水变化、氮沉降增加和人类活动的区域响应机制，为国家的陆地生态系统碳氮水综合管理提供科学依据。基本摸清我国陆地生态系统碳源/汇强度、空间格局及变化趋势，揭示我国及东亚地区陆地碳源/汇的时空分异特征及其不确定性；定量评价氮沉降和水分变化对我国陆地生态系统碳收支的影响，提高我国陆地生态系统碳源/汇估算与预测水平。2.科研条件或基地建设目标通过本项目实施，带动我国陆地生态系统碳氮水循环通量的长期定位和联网观测的发展、完善典型区域的增温、控水、氮沉降等联网控制实验研究体系，将ChinaFLUX提升为具有国际先进水平的研究平台(ChinaFLUX-CN)，形成我国陆地生态系统碳氮水循环与全球变化的综合野外科学研究平台。综合集成陆地生态系统碳氮水循环通量的长期定位观测、环境控制实验、植被/土壤样带调查、遥感监测、模型模拟分析产生的多源数据，形成我国陆地生态系统碳氮水循环与全球变化的数据共享平台。整合和优化自主开发的生态系统过程、机理与遥感模型，构建陆地生态系统碳氮水耦合循环模型，形成我国陆地生态系统碳循环与全球变化研究的机理模型-遥感模型-观测数据融合系统。在综合开展中国陆地“碳汇功能区”区划的基础上，构建服务于中国陆地生态系统温室气体管理碳计量分析系统。3.人才培养目标通过本研究项目的实施，形成一支我国碳氮水循环与全球变化研究团队，造就6~8位相关研究领域的学术带头人，培养30人左右的骨干力量和20人左右的技术队伍，培养30~50名硕士与博士研究生。4.研究成果目标发表学术论文100篇以上，其中SCI等重要刊物论文50篇以上，具有重大国际影响力的论文3~5篇，完成专著1~2部。针对国家气候变化外交谈判与陆地碳氮水管理相关问题，提出2~3份政策咨询报告。

三、研究方案(一)总体研究思路和技术路线本项目针对国家需求与国际研究前沿，以中国区域陆地生态系统碳、氮、水耦合过程及其对气候变化的响应和适应为主线，以服务于科技创新和环境外交谈判战略需求为总目标，在收集整合中国东部南北样带(NSTEC)和中国草地样带(CGT)以往各种观测与控制实验数据的基础上，主要采用以下的研究思路和技术途径(图2)来组织项目的实施。图2.项目的总体研究思路(1)联网观测：拟采用自上而下的顶层设计和联网研究的技术途径，利用中国东部南北样带(NSTEC)和中国草地样带(CGT)，以CNERN和ChinaFLUX为基础建立野外观测研究平台(ChinaFLUX-CN)，组织生态系统碳氮水和稳定性同位素的联网观测，获取生态系统碳氮水生态计量平衡的环境响应和年际变异的数据。(2)联网实验：以东部亚热带森林、温带森林、内蒙古温带草原和青藏高原高寒草地为重点区域开展的多因子联网控制实验为研究平台，在样带典型区域的森林和草地生态系统有区别地开展增温、控水、施肥和放牧的多因子交互联网实验，研究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)模型发展：利用观测数据和控制实验所获得的机理认识和数据资源，研发地面和卫星遥感观测数据与模型融合的方法论体系，构建新一代生态系统碳氮水耦合模型和模型参数集，发展和建立机理模型-遥感模型-观测数据融合系统。(4)集成分析：结合多尺度、多过程的观测和实验数据，综合分析中国和东亚地区陆地生态系统碳氮水通量的时空格局及其区域响应，开展中国陆地“碳汇功能区”的区划，为国家应对气候变化和陆地生态系统碳氮水的综合管理提供科学依据。(二)技术方案1.基于样带概念的生态系统碳氮水循环过程的联网综合观测项目采用自上而下的顶层设计和资源整合的研究思路，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，以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)为基础平台，以我国南方亚热带森林(含人工林)、北方温带森林、青藏高原高寒草甸草原和北方温带草原为重点研究区域，选择并确定25个典型陆地生态系统野外通量观测台站，开展基于样带概念的联网综合观测(图4)。