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关注生态系统里的那些碳和水

发布时间:2019-11-21 23:56:12 编辑:笔名

在生态系统尺度,水分利用效率常表征为消耗单位质量的水所固定的大气CO2的量,是理解生态系统碳—水耦合关系的重要指标。

中国科学院南京地理与湖泊研究所(以下简称地湖所)研究员李恒鹏在接受《中国科学报》记者采访时说:“开展陆地生态系统水分利用效率时空变异特征及其控制机制,有助于评价和预测未来气候变化对生态系统碳、水过程的影响。”

这些年来,李恒鹏团队的研究也围绕水分利用效率而展开,他们发现全球平均水分利用效率值在2010年之前呈显著下降趋势,而近几年有所改善。

通量观测站点概况

近年来,由于受全球气候变化及陆地生态系统反馈响应机制研究持续关注影响,基于涡度(通过三维风速、气体浓度和水分脉动的观测来获取二氧化碳、热量和水分的通量)相关技术构建的通量观测系统,已成为研究森林、草地、湿地、农田等陆地生态系统生物地球化学循环与全球变化相互关系的重要手段。

来自美国橡树岭国家实验室的消息显示,自20世纪90年代起,全球相继建立了600多个通量观测站点,形成全球性和区域性的通量观测网络,包括美国通量网、欧洲通量网、亚洲通量网、中国通量网等共42个国家、23个区域性通量研究网络。

我国自2002年起,由中科院创建的中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX),经过10余年的发展取得了长足的进步,观测站点由最早的8个扩展到了36个,并带动了我国通量观测研究的迅速发展。

据不完全统计,如今我国区域的通量观测站点已经超过150多个,除了中科院相关研究机构外,还广泛分布在林业、气象和农业部门以及部分高校,形成了具有相当规模的国家尺度碳、氮、水和能量通量观测研究体系。

李恒鹏也指出,我国当前的通量观测研究还比较分散,虽然在国家和部委相关项目的支持下,以ChinaFLUX为基础进行了通量观测的协作研究,但是还远没有形成一个有效的国家层次的生态系统通量观测研究网络,也没有形成互助合作、资源共享的有效机制。

而随着通量观测研究工作的深入发展,越来越多的科研人员意识到单站点、分散的观测研究无法满足国家和社会发展的科技需求,迫切需要加强站点联合,开展国家尺度的生态系统通量协作观测研究。

2014年7月,来自中科院、农林水气等行业部门和高等院校的通量观测站,从事通量观测研究的学术团体和科技工作者在北京联合成立了中国通量观测研究联盟。

尽快实现数据共享

李恒鹏团队根据研究需要,选取了全球区域的32个覆盖不同植被类型的通量观测站点,但大多站点集中在欧美区域。“这说明国外的数据共享已经做得很开放,而我国区域站点的数据共享还很有限。”

这也让相关领域的科研人员意识到,全国性通量观测联盟的成立,只是系统全面开展全球变化生态学研究的第一步,而如何切实有效地实现通量观测数据、平台的优势共享及其标准化与规范化,才是问题的关键。

李恒鹏团队开展的研究还基于一定的“科学假设”。“大家都知道,全球性的气候因素如气温与降水都存在显著的地带性规律,那么受到气候要素综合影响控制,植被生态系统水分利用效率的空间格局是否也存在类似的规律呢?”

李恒鹏团队的研究一方面要考虑不同的生态系统类型,尽可能多地收集“跨越”不同纬度的通量观测站点数据,但也发现:不同的植被类型有其特定的分布范围,尽管名义上各生态类型都有一些可用的观测站点,并不能在纬度范围上充分覆盖;当前的通量观测站点还是主要集中在北半球,在非洲等南半球地区受经济及技术水平限制,站点观测还很有限。

“实际上,只要是定点观测研究,就不可能实现全覆盖,尤其是全球尺度研究,而遥感数据则能弥补这方面的不足,通过快速、准确、客观、全面的遥感影像数据及其产品,能够将站点水平的离散观测外推到更大尺度。”李恒鹏说。

为此,研究团队通过多站点通量观测研究表明,陆地生态系统水分利用效率存在明显的纬度地带性特征,从低纬度到高纬度呈现先升高后降低的趋势,不同植被类型水分利用效率峰值位置略有差异,接近于北纬51度附近。北半球陆地生态系统水分利用效率存在两个峰值,一个在亚热带地区,另一个分布在亚寒带地区。

此外,基于时间序列MODIS(搭载在卫星上的一个传感器)遥感数据建立的陆地生态系统水分利用效率空间格局,也验证了这一地带性规律。李恒鹏指出:“不同的是,遥感反演结果能发现更多的地面观测所不能获得的空间信息。”

挖掘深层研究意义

李恒鹏表示,由于他们开展的是一项全球陆地生态系统水分利用效率空间格局及其变化趋势分析研究,因此所用到的数据包括两个层次。

一是上文说到的基于涡度相关技术,构建的不同陆地生态系统类型的通量观测数据,包括长时间序列的碳、水通量,而在站点水平上,水分利用效率的概念就可理解为单位质量的水分消耗所能固定的大气CO2所形成的植被生产力。二是在大尺度研究上所用到的全球性卫星遥感数据,及利用生态系统模型定量反演得到的陆地生态系统植被生产力及相应的蒸散发产品。

“两者的联合,既能在生态系统水平上将通量监测与遥感估算相互印证,又能为站点水平上的尺度外推及区域评估提供基础资料。”他说。

李恒鹏团队研究表明全球平均水分利用效率在2010年之前呈显著下降趋势,而近几年这一现象有所改善,主要是受气温、降水及光照等气候要素综合作用下,陆地生态系统植被生产力、土壤蒸发及植被蒸腾等生态过程的反馈与响应。另外还受到人类活动的干扰影响,如大面积水分利用效率较高的森林、湿地等自然生态系统开垦为耕地,城市化的空前扩张也会占用大量的植被用地。

李恒鹏说:“上述人为因素都会在一定程度上降低水分的利用效率。当然,深层次的原因还有待于近一步挖掘。”

至于研究意义,他举了一个例子:“我们的研究发现农业用地的水分利用效率最低。而我国是一个水资源相对匮乏的国家,城市化与工业化的大力发展都将消耗大量的水资源,这就对传统的用水大户农业造成威胁,当前各地区与各行业的用水矛盾可以说是层出不断。”

“农业关系到国家的粮食安全,因此大力开展农业用地水分利用效率研究,针对如何提高农田水分利用效率献计献策就显得很有必要。”李恒鹏也表示,目前这方面的研究还很缺乏,因此基于涡度相关技术的通量观测系统及遥感与GIS(地理信息系统)技术的结合,将为我国农业水资源高效利用提供科学依据。

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