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开展国家尺度综合研究 揭示陆地生态系统机制—— 《陆地生态系统通量观测的原理与方法》介绍

2018-08-20

 

人类活动引起的超越自然变率的全球变化(global change)主要表现为全球大气温室气体浓度增加与全球气候变暖、臭氧层破坏和紫外辐射增加、大气污染与酸雨、内陆水体和海洋污染、污染物质和有害废弃物的越境迁移、生态系统退化和土地荒漠化、森林功能与资源量减少、野生物种的减少和生物多样性丧失等方面。全球变化导致了一系列全球规模的环境问题,是对全球社会经济可持续发展的严峻挑战。以全球变暖为主要特征的气候变化已经成为国际公认的事实,是全球变化科学领域的核心问题。20世纪后期,大气中二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)和含氯氟烃(CFC8)等温室气体浓度的增加得到了科学观测的确认,科学界已经公认工业革命以来的化石燃料燃烧、水泥生产以及土地利用变化等人类活动的影响是导致全球变暖的直接原因。全球变暖所引起的一系列环境问题不仅会直接影响人类社会的食物生产和人类健康,同时还会改变地球系统的辐射平衡、水资源和水循环、大气环流和自然灾害系统,引起陆地生物圈的生物多样性、生物与生态系统格局、陆地表面过程等方面的一系列变化。

全球气候变暖和淡水资源短缺是世界经济可持续发展所面临的两大环境问题。陆地生态系统的水循环和碳循环是陆地表层系统物质能量循环的核心,是地圈-生物圈-大气圈的相互作用关系的纽带,也是两个耦合的基本生态学过程。陆地生态系统的水循环和碳循环过程机理、变化趋势以及调控管理的综合研究,不仅是探讨人类干预与调节全球变暖进程、缓解淡水资源短缺、维持世界经济可持续发展的战略需求,也是人类调节地圈-生物圈-大气圈的相互作用关系,维持全球生态系统的物质与能量循环、自然资源再循环的生态学途径。尽管科学界对陆地生态系统水循环和碳循环进行过长期的研究工作,取得了许多重要的科学进展。但是,关于全球变化背景下的陆地生态系统的水循环和碳循环的很多科学问题还未得到明晰的解答。为此,有关国际组织提出了生态系统水循环和碳循环方面的一系列国际合作研究计划(IGBP,IHDP和WCRP等),欧洲、美国和日本也率先开展了陆地生态系统CO2、水蒸气、热量通量的长期观测研究,成立了国际通量观测研究网络(FLUXNET)。建立FLUXNET的主要目的是获取全球陆地生态系统水循环和碳循环的实际观测数据,这不仅是全球变化科学发展的迫切需要,也是各国社会经济发展和生态环境建设的重大需求。

中国陆地生态系统的多样性、地形的复杂性以及地理区位的特殊性为生态系统碳循环研究提供了得天独厚的天然实验室。可是长期以来,我国属于世界的CO2和水热通量长期观测网络的空白区域。2000年以前,我国在生态系统碳循环通量和储量的观测研究方面做过一些工作,也开展了少量应用微气象法对农田生态系统CO2和水热通量的观测研究,而对草原和森林生态系统的研究却十分少见。尽管早期的研究工作十分零散,但是也有相当程度的知识积累,尤其是通过十多年的建设,中国生态系统研究网络(CERN)已经为中国的碳循环、碳储量和通量观测系统的建立奠定了良好的基础。2002年,中国科学院知识创新工程启动了重大项目“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”(Study on Carbon Budget in Terrestrial and Marginal Sea Ecosystems of China,CBTSEC,KZCXl-SW-01),2002年,国家973计划又启动了“中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制研究”(Carbon Cycle and Driving Mechanisms in Chinese Terrestrial Ecosystem,CCDM-CTE,2002CB412500)。这两个项目的启动全面推动了中国陆地生态系统的CO2和水热通量的观测研究,并共同支持创建了中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX),标志着中国陆地生态系统CO2和水热通量的研究进入了国家尺度综合研究的新阶段,为中国陆地生态系统碳循环、全球变化与生态系统变化科学的综合研究提供了良好的实验研究平台和多学科合作基地。

ChinaFLUX先后承担了中国科学院知识创新工程重大项目“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”(KZCXI-SW-01,2001年8月—2005年12月)、知识创新工程重要方向项目“中国陆地生态系统碳氮通量特征及其环境控制作用研究”(KZCX2-YW-432,2007年1月—2009年12月)、战略性先导科技专项“生态系统固碳现状、速率、机制和潜力”(XDA05050000,2011年1月—2015年12月)的观测研究任务。多年来,同时承担了国家973计划“中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制研究”(2002CB412500,2002年12月—2007年8月)和“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”(2010CB833500,2010年1月—2014年8月),国家自然科学基金委员会重大项目“我国主要陆地生态系统对全球变化的响应与适应性样带研究”(30590380,2006年1月—2010年12月)和“森林生态系统碳-氮-水耦合循环过程的生物调控机制”(31290220,2013年1月—2017年12月),以及国家自然科学基金委员会A3前瞻计划项目“Carbon East Asia:基于通量观测网络的生态系统碳循环过程与模型综合研究”(30721140307,31061140359,2007年9月—2012年7月)和国际合作重点基金项目“北半球陆地生态系统碳循环及关键地表过程对气候变化的响应和适应”(31420103917,2015年1月—2019年12月)。正是这些科学研究项目支持了ChinaFLUX的健康发展和开拓前行。自建立以来,ChinaFLUX获取了大量的系统性和连续性完好的原始科学数据,在生态系统通量观测的理论和方法、我国主要类型生态系统CO2,H2O和热量通量特征与过程机理研究等方面都取得了重要进展。