根据实际研究需要和观测重点的不同，将26个通量观测站划分为3类：1）超级观测站，包括长白山、鼎湖山/千烟洲、海北和锡林郭勒；2）重点观测站：包括呼中、帽儿山、大岗山、哀牢山、西双版纳、当雄和呼伦贝尔；3）加盟观测站：基于自愿加入与联合研究的原则，主要进行常规的通量观测，包括那曲、格尔木、多伦、大兴安岭、北京、秦岭、小浪底、尖峰岭、禹城、栾城、桃源、三江、会同和长武。在观测技术方面，将利用涡度相关技术、静态箱-气相色谱技术，结合稳定性同位素技术和植物生理生态学方法，开展典型陆地生态系统碳氮水通量的综合观测，采用典型生态系统定位动态观测与野外样带调查相结合的方法，获取长期和连续的观测数据。同时，系统收集、整理和整合国内外已有碳氮水循环研究的数据资源，分析全球变化背景下碳氮水耦合机制及其与环境要素或人类活动的定性或定量关系。具体的样带联网观测研究的技术方案与途径参见图3。图3.陆地生态系统碳氮水通量观测站分布超级站(红色)、重点站(蓝色)碳水通量观测(现有时间系列5~6年)碳氮水通量组分的相互平衡机制碳水平衡关系(ET和NEP)大气氮沉降、生物固氮和土壤N2O释放量碳水平衡关系(ET/E/T与NEP/GEP/RE)13C、18O和D原位连续观测技术年际变异(预期时间系列>10年)典型陆地生态系统碳水通量观测(现有时间系列5~6年)碳氮水通量组分的相互平衡机制碳水平衡关系(ET和NEP)大气氮沉降、生物固氮和土壤N2O释放量碳水平衡关系(ET/E/T与NEP/GEP/RE)13C、18O和原位连续观测技术年际变异(预期时间系列>10年)典型陆地生态系统(NSTEC、CGT样带)响应特征与机制(温度、降水和氮沉降)联网观测定位动态观测与野外样带调查图4.样带联网观测研究的技术方案与途径选择代表性的和有观测条件的通量观测站点（包括超级观测站和重点观测站），在土壤－大气界面，利用静态箱－气相色谱技术进行土壤CO2、CH4和N2O等温室气体交换通量的长期观测；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。选择样带上具有代表性和具备条件的2个关键通量观测站点，在生态系统-大气界面，与涡度相关通量观测结合，利用13C、18以中国陆地生态系统碳氮水通量综合观测研究平台获得的数据为基础，揭示我国主要陆地生态系统碳、氮、水通量组分的计量平衡关系及其机制；阐明我国主要陆地生态系统碳、氮、水通量对温度、降水和氮沉降等环境变化和人类活动的响应（图4）。2.基于样带概念的陆地生态系统对气候变化适应性的多因子控制实验基于中国东部南北样带(NSTEC)和中国草地样带(CGT)自然环境变化梯度，在NSTEC上选择寒温带针叶林(呼中)、温带针阔混交林(长白山)、中亚热带人工林(千烟洲)、南亚热带季风常绿林(鼎湖山)四个典型森林生态系统为研究对象，建立大气氮沉降、温度和降水变化野外模拟控制实验研究平台；在CGT上选择温带草甸草原(呼伦贝尔)、温带典型草原(锡林郭勒)、青藏高原高寒草甸(海北)、青藏高原高寒草甸草原(当雄)为研究对象，建立增温、施氮、降水和放牧多因子交互控制实验平台(图5)。利用人工施氮、穿透水转移、红外辐射增温、刈割等图5.多因子控制实验的重点区域图6.多因子联网控制实验技术路线技术手段，结合植物生理生态学、土壤学、稳定性同位素生态学、生态化学计量学等学科的研究方法，研究生态系统碳氮水循环关键过程，分析其对增温、降水、氮沉降、放牧等变化的响应和反馈机制，阐明全球变化背景下碳氮水循环及其耦合关系(图图6.多因子联网控制实验技术路线在上述四种森林生态系统和四种草地生态系统布置增氮控制实验。重点测定植物光合与呼吸速率、土壤碳氮转化和损失速率，植物、土壤微生物和土壤有机质的C/N和N/P比值，稳定性碳、氮同位素丰度、植物生物量和生物多样性等生理生态指标，模拟大气氮沉降增加情景下，生态系统碳、氮耦合循环关键过程对不同氮素输入水平的响应。在上述温带针阔混交林(长白山)和南亚热带季风常绿林(鼎湖山)布置穿透雨转移实验，在温带草甸草原(呼伦贝尔)、温带典型草原(锡林郭勒)两种草地生态系统开展降水和放牧交互作用控制实验，重点测定植物光合、呼吸、蒸腾等生理参数，以及土壤水分、土壤碳周转、根系生物量等地下生态学指标，模拟研究降水量与降水频率变化对典型森林和放牧草地生态系统碳水循环关键过程的影响。