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科学技术论文

西南岩溶地区碳循环观测与模拟研究进展和展望

时间:2019年08月27日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

摘要:岩溶地区碳循环具有地表与地下双层结构?#21335;?#20114;渗透、有机与无机碳循环?#21335;?#32806;合以及生物与非生物过程?#21335;?#20851;联等特征,相对于其他陆地生态系统更为特殊和复杂。中国西南地区是全球最大范围的喀斯特连续出露地区,前期研究结果表明该区域的碳循环路径与过

  摘要:岩溶地区碳循环具有地表与地下双层结构?#21335;?#20114;渗透、有机与无机碳循环?#21335;?#32806;合以及生物与非生物过程?#21335;?#20851;联等特征,相对于其他陆地生态系统更为特殊和复杂。中国西南地区是全球最大范围的喀斯特连续出露地区,前期研究结果表明该区域的碳循环路径与过程是基本清晰?#27169;?#20294;岩石-土壤-植被-大气-水不同界面间的碳通量及迁移转化机制仍然不明确,亟待开展小流域尺度碳循环各个分量的精细观测,以及区域尺度的碳循环遥感估算和模型模拟工作。论文对西南岩溶地区碳循环观测与模拟研究的进展进行了梳理,在此基础上展望下一步需要重点开展的工作,该研究可以为评估全球气候变化对该地区影响及制定适应对策提供参考。

  关键词:碳循环;地面观测;遥感;过程模型;西南地区

地学前缘

  全球变化研究一直是当前热点问题(Piaoetal,2009;方精云等,2011),近年来大气中CO2浓度的上升对全球变化产生了重要影响,碳循环及其变化受到国际学术界广泛的关注,成为全球变化研究的核心问题之一(裴建国等,2012)。目前,关于碳循环研究的一个重要问题是全球大气CO2的收支不平衡,存在一个很大的遗漏汇,约2.8PgC·a-1(Melnikovetal,2006)。目前针对遗漏碳汇的分析主要集中在海洋、植被和土壤、大气3个碳库的CO2循环机理上,认为岩溶作用是长时间尺度的碳循环,从而没有考虑其吸碳的作用(裴建国等,2012)。

  根据IGCP379报告提供的结果,中国因碳酸盐岩的溶蚀作用可以从大气中吸收碳0.018PgC·a-1,而全球碳酸盐岩所产生的碳汇可以达到0.6PgC·a-1(刘再华,2001;蒲俊兵等,2015)。但以上估计结果存在较大的不?#33539;?#24615;,因此对岩溶系统碳通量开展深入观测、分析与研究具有十分重要的意义,对全球遗漏碳汇的分析和碳循环模型的改进都有很好的促进作用。对全球碳循环?#21335;?#32479;研究已有几十年的历史,至今已取?#29028;?#22810;重要成果,但对占整个地球陆地面积约10%的岩溶地区碳循环的研究却在近10~20a来才逐渐受到重视(罗维均等,2014)。

  中国西南岩溶地区是世界上连片分?#27982;?#31215;最大、岩溶发育最强烈的区域,通过对该地区典型岩溶生态系统碳循环各个分量的精细观测与模拟,可以为全球岩溶地区碳循环研究提供案例,这对促进陆地碳循环研究意义重大,可为全球“遗漏汇”问题的解决作出贡献(Bourgesetal,2012)。但是岩溶地区碳循环具有地表与地下双层结构?#21335;?#20114;渗透、有机与无机碳循环?#21335;?#32806;合以及生物与非生物过程?#21335;?#20851;联等特征,导致其相对于其他陆地生态系统更为特殊和复杂(Yanetal,2011)。

  土?#31726;?#21560;作为陆地生态系统碳循环的重要组成部分,对全球气候变化的影响不容忽视,尤其是岩溶区土壤在岩溶动力系统影响下对大气CO2的源汇效应(Inglimaetal,2010;Ramnarineetal,2012)。陆地表面几乎所有变量都具有高度的时间和空间的异质性,从而导致对它们观测和模拟都存在很大的不?#33539;?#24615;。就观测而言,岩溶地区的碳通量观测相对于其他区域还?#32536;?#21313;分不足,特别是对地表与地下双层结构的碳循环通量精细的观测亟待加?#20426;?/p>