为了培养国内的通量观测与研究人才,指导和促进我国在该领域的学术发展和实践工作,中国科学院地理科学与资源研究所于贵瑞研究员、孙晓敏研究员等将学习、工作体会以及研究成果撰写成《陆地生态系统通量观测的原理与方法》一书,其目的是为从事全球变化、陆地生态系统碳循环和水循环以及地圈-生物圈-大气圈的相互作用研究领域的科技人员提供野外观测、数据分析、水-碳过程的解析、数学模型构建等方面的基础知识,为相关领域的科研工作者提供实验观测的技术指导,为相关领域的研究生教育提供基础教材。该书以近地边界层大气科学基本理论为基础,系统地论述了陆地生态系统通量观测的原理与方法。

2017年5月,随着学科的发展和科学技术水平的进步,于贵瑞研究员又组织撰写了《陆地生态系统通量观测的原理与方法》(第二版)。在对初版进行校阅和补充的基础上,第二版进一步将内容扩展到陆地生态系统的辐射、能量、水热、碳、氮及其他温室气体的通量综合观测,期望进一步推动中国陆地生态系统通量观测研究事业的发展,为新阶段的多要素与多途径协同、多方法与多技术集成、跨区域的多尺度立体化观测以及多源数据整合分析提供理论指导和技术参考。

《陆地生态系统通量观测的原理与方法》(第二版)在初版的基础上增加了相关领域的新进展,同时增加了第11章(陆地生态系统不同界面碳氮水交换通量观测方法)和第14章(陆地生态系统碳-氮-水耦合循环及模拟模型)。该书的第一部分(第16章)系统介绍了陆地生态系统的物质与热量通量、近地边界层特征与空气运动基本方程、近地边界层湍流运动特征与扩散通量等近地边界层大气科学的基础理论。第二部分(第710章)重点讨论了基于空气动力学和热平衡的通量观测、涡度相关技术原理及通量观测、通量观测的数据分析、稳定同位素在通量观测中的应用等。第三部分(第1117章)介绍了陆地生态系统水、碳和氮循环及通量评价模型与数据整合分析研究进展。

《陆地生态系统通量观测的原理与方法》(第一版、第二版)的出版是ChinaFLUX研究群体在生态系统通量观测的理论、方法和技术方面研究成果的集中总结。该专著比较全面地论述了近地边界层大气科学的基本理论,重点讨论了生态系统CO2 ,H2O和热量通量观测的原理及其应用技术。该专著的出版,对推动我国陆地生态系统水和碳循环研究以及生态系统与全球变化科学的发展将会作出重要的贡献。

同时,该书的再版得到中国科学院科技服务网络计划(STS)项目)(KFJ-SW-STS-169)和国家重点研发计划课题(2017YFC0503904)等项目的资助。

作者简介

于贵瑞,1959年生,辽宁省大连市新金县人。1999年入选中国科学院“百人计划”和“引进国外杰出人才计划”,2002年获得国家自然科学基金委员会“杰出青年基金”资助。曾任中国生态学学会副理事长,亚洲通量网(AsiaFlux)副主席等职。现任中国科学院地理科学与资源研究所副所长、研究员、博士生导师,中国科学院大学岗位教授,中国科学院“特聘核心骨干”,国家生态系统观测研究网络(CNERN)综合中心主任,中国科学院中国生态系统研究网络(CERN)综合研究中心主任,中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室主任,CERN科学委员会副主任,青藏高原研究会副理事长,中国生态学学会长期生态专业委员会主任,中国通量观测研究联盟理事长,亚洲通量网(AsiaFlux)主席。

主要从事生态系统生态学研究,着力于发展生态系统碳氮水通量及其耦合循环与全球变化方向,推动生物学与地理学的交叉融合,开展生态系统过程机制与自然地理格局规律的整合研究,在生态系统碳氮水通量协同观测技术、碳通量动态变化和空间格局的生态学机制、碳氮水通量时空格局的耦合关系以及碳-氮-水耦合循环过程方面取得了系统性的研究成果。

孙晓敏,1957年生,中国科学院地理科学与资源研究所研究员、博士生导师,中国科学院特聘研究员,中国科学院大学岗位教授,中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室常务副主任,中国科学院地理科学与资源研究所科技平台建设技术委员会副主任,中国通量观测研究联盟副理事长和技术顾问等。曾任中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心主任、综合研究中心副主任。

主要从事生态系统地表通量观测、定量实验遥感技术和尺度转换研究,着力于发展生态系统碳水通量及其同位素通量综合观测技术,在新型观测仪器的研制和观测系统的建立方面做出了卓有成效的工作。在长期的观测研究工作过程中,开展了新型通风干湿表、换位式波文比观测仪、空气动力学阻抗观测仪等多项观测仪器的实际应用和观测研究,有效地解决了关键地表通量参数的定量观测方法和获取途径问题。