选择青藏高原海北高寒草甸和当雄高寒草甸草原生态系统，布置红外辐射(或开顶箱)增温和放牧交互作用控制实验，重点测定光合、呼吸、土壤CO2、CH4和N2O等温室气体交换通量，以及生态系统NEE、土壤水分、土壤碳氮转化速率、物种组成和多样性等指标，模拟研究放牧干扰条件下未来气候变暖对青藏高原草地生态系统碳氮水循环关键过程的影响，对比研究白天和夜间不同增温幅度对生态系统碳氮水关键过程的影响差异与作用机理。综合考虑生态系统类型和区域碳循环过程主要驱动因子，在NSTEC上选择温带针阔混交林(长白山)和南亚热带季风常绿林(鼎湖山)，布置氮沉降和降水变化交互作用的控制实验，在CGT上选择温带典型草原(锡林郭勒)和高寒草甸(海北)生态系统，布置增温、降水、氮沉降和放牧等因素交互作用的控制实验，通过测定生态系统生理生态、土壤碳氮转化、生态计量化学等方面的指标，量化多个环境因子交互作用对生态系统碳氮水循环关键过程的影响，阐明生态系统碳、氮、水循环的关键耦合环节及其对环境变化和人为干扰的响应机理。3.多途径、多技术的生态系统碳循环模拟系统的构建以现有的不同类型的陆地生态系统碳循环模型(AVIM2、CEVSA、InTEC、BEPS等)为基础，利用碳氮水通量联网观测和控制实验数据，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，验证碳氮水循环模型的参数，提高模型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。在新的GOSAT卫星温室气体浓度反演数据和不同尺度碳通量观测数据基础上，利用数据模型融合方法优化模型参数，构建新一代中国陆地生态系统碳氮水耦合循环的过程机理模型与卫星遥感模型系统(图7)。利用新的模型开展多情景模拟分析，服务于中国和东亚区域陆地生态系统碳源/汇格局及其变率的评估与预测分析。在联网观测和控制实验新的观测数据和对碳氮水耦合关系机理研究的基础上，在自主开发的AVIM2和CEVSA模型中增加氮对光合作用、呼吸作用、同化物分配等影响的过程模拟，构建陆地生态系统碳-氮-水耦合过程机理模型，并利用碳氮水通量观测与控制实验数据，分析模拟结果对参数的敏感性。利用不同类型生态系统的观测资料，优化模型参数，提高模型模拟的精度。基于GOSAT的卫星观测数据，构建反演大气成分参数(气溶胶、CO2)的方法论体系，依据CO2气体吸收特定波长红外线的特点，利用传感器接收到的地表反射的红外线(1.6μm和2.0μm波段、5.5–14μm波段)来推算CO2气体的浓度，结合大气传输模型(Atmospherictransportmodel)，反演大气与生态系统之间的CO2交换量。AVIM2AVIM2、CEVSAInTEC、BEPS卫星遥感数据MODIS、GOSAT、SCIAMACHY等)生态系统参数大气成分参数新一代生态系统过程模型反演验证校正驱动同化预测验证校正改进驱动反演正演碳氮水耦合关系及其对气候变化的适应性氮水通量正演同化碳通量地面观测实验资料气候植被信息陆地生态系统碳源/汇格局及其变率数据-模型融合系统图7.生态系碳氮水耦合模型研究技术路线以卡尔曼滤波(Kalmanfilter)和马尔可夫链-蒙特卡罗(MarkovChain-MonteCarlo)方法为主，发展多尺度数据(碳氮水联网观测、控制实验、遥感反演的大气成分参数和碳通量等数据)与陆地生态系统模型的融合技术，在不同尺度上优化陆地生态系统碳氮水耦合模型的参数和变量，发展区域尺度的新一代陆地生态系统碳-氮-水耦合过程机理模型。利用全球、东亚区域通量观测网络的各种碳氮水通量、氮沉降和全球气象观测资料，基于新模型模拟多种排放和气候变化情景下中国及东亚区域的碳源/汇格局，评价大气氮沉降对不同地区陆地生态系统碳循环的影响。同时，利用卫星资料获得的林火、温室气体排放等信息，探讨自然和人类干扰对中国及东亚区域的生态系统碳收支的影响。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以ChinaFLUX-CN的长期联网观测数据为基础，系统整编基于样带的植被和土壤调查分析数据、典型生态系统碳氮水循环过程多因子控制实验数据、以及区域遥感数据，同时收集东亚区域其他国家和地区的碳水通量观测数据及遥感数据，构建中国陆地生态系统碳氮水循环数据库。