  从模型方面而言,现有的生态模型和碳循环模型通常?#21450;?#21547;了许多先验假设的复杂的模型参数化方案和相当多的参数,这些模型对地表过程的模拟精度依然不足。这?#29615;?#38754;固然源于现有的模型还?#27573;?#33275;完美,各种物理过程的认识和参数化方案还有待改进;另?#29615;?#38754;也是因为观测的局限性导致很难?#33539;?#26576;一特定地区(例如西南岩溶地区)陆面状况的初始值和水、热、植物生理参数值(李新等,2010)。

  这些观测和模拟的不?#33539;?#24615;也导致了对喀斯特地区碳平衡估算存在较大的不?#33539;?#24615;。为了更精确地表达西南岩溶地区碳循环过程的动态演进,实现区域碳循环的高精度估计,就必须尝试新的思路,综合多源信息(例如地面的精细观测和遥感高精度估计),并应用机器学习和深度学习等先进方法去应对复?#26377;浴?#19981;?#33539;?#24615;和尺度转换等相互交织的问题(Li,2014)。

  1研究进展

  1.1碳通量观测

  针对岩溶地区开展碳循环的深入研究,首先要获取精细的观测数据(Yuan,1997)。对表层岩溶系统的碳汇定位观测主要包括标准溶蚀片和水化学法。标准溶蚀片是在标准的石灰岩?#20113;?#25110;者样点岩石上开展溶?#27492;?#29575;的观测,建立溶?#27492;?#29575;模型(Yuan,1997)。水化学法则是通过测量泉口或地下河出口流水所携带的溶质浓度和径流量,计算出水流所携带的各种离子总量,再根据流域内岩石分布推算不同岩石的风化速度(Liuetal,2006)。

  对于土?#31726;?#21560;的监测方法主要有微气象法和气室法,两者分别适用于大尺度流域范围和小尺度样点的土?#31726;?#21560;测定(Zhangetal,2014)。岩溶地区普遍发育洞穴、管道、孔隙-裂隙等地下空间,容易形成“烟?#30740;?#24212;”,其CO2浓度受洞内外?#38706;?#24046;和气压差影响很大,产生不同时间尺度上的变化,需要开展精细的观测(Sherwinetal,2011)。

  开展岩溶地区系统的碳循环研究还需要涡度相关和同位素示踪技术相结合,并有全球联网研究的必要性(Yanetal,2011)。同位素技术可以对水体、土壤和植被中的碳源进行示踪(Florea,2013),而涡度相关方法可获取区域范围内的碳通量总体特征(Gouldenetal,1996)。洞穴-土壤-植被-大气-水五位一体的同步监测以及涡度相关-稳定同位素等技术的联合应用将是岩溶地区精细观测的发展方向(王世杰等,2017)。

  在岩溶地区通过涡动相关系统开展碳通量观测相对较少,在斯洛文尼亚岩溶地区分别针对草地和次生演替树/灌丛地开展了涡动相关系统的碳通量测量,前者为碳源(353±72gC·m-2·a-1),后者为碳汇(-126±14gC·m-2·a-1)(Ferlanetal,2011)。近期,中国也在西南岩溶地区布设了大?#35838;?#21160;相关系统通量观测站,例如中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站、中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站和重庆市金佛山喀斯特生态系统野外科学观测研究站,分别对亚热带湿润退耕次生林、中亚热带常绿阔叶林、马尾松林等开展野外观测研究。

