增强陆地生态系统碳汇(简称陆地碳汇)是减缓大气二氧化碳(CO_(2))浓度上升和全球变暖的重要手段,也是实现我国“碳中和”目标的有效途径.为全面理解陆地碳汇特征及其对实现“碳中和”目标的贡献,本文系统梳理了近40年来陆地碳源汇研究的主要进展,阐述了全球和我国陆地碳汇的时空格局及其驱动因素,分析了陆地碳汇对实现“碳中和”目标的作用.根据全球碳收支评估报告,过去60年全球陆地碳汇从1960年代的(-0.2±0.9)Pg C yr^(-1)(弱碳源;1 Pg=10^(15)g=10亿吨碳)增加至2010年代的(1.9±1.1)Pg C yr^(-1)(碳汇).目前,陆地碳汇主要分布在北半球中高纬度地区,而热带地区表现为微弱的碳汇或碳源.不同类型生态系统的碳汇大小存在差异:森林是陆地碳汇的主体,灌丛、湿地生态系统和农田土壤整体表现出碳汇功能,但草地的碳源汇功能尚不明确.此外,荒漠生态系统可能起着碳汇功能,但其大小和形成机制尚存在争议.大气CO_(2)浓度上升、氮沉降、气候变化和土地覆盖变化等是影响陆地碳汇强度的主要因素,火灾、气溶胶等因素也影响其大小.不同区域陆地碳汇的驱动因素存在差异:北美和欧洲陆地碳汇主要是大气CO_(2)浓度上升和气候变化等因素所致;而在中国,除了上述全球变化要素外,植树造林、生态修复也是驱动其碳汇的重要因素.综合以往研究结果评估,目前我国陆地碳汇强度为0.20~0.25 Pg C yr^(-1),预计2060年可能处于0.15~0.52 Pg C yr^(-1)之间.未来研究需通过扩大生态系统调查与监测的范围、完善陆地生物圈模型等途径提升陆地碳汇的评估精度,量化各类措施对生态系统碳汇潜力的影响,精准评估我国陆地碳汇对实现“碳中和”目标的贡献.
草地是不可或缺的自然资源,但关于我国草地面积到底有多大存在很大争议.本文主要利用植被分布与降水之间的相关关系来探讨我国草地的分布和面积.归一化植被指数(NDVI)数据能够很好地反映植被的覆盖状况,与降水之间也存在良好的相关关系,因此可以通过建立已知草原地区的降水与NDVI的关系来反演草地的分布和面积.利用此方法及与遥感数据相匹配的过去30年(1982~2011年)的平均降水量数据,估算得到我国的草地总面积约为293×104 km2.将研究期间的降水数据每5年求其平均,估算得到我国草地面积的年际变化并不显著,变动于290×104~295×104 km2.
中国草地面积广阔,自然资源丰富,准确评估草地资源既是合理开发和利用草地的基础,也对生态环境的保护具有重要意义.但是,关于中国草地面积、生产力和承载力等本底数据至今为止尚没有系统的梳理.本文收集、整理了过去几十年来我国草地资源研究的各类数据,并利用1982~2011年的遥感影像(NOAA/AVHRR-NDVI)和气候数据重新估算了我国天然草地生物量和生产力及其近30年的变化.由于草地的定义、数据来源和分析方法不同,现存资料对中国天然草地面积的估算差异很大,变动范围达2倍以上(1.67×10~6~4.31×10~6 km^2),这些资料也表明,我国目前的天然草地面积在2.80×10~6~3.93×10~6 km^2之间比较合适.草地生物量的估算值也存在显著差异,平均地上生物量在79~123 g m^(-2)之间,但本文对最近30年(1982~2011年)天然草地地上生物量的重新估算结果为178 g m^(-2),在此期间平均每年增加0.4 gm^(-2).我国天然草地平均净初级生产力的估算差异更大,为89~320 g Cm^(-2)a^(-1)(平均176 g Cm^(-2) a^(-1)),但许多研究都发现近年来有增加趋势.而基于过去30年平均气候估算,我国天然草地的潜在生产力可高达348 gCm^(-2) a^(-1).另一方面,我国人工草地面积比较小,约为2.09×10~7 hm^2,但生产力高,可达天然草地的2.7~12.1倍.由于我国对天然草地缺乏有效管理,加上人工草地的比例低,目前我国草地对放牧家畜的承载力比较低,很多地方的超载现象较为严重,平均超载率估计为20%.此外,降水的不足始终是影响我国草地生物多样性、生物量和生产力的重要因素,进一步探讨气候变化和过度放牧等人为活动对我国草地资源的数量和质量的影响是十分必要的.
准确评估草地生态系统固碳速率、提升其碳汇能力对于深入认识国家尺度陆地生态系统碳源汇特征及其固碳潜力具有重要意义。通过梳理文献,本文总结了我国草地碳汇大小、空间格局及其未来趋势,并提出了提升草地碳汇的可能途径。结果发现,不同研究对我国草地碳源汇特征的估算差异较大,大小介于-3.4~17.6 Tg C year^(-1)(1 Tg=10^(12)g),中值为13.0 Tg C year^(-1)。模型预测未来全球变化背景下我国草地碳汇呈增加趋势,由1970s—2010s的12.8 Tg C year^(-1)(不同研究结果的范围:-3.6~18.0 Tg C year^(-1))增加至2050s的29.0 Tg C year^(-1)(10.3~50.0 Tg C year^(-1))。通过构建退化草地恢复技术体系、加强重大生态工程、自然保护区和人工草地建设、利用碳汇植物提升荒漠化草地碳汇、以及实施有效的生态奖补政策等手段,有望进一步提升草地固碳能力。未来亟需在草地碳通量长期联网观测、碳循环关键过程对全球变化响应和反馈机制、数据—模型融合等方面加强研究,以降低草地碳汇估算中的不确定性。此外,还需加强草地退化和恢复过程中碳循环观测和模拟研究,从而针对性地恢复退化草地碳汇功能,为我国实现“碳中和”国家战略目标提供科技支撑。