结合陆地生态系统碳-氮-水耦合过程机理模型模拟技术，以数据-模型融合为主要技术途径，构建我国陆地生态系统碳循环研究的数据-模型融合平台。以IPCC报告中未来多种气候变化和人类活动情景，以及我国陆地生态系统碳源/汇时空格局为基础，建立国家生态系统温室气体管理的决策分析系统，开展我国陆地生态系统温室气体管理的决策分析(图8)。我国生态系统碳源汇的空间分布格局碳水通量长期连续联网观测数据样带调查与资源清查数据碳氮水循环多因子控制实验研究我国生态系统碳源汇的空间分布格局碳水通量长期连续联网观测数据样带调查与资源清查数据碳氮水循环多因子控制实验研究数据植被、土壤的区域遥感数据IPCC情景分析中国陆地生态系统碳氮水耦合循环数据库系统陆地生态系统碳－氮－水耦合过程机理模型生管态理系计统量温分室析气系体统参数优化模型检验数据-模型融合我国生态系统类型的空间分布格局中国陆地“碳汇功能区”的区划多源观测和实验数据的系统集成：基于ChinaFLUX-CN的碳水通量的联网观测和控制实验数据，收集样带植被和土壤调查数据、区域遥感数据和模型模拟数据，整合多尺度、多技术和多方法的观测数据资源，构建中国陆地生态系统碳氮水循环的综合数据库。碳收支的时空格局及碳汇功能区划：利用本项目建立的陆地生态系统碳氮水耦合循环数据-模型融合平台，评价我国陆地碳源/汇的时空格局；利用GIS和RS技术，编制中国1:100万的陆地生态系统碳收支的空间格局图，对中国陆地碳汇功能区进行区划。中国陆地生态系统温室气体管理碳计量分析：以本项目建立的中国陆地生态系统碳氮水耦合循环数据库、陆地生态系统碳-氮-水耦合过程机理模型为基础，构建服务于我国陆地碳循环研究的观测数据-过程模型-碳计量分析系统平台，为我国的温室气体管理和调控提供决策支持。(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。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。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)。图图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15[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环过程的耦合机制，揭示群落物种组成和生态系统功能对降水变化的响应与适应机制。[3]草地生态系统碳氮水循环关键过程对温度升高和放牧的响应与适应机理选择当雄高寒草甸草原和海北高寒草甸生态系统，布置红外辐射(或开顶箱)增温和放牧控制交互作用实验，研究放牧干扰条件下气候变暖对青藏高原草地生态系统碳、氮、水循环关键过程的影响；通过控制增温幅度，模拟研究白天和夜间增温对生态系统碳水循环关键过程影响的差异及其内在控制机制；重点阐明温度升高和放牧干扰对草地生态系统碳、氮、水循环过程的协同作用，定量评价温度升高和放牧干扰对草地生态系统植被生产力、土壤温室气体排放和碳氮通量的生态计量平衡的影响。[4]典型生态系统碳氮水耦合过程对多因子的综合响应与适应机理在NSTEC上选择温带针阔混交林(长白山)和南亚热带季风常绿林(鼎湖山)，布置氮沉降和降水变化交互作用控制实验，在CGT上选择锡林郭勒典型草原和海北高寒草甸生态系统，重点布置增温、降水、氮沉降和放牧四个因素交互作用控制实验。阐明多个环境因子之间的交互作用，重点阐明生态系统碳、氮、水循环关键的耦合环节及其对环境变化和人为干扰的响应机制。本课题参与单位有中科院植物所、地理资源所、沈阳应用生态所、华南植物园和西北高原所以及中国农科院资源区划所。