  但相对国内其他区域,西南岩溶地区的通量观测?#20851;?#24453;加?#20426;?#22312;西南岩溶地区部分站点稀疏地区增?#27833;?#37327;观测,同时考虑站点布置下垫面类型的代表性,并和已有站点(森林)协同,可以增强碳通量观测资料在区域尺度上的代表性。岩溶地区的区域碳循环估计是当前研究的难点。在贵州普定后寨河流域开展的水文水化学测量发现,该流域的碳酸盐岩溶蚀和风化过程可以从大气中吸存的碳平均为20.7g·m-2·a-1。

  基于此观测结果进而估算出了中国西南区域和全国陆地碳酸盐岩溶蚀和风化过程可以从大气中吸存的碳为12TgC·a-1,这个量接近于同期57%的中国森林碳净积累量,并呈现出了增加趋势(Yanetal,2011)。通过标准溶?#35789;云?#27861;研究流域尺度岩溶作?#20204;?#24230;及其碳汇效应,对比不同土地利用类型条件下岩溶作用的强度及其差异,数据表明原始森林产生的岩溶碳汇最大,其次是草地、林地、灌丛和耕地(Zhang,2011)。这种监测方法是通过单点的观测来拟定参数后推广到区域尺度,由于西南地区地形、地貌、地?#26102;?#26223;较为复杂,该结果?#28304;?#22312;较大不?#33539;?#24615;。

  1.2区域尺度碳通量估算与验证

  遥感技术由于可重复获取大范围的碳循环相关的重要过程变量,为区域尺度的碳循环提供高时空分辨率的估计结果(Gamonetal,2004)。区域尺度碳通量的估算方法主要包括基于遥感资料的光能利用效率模型、基于数据驱动的尺?#22756;?#23637;方法、基于过程的生态系统模型。由于遥感可以实时监测区域尺度的植被状态,在区域尺度碳通量估算中起着非常重要的作用。光能利用率模型来是利用遥感数据估算碳通量的方法中最为广?#27827;?#29992;的方法之一(Hilkeretal,2008)。

  目前应用最为广泛的GPP数据产品是NASA发布的利用MODIS数据估算全球陆地生态系统的生产力产品(MOD17A2),这个产品是根据MODIS-PSN模型估算的(Runningetal,2000)。在中国只有少数几个站点进行?#25628;?#35777;,表明该产品明?#32536;?#20110;涡动相关观测结果(Wuetal,2008;Zhangetal,2008;Heetal,2010;Wangetal,2013)。

  在西南岩溶地区,受通量观测数据?#21335;?#21046;,类似研究还较少,因此对该区域的遥感碳通量产品的验证与改进对区域碳循环的准确估算非常重要,有必要利用实测的碳通量数据对光能利用率模型的参数进行标定,然后用其可以较为准确的估算岩溶区域植被的碳通量,并利用实测的碳通量数据对遥感碳通量产品进行验证(Wangetal,2013)。

  基于生态过程的陆地生态系统碳循环模型是研究陆地生态系统与气候、大气和人类活动之间关系的重要工具之一,它可以模拟生态系统对气候变化?#21335;?#24212;(Medvigyetal,2009)。陆地生态系统碳循环模型以碳元素在生态系统中的传输过程为主线,考虑植被的光合作用、凋落分解、土?#31726;?#21560;等过程,对碳循环过程进行不同复杂程度的描述(Peng,2000)。

  根据模型侧重考虑的生态过程类?#20572;?#23558;碳循环过程模拟模型大?#36335;?#20026;3类,即地球化学过程模型、生物过程模型和陆面物理过程模型(?#21321;?#29814;等,2018),其各自的优点和缺陷不同。在区域尺度上广?#27827;?#29992;的碳循环模型主要有Biome-BGC(Thorntonetal,2002)、CENTURY(Partonetal,1993)、LPJ(Sitchetal,2003)、IBIS(Kuchariketal,2000)等。

