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    生態模型與全球變化研究組在農業生態系統溫室氣體排放、高寒植被碳固定以及高寒河流水環境遙感研究方面取得重要進展
    2020-07-28 | 编辑: | 【 】【打印】【關閉

      中國科學院生态环境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室生态模型与全球变化研究组在农业生态系统温室气体排放、高寒植被生态系统碳过程以及高寒河流水环境遥感研究方面取得重要进展,相关研究成果分别发表在Global Change BiologyAgricultural and Forest Meteorology, Journal of Geophysical Research, Remote Sensing等雜志上。

      農業生態系統是氣候變化的承受者,也是溫室氣體(GHG)的重要排放源,對自然變化和人類活動非常敏感。在全球變化背景下,要確保糧食安全和生態環境平衡,需要更好地了解和量化多個環境變化因子及其相互作用對作物溫室氣體排放強度(單位作物産量的溫室氣體排放量)的影響。課題組使用改進的農業生態系統模型(DLEM-AG2.0)及包含172個野外溫室氣體排放實驗的meta分析,對1949年至2012年中國小麥、玉米和水稻的溫室氣體排放強度的時空變化率、主要貢獻因子及其影響進行了國家尺度的最新評估。結果表明,1949-2012年,農田的溫室氣體排放強度平均爲0.10~1.31 kg CO2eq kg1,增長率爲1.84~3.58×103 kg CO2eq kg1 yr1。2000年以來,氮肥是導致中國北方溫室氣體排放強度增加的主要因素,對南方的影響也有所增加。溫室氣體排放強度的增加意味著過度施肥不僅沒有顯著促進作物增産,反而加劇了土壤溫室氣體排放。本研究發現,超過60%的過度施肥主要位于華北平原的冬小麥-夏玉米輪作區,長江中下遊和西南地區的冬小麥-水稻輪作區,以及南方大部分的雙稻輪作區。模擬結果表明,“過度施肥”地區當前的氮肥施用水平減少約1/3,不會顯著影響作物産量,但會使土壤溫室氣體排放減少29.60%~32.50%,溫室氣體排放強度減少0.13~0.25 kg CO2eq kg1。這分別相當于中國和世界農業土壤溫室氣體排放總量的29%和5%。研究表明,提高氮肥利用效率將是減少溫室氣體排放、保障中國糧食安全的有效策略。研究結果可爲我國發展溫室氣體友好型農業提供參考。

    图1. DLEM-AG2.0估算的1949-2012年中国小麦、玉米和水稻的温室气体排放强度(a、d和g)、作物产量(b、w和h)和土壤温室气体排放(c、f和i)

      高寒植被生態系統對氣候變化非常敏感,然而,高寒植被在不同生長階段碳交換及其碳通量對氣候變化的響應機制尚不明確。我們利用遙感反演的長時間序列高寒植被總初級生産力(GPP)、淨生態系統生産力(NEP),系統分析了1982-2015年以來青藏高原高寒草甸生態系統不同生長階段碳交換、生産力及其對氣候變化的響應關系。研究結果發現:青藏高原高寒草甸生産力在過去30多年均得到了持續的增加,但在不同的生長階段高寒草甸會表現爲不同的碳源和碳彙,同時不同氣候因子對高寒草甸GPP、NEP的影響程度也不相同,表現爲溫度因子在整個植被生長階段都起著重要的作用,控制著高寒草甸的碳固定能力。在植被枯萎前土壤水分對高寒草甸碳固定的作用日益重要,而空氣飽和差、太陽短波輻射對高寒草甸碳固定的影響相對較弱。我們的研究也揭示了需要從高寒植被生長的各個階段來分析氣候變化與高寒植被生態系統碳過程的複雜關系,從而爲更系統了解陸地生態系統對氣候變化的響應機制提供了新的視野。

         (A)                         (B)

    图2. 高寒草甸不同生长阶段(S1、S2和S3)GPP(A)和NEP(B)变化的主导气候因素的空间分布

      隨著全球氣候變化和人類活動影響的加劇,高寒河流水環境受到了越來越嚴重的環境脅迫,而由于高寒河流所處區域氣候惡劣、地形地貌條件複雜,如何有效地監測高寒河流水環境變得日益重要。我們從2016年起連續開展了雅江、金沙江、怒江、瀾滄江等高寒河流的天空地一體化觀測實驗,首次建立了高寒河流水環境不同組分的遙感光譜庫,而後基于空間對地觀測信息協同,建立了河流水環境遙感機器深度學習識別與定量反演模型,生成了長時間序列高寒河流水環境數據集並系統分析了全球變化與人類活動影響下的高寒河流水環境變化的時空特征,最終形成了高原高寒河流水環境遙感監測系統,這將有助于提升高原寒區河流水環境遙感監測與預警的能力與水平。

    图3. 三江并流区怒江(NJR)、澜沧江(LCR)和金沙江(JSR)季节性水体浑浊度空间分布

      这些研究分别得到科技部国家重点研发计划重点专项(2018YFA0606001和2017YFA0604702)、中科院STS项目(No. KFJ-STS-ZDTP-0)和国家自然科学基金委重大研究计划等项目(No. 91547107和 41271426)的资助。系列论文链接如下:

    https://doi.org/10.1111/gcb.15290

    https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192320301878

    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019JC015106

    https://www.mdpi.com/2072-4292/11/24/3010

    https://www.mdpi.com/2072-4292/11/11/1287

     

    城市與區域生態國家重點實驗室

    2020年7月28日

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