经费比例：25%承担单位：中国科学院植物研究所、中国农业科学院课题负责人：李凌浩课题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预期目标：基于现有的生态系统过程模型，结合ChinaFLUX观测、卫星遥感观测、生态学清查资料和野外实验数据，发展新一代陆地生态系统碳-氮-水耦合过程机理模型，构建基于新型卫星遥感数据反演大气温室气体的方法和技术体系，发展多尺度观测数据与模型的融合技术和跨尺度模拟方法，服务于多尺度生态系统碳源/汇的时空分布及其变异特征的模拟分析和预测研究。研究内容：[1]生态系统水平的碳-氮-水相互作用过程耦合模型在长期观测和控制实验基础上得到的碳、氮、水循环的耦合关系及其生物物理和生理生态过程的驱动机制的基础上，发展机理的、适用于不同生态系统的模拟土壤水分、温度和氮含量对土壤碳分解影响、水分和氮对光合作用合成的碳水化合物分配影响的方法，在现有的生态系统模型中增加净第一性生产力、植物光合产物分配、土壤呼吸等过程对氮素的响应模拟，将以上过程与相应的碳循环过程进行动态耦合，实现模型对生态系统水平碳、氮、水耦合过程的模拟。[2]陆地生态系统碳-氮-水循环相关的大气成分遥感反演方法利用新的遥感数据反演与陆地表面碳、氮、水循环相关的大气温室气体成份参数(CO2)和气溶胶，结合大气传输模型，反演大尺度的生态系统碳源汇时空格局变化，并为新一代多尺度、多源数据融合的陆地生态系统碳氮水耦合模型提供可靠的状态参数。[3]新一代国家尺度的陆地生态系统碳氮水循环综合模型综合不同尺度的碳氮水观测数据(包括遥感反演的生态系统参数、地面调查、涡度相关通量、控制试验等)，发展多尺度数据与陆地生态系统模型的融合技术，对陆地生态系统碳氮水耦合模型中的关键参数和变量进行优化，实现跨尺度生态系统过程模拟，构建具有自主知识产权的新一代中国陆地生态系统碳氮水过程机理循环过程机理-卫星遥感耦合模型，完成国家尺度陆地生态系统碳氮水耦合模型的集成。[4]中国及东亚区域碳水通量时空格局的综合模拟分析利用新发展的碳氮水耦合循环过程机理-遥感模型，集成中国及东亚区域多源和多尺度数据，模拟和评估中国及东亚区域过去50年的气候变化和土地利用变化对陆地生态系统碳水通量的影响，评估中国及东亚季风区陆地生态系统在不同气候变化情景下的碳收支潜力的变化，探讨中国及东亚区域陆地生态系统的碳源汇格局及其对自然(如火灾)和人为干扰的响应。经费比例：18%承担单位：中国科学院地理科学与资源研究所、南京大学课题负责人：王绍强课题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预期目标：利用长期通量联网观测、生态学样带调查、森林和草地资源清查、典型区域的多因子控制实验等获取的数据资源和新一代生态系统碳-氮-水耦合循环过程机理-遥感模型，构建服务于国家层次的陆地生态系统温室气体管理的碳计量系统；综合分析我国陆地生态系统碳氮水通量的时空格局及其环境驱动机制及其区域响应特征；实现我国陆地生态系统碳源/汇功能区划，为落实我国碳增汇/减排政策和措施及履行国际环境公约提供科学和数据支撑。研究内容：[1]中国陆地生态系统碳氮水耦合循环多源数据集成研究以ChinaFLUX的典型陆地生态系统碳氮水通量的长期联网观测数据为基础，系统收集和整理与陆地生态系统碳氮水循环过程有关的资源普查数据(如森林和草地清查资料等)、陆地样带(东部南北样带、草地样带)的植被和土壤调查数据，野外科学实验(人工施氮、降水控制实验)研究数据、生态系统生理生态特征的动态监测数据、遥感数据，以及模型模拟结果等多源数据集，构建中国陆地生态系统碳氮水循环综合数据库及其信息管理系统。[2]中国陆地生态系统碳收支的时空格局及碳汇功能区划研究以本项目建立的陆地生态系统碳氮水耦合循环数据信息系统和新一代生态系统碳-氮-水耦合循环过程机理-遥感模型为基础，采用多源数据-模型融合技术，分析中国陆地生态系统碳源/汇的时空动态特征及其驱动机制；揭示典型生态系统碳库和氮库功能的地带性变化规律、生态系统碳-氮-水耦合循环过程重要参数(如水分利用率)的生物地理分异规律及其控制机制；比较中国/东亚季风气候区与其它区域或大陆的陆地碳源/汇时空格局特征的差异性及其驱动机制；研究中国陆地碳汇功能区区划的技术和方法，编制1:100万的中国陆地生态系统碳储量/碳固定和排放的空间格局图。[3]服务于中国陆地生态系统温室气体管理的碳计量分析系统在[1]和[2]的基础上，构建服务于中国生态系统温室气体管理的碳循环数据-模型-计量分析系统平台，模拟分析中国温室气体排放的变化状况及其调控管理效果，编制中国陆地生态系统碳源汇格局变化综合研究报告，为我国参与应对全球气候变化的国际行动和生态环境建设提供科技支撑。经费比例：18%承担单位：中国科学院地理科学与资源研究所课题负责人：于贵瑞