  生态系统模型往往包含了大量参数,这些参数不仅存在很大的不?#33539;?#24615;,而且随着空间或者时间发生变化,然而在区域尺度上应用模型的时候的往往很难获取合适的模型参数,因此需要利用模型数据融合方法,对模型的参数进行标定。模型数据融合方法就是通过优化模型参数或状态,从而提高模型模拟生态系统功能和过程的性能(Wangetal,2009;Xiaoetal,2014)。碳循环方面的模型数据融合研究在近10a来大量的涌现(Braswelletal,2005;Xuetal,2006;Wangetal,2009;Xiaoetal,2014)。

  通过模型数据融合方法将过程模型和多源观测数据结合到一起,可以提高岩溶区域碳循环的模拟精度,将有助于深入认识岩溶区域碳循环的机理。例如利用包括蒙特卡洛-马尔可夫链(MonteCarloMarkovChain,MCMC)和卡尔曼滤波在内的方法融合观测数据优化模型的不?#33539;?#21442;数从而提高模型精度。此外,陆地生态系统碳循环是植被与气候环境综合作用?#33539;?#30340;过程。在众多气候要素中,特别是太阳辐射,作为地球表层物理、化学和生物过程的主要能量来源,也是生物地球化学循环模拟及动态全球植被模型的关键参数(Frolkingetal,1998;VanLaakeetal,2005;董泰锋等,2011)。

  当前,碳循环区域估算模型所需要的光合有效辐射(PAR)主要是利用站点气象资料参数化进?#38156;?#38388;插值获取,事实上随着对生态系统模型的研究深入,当前方法已经无法满足研究者对空间精度的要求,尤其是在气象条件复杂的西南地区。目前,国际上尚缺乏长时间序列的PAR数据,间接地限制了碳循环遥感模型的精度,因此如何借助于遥感数据获取长期的PAR时空动态也是当前全球变化领域关注的热点之一。

  中国陆地生态系统土?#31726;?#21560;量具有明显的空间异质性特征,其分布特征与降水和?#38706;?#26377;很大相关性,西?#22791;?#26097;半干旱区与青藏高原区的土?#31726;?#21560;量?#31995;停?#35199;南地区最高,土?#31726;?#21560;量与土壤有机碳也有一定的关系,例如中国的东北地区。已有研究表明全球土壤碳库约为1220~1576PgC(Tarnocaietal,2009),中国约为89PgC(于东升等,2005)。

  土?#31726;?#21560;过程产生的CO2包括土壤有机碳的微生物分解和植物的根系呼吸作用,从生态层面来说降水是决定陆地生态系统碳循环的过程的关键性因素。从生态系统层面来说,土?#31726;?#21560;的年际间变异与降水关系也在某种程度上验证了生态学中的经典理论—降水是决定陆地生态系统碳循环过程的关键因素(Mcculleyetal,2005)。

  Yang等(2012)观测表明喀斯特泉水水化学的季节动态、日动态以及暴雨动态对土壤CO2变化始终表现出很好?#21335;?#24212;,响应的时间间隔主要取决于地下水的补给模式。长期观测数据表明,全球变暖和土地利用变化均可通过增?#27833;?#22756;CO2含量导致岩石风化碳汇增加(刘再华,2012)。在流域面积和岩性固定的情况下,岩石风化碳汇的强度将取决于气候(Hagedornetal,2009)、土地利用和覆盖的变化(Zhaoetal,2010)等环境和人为因素。

  近年来,有关团队针对西南岩溶地区植被碳循环监测与模拟开展了一些研究工作,得出的结论主要体现在该区域的植被覆盖普遍存在显著改善的趋势。在人类活动方面,植被退化现象受人类活动的影响较大,而人类活动对植被改善影响较小,植被改善主要与植物的自然生长演替有关(任扬航等,2016)。

  基于LPJ-GUESS模型和长时间序列遥感监测数据,发展了大区域尺度生态工程成效识别与厘定方法,结果表明西南喀斯特地区植被恢复演变特征与生态工程的实施具有较好的一致性,生态工程背景下西南喀斯特地区可能有巨大的固碳潜力(Tongetal,2018)。但一些过度?#38750;?#32463;济利益的矿产开发和不合理的耕种与管理模式,导致一些地区的石漠化?#28304;?#22312;扩大趋势(Yangetal,2017)。

  1.3碳循环特征及环境因子分析

  大气CO2浓度的季节和年际波动是大气与全球陆地生态系统之间碳交换的变化造成的。生态系统碳通量的年?#26102;?#21270;现象广泛存在于各种陆地生态系统中,其变化原因主要包括:气候、生理过程、物候、生态系统结构、生态系统营养物质循环和干扰等因素(Huietal,2003;Richardsonetal,2007;Marcollaetal,2011)。

  岩溶过程相关的碳循环,作为全球碳循环的重要组成部分,显著地影响着全球碳平衡(Yuan,1997;Liuetal,2010),然而,以往在全球碳循环研究中把地质作用作为一种中长时间尺度的作用而存在,因而岩溶作用被忽视(袁道先,1999)。当前对岩溶地质碳汇效应对全球碳汇的重要作用逐渐得到重视。对岩溶区由于溶蚀作用而产生的碳汇主要根据石灰岩溶?#35789;云?#27861;、水化学法和扩散边界层理论(DBL)等方法估算(袁道先等,2016)。

  目前,国内外已有众多关于岩溶作用碳效应及其驱动机制的研究,然而,当前关于岩溶作用对全球碳收支的贡献大小估算研究尚缺乏统一的定论(Jiangetal,1999;Philippe,2002;Yuanetal,2002;Caoetal,2012)。

  2研究展望

  从前面的分析可以看出,岩溶地区的碳循环具有很强的区域特色,其碳通量的组成和交换过程相对于其他区域存在更大的不?#33539;?#24615;,以中国西南为例,碳循环的观测与研究工作都还相对薄弱,亟待加强(王世杰等,2017)。针对中国西南地区岩溶地区的碳循环问题,需要在以下方面开展相关工作。

  2.1典型小流域碳水通量精细观测

  选择西南地区典型的岩溶小流域,构建洞穴-土壤-植被-大气-水五位一体、卫星-地表-地下三维立体多尺度嵌?#20934;?#27979;系统,实现岩溶地区碳循环各个分量及与之紧密相关的陆表参数的精细观测。卫星观测方面,针对西南地区多云多雾的特点,基于可见光、红外和微波多波段、极轨卫星和静止卫星的多?#27425;?#26143;观测数据,获取更高频次的对地有效观测。

  针对地表观测,利用大孔径?#20102;?#20202;(LargeApertureScintillometer,LAS)和微波?#20102;?#20202;获取公里级尺度上的蒸散发观测结果,利用涡动相关仪(Eddycovariance,EC)获取百米级尺度上的碳水通量观测结果,利用区域土壤水分观测系统(COsmic-raySoilMoistureObservingSystem,COSMOS)获得百米级尺度上的土壤水分观测结果,利用自动气象站(AutomaticWeatherStation,AWS)获取风?#29575;?#21387;、辐射、降水等要素的观测结果,利用多通道土壤碳通量自动测量系统获取土壤CO2?#20013;?#35266;测结果,应实现土?#31726;?#21560;与气候因子、植被因子和土壤因子的同步监测,阐明多因子交互影响土?#31726;?#21560;的机制。

  在?#20102;?#20202;观测源区内布设叶面积指数和土壤水分无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)节点,用于获取源区关键陆表参量的空间异质性分布的特征。以上的多尺度观测可与遥感?#21335;?#20803;尺?#28982;?#27169;型的网格尺度相匹配,用于支持西南岩溶地区区域遥感反演算法发展和生态过程、陆表过程模型的参数拟定,并对遥感估算和模型模拟结果进行精度评价。