四、年度计划研究内容预期目标第一年在选定的8个森林和4个草地站点，利用涡度相关技术开展碳、水通量，大气干湿氮沉降观测，并完成站点的本地资料的收集和调查工作；开展增温、改变降水、人工施氮、放牧控制实验，并实施部分实验项目；设计新一代碳-氮-水耦合模型结构、模块接口等；调研最新的国内外碳-氮-水模型、数据-模型同化方法；生成中国及东亚区域气象、土地利用、火灾等基础数据集；生成用于大气反演的地表CO2通量先验值，研究大气温室气体通量的反演方法；制定项目通量观测和联网实验数据库标准、建库方案、确定数据要素、编制元数据；在全国范围内收集本项目第一、二课题中未涉及的站点的土壤和植被的碳、氮数据；收集我国化石燃料燃烧和水泥工业、土地利用变化等释放的温室气体数据，调研我国增汇减排的管理措施；组织研究队伍，分解课题任务，完善研究方案和技术路线；构建ChinaFLUX-CN：在选定的8个森林和4个森林站点，完善通量观测体系，制定统一观测标准，开展碳、氮、水综合观测；初步分析我国碳、氮、水通量的区域分异规律；建成野外控制实验研究平台：确定样地、完善实验方案、配备仪器、开展预实验；构建新一代碳-氮-水耦合模型框架，并完成模型区域模拟的数据准备；掌握模型、数据-模型同化方法、温室气体排放管理等研究领域最新进展；初步确立基于地面观测的大气CO2通量反演方法；完成项目数据库建设方案；在国内外学术期刊上发表17篇以上，其中SCI论文6篇以上。第二年运行ChinaFLUX-CN，利用涡度相关系统开展生态系统碳、水通量观测，并增加利用静态箱－气相色谱技术的温室气体通量观测；调研并发展大气干湿氮沉降量和稳定性同位素原位连续观测方法；全面开展控制实验，重点研究关于碳、氮生物地球化学循环的一般性特征、水分循环与土壤—植物系统中碳、氮耦合循环、以及地上部植物生理生态过程与地下食物网间的相互作用的机理研究；土壤-植被系统碳、氮生物地球化学循环对环境因子短期脉冲式变化的响应与长期累加效应；完善新一代模型的结构框架，增加水碳氮相互作用模拟；建立基于大气本底CO2浓度观测数据反演CO2通量的方法，收集新型卫星的温室气体浓度遥感数据，研究卫星遥感数据、控制试验数据与模型的融合方法；模拟过去50年中国和东亚部分地区陆地生态系统碳源汇格局；集成第一、二、三课题研究结果，全面构建项目数据库，初步评估中国和东亚部分地区陆地生态系统碳源汇格局；构建用于我国温室气体排放变化及其调控管理碳计量分析系统；准备中期考核；基于ChinaFLUX-CN，初步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；初步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；全面实施控制实验，初步阐明生态系统碳-氮-水耦合循环的关键环节，以及这些关键环节对全球变化的响应在不同时空尺度上的机理特征；寻求提高生态系统碳、氮利用效率、系统生产力和固碳能力的途径；初步建立生态系统水平的陆地生态系统碳氮水循环综合模型，实现新模型对典型生态系统碳、氮、水耦合过程的模拟；基于大气本底CO2浓度观测数据反演东亚地区CO2通量；建立卫星遥感数据、控制实验数据与模型的融合方法；完成过去50年气候变化对中国和东亚陆地生态系统碳源汇格局及变率的影响分析；全面实施项目观测和实验数据库的构建和运行，实现对第一、三课题的集成，初步评价我国历史碳源汇状况；初步建成我国温室气体管理碳计量分析系统；在国内外学术期刊上发表20篇以上，其中SCI论文10篇以上。第三年继续开展碳、氮、水通量的观测，并增加13C、18继续开展各项控制实验，重点进行：森林和草地生态系统对全球变化各个因子的响应和适应性研究；验证和改进新模型，模型参数化；研究多尺度、多源