  针对地下的洞穴和地下河开展观测,利用CO2浓度监测仪获取洞穴内CO2浓度变化情况,并同时获取洞穴内?#29575;?#24230;和气压等参数。在地下河不同段观测地下水位的变化,在地下河出口建立永久性标准堰测断面,获取最终的出口出水?#32771;?#27979;结果。可以利用同位素方式对EC观测的CO2通量进行分离,特别是获得洞穴CO2通量和溶蚀量在整个通量中所占的?#22756;?#20026;进一步开展岩溶地区碳循环分析和模拟奠定基础。

  2.2岩溶地区碳循环特征及敏感性分析

  在对观测数据进行?#32454;?#30340;质量控制和处理分析的基础上,观测和估算得到岩溶生态系统的各碳通量组分,并结合实验观测到?#21335;?#20851;生态参量,了解岩溶生态系统碳收支的基本特征。分析西南地区表层岩溶生态系统碳循环过程的各个分量日变化、季节变化和年?#26102;?#21270;特征。

  同时,利用统计分析方法,分析岩溶生态系统碳循环特征与降雨、气温、土?#31726;?#27700;量、土地利用方式、植被覆盖度、叶面积指数等环境要素之间?#21335;?#20851;关系,对岩溶地区碳循环特征的环境响应机制进行分析,特别是分析岩溶地区独特水文对碳循环的影响。此外,西南地区愈见频繁的洪涝和旱?#36136;?#20214;说明当地发生极端气候的风险逐渐升高,亟待加强预测未来情景下该类事件对岩溶地区生态系统碳水循环的影响范围与程度。

  2.3岩溶地区碳循环产?#36153;?#35777;与改进

  利用涡动相关获得的GPP和实地观测的NPP,基于Footprint模型和高分辨率遥感影像(如Landsat影像),采用参数标定方法,对光能利用率模型(如MODISGPP/NPP算法)的参数进行标定。然后利用标定后的模型获得高分辨率的GPP和NPP数据,将高分辨率的GPP/NPP数据尺度上推到卫星像元尺度(例如1km),进而对遥感估算的GPP/NPP产品进行评估,分析误差来源,改进遥感GPP/NPP产品,最后获取区域尺度上精度更高的GPP/NPP产品。

  基于超光?#36164;?#25454;还可以提取对植被光合作用相当敏感的叶绿素荧光信息,其强度可以直接用来评价陆地植被GPP。上述技术已经成为一个不容忽视的前沿性科技领域,2016年12月中国成为继日本、美国之后第3个成功发射CO2监测卫星(TanSat)的国家,对深入理解全球碳循环过?#30899;?#20854;对气候变化的影响,提升中国在国际气候变化的话语权和主动权具有重要意义。

  2.4岩溶地区碳循环模拟

  为了进一步认识岩溶地区碳循环的机理,需要对传统的碳循环模型(如Biome-BGC)进行改进,使其可以模拟岩溶地区的碳循环过程。碳循环模型主要模拟碳、氮、水分在植被-土壤-大气之间的交换过程。该模型包含植被的光合、呼吸、光合产物分配、蒸腾、截流、凋落、凋落物和微生物的分解等过程。

  模型输入文件主要有气象资料文件(包括了?#38706;取?#36752;射、降雨等驱动数据);植被参数文件(包括了植被的物候参数、光合途径、根叶?#21462;?#27604;叶面积、各组织的碳氮?#21462;?#21508;组织间的分配?#22756;?#20896;层截流系数、最大气孔?#32423;取?#21494;片表面?#32423;取?#36793;界层?#32423;?#31561;);模型配置文件(包括模型模拟的配置信息和模拟站点的参数,如土壤深度、土壤质地、氮?#20004;?#36895;率等)。

  在岩溶地区,驱动数据输入是要充分考虑大量裂隙导?#38470;?#27700;大量渗漏到地下河,导致支撑植物生长的有效降水十分有限,模型输入的降水应该是这部分有效降水。另外就是岩溶地区的地面破碎度高,空间异质性大,很难获取高精度的模型参数。可以以集合卡尔曼滤波和不?#33539;?#24615;理论为基础,集成多源遥感产品,优化模型参数,提高数值模型对碳循环过程的模拟精度。

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