什么是碳通量？

一、碳通量

（一）什么是碳通量？

碳通量是碳循环研究中一个最基本的概念，表述生态系统通过某一生态断面的碳元素的总量。例如：某河流的碳通量，就是流过河流断面的有机碳和无机碳的总量；某森林生态系统碳通量，就是该生态系统单位时间单位面积上的碳循环总量；海洋的碳通量，也就是单位时间和单位面积内碳增减的数量。

（二）为什么要研究碳通量？

自工业革命以来，由于大规模人类活动改变了生态系统碳循环的自然过程以及生物圈固有的收支平衡，导致大气中CO2, CH4和N2O等温室气体浓度的持续升高, 引发了全球变暖等一系列严重的全球环境问题，严重威胁着人类社会的生存和可持续发展。研究地球系统的碳循环过程和控制机理，评价陆地生态系统对温室气体的吸收或排放能力，分析全球碳源/汇的时-空分布特征,预测未来的气候变化趋势和评价生态系统碳循环对全球变化的响应与适应特征，是现代地球系统科学、生态与环境科学关注的重大科学问题。

而在对全球碳、水循环关键过程的研究中，需要大尺度、长期和连续的生物圈-大气之间的CO2，H2O和能量通量观测数据的支撑，碳通量就是其中的关键一环。获取生态系统与大气之间的碳元素交换信息，计算碳通量，对分析地圈-生物圈-大气圈的相互作用, 评价陆地生态系统在全球碳循环中的作用具有重要意义。

（三）碳通量有哪些测定技术？

1、基于生物量变化的估算方法

生态系统净初级生产力(NPP)、净生态系统生产力(NEP)和净生物群系生产力(NBP)的概念与碳通量相似，可以直接反映生态系统或生物群落的陆地-大气间的净碳交换量。在一定假设条件下，NPP、NEP和NBP都可以利用生态系统生物量变化动态监测数据进行估算。NPP的测定主要有两种基本的方法，一种方法就是测定生物量(植物体干重)变化的方法，称为堆积法，堆积法又叫收获法或现存量法。宏观上NPP相当于生态系统植物生长量，即单位时间生态系统生物量的增长量。可利用生态系统生物量的时间变化数据来推算，这是一种较为广泛使用的方法，另一种方法就是着眼于光合量和呼吸量，构筑理论方面的数理模型然后进行计算的方法。

2、基于碳平衡方程的估算法

只要我们能够逐项预定或估计出NPP、NEP、NBP、NEE(生态系统CO2净交换量)等有关的碳通量参数，就可以评估生态系统的碳平衡状况该种方法的关键是我们能否对各项进行准确的测定或评估。随着植物叶片的光合作用和呼吸作用、土壤微生物的呼吸通量、凋落物分解过程等测定技术的进步，许多项目的精确测定已经成为可能。叶片光合作用和呼吸作用的测定方法主要有半叶法、碱吸收测定法、氧电极测定法、红外气体分析仪测定法。土壤呼吸的测定方法主要有静态气室-碱吸收法、静态箱-气相色谱法、动态(静态)气室红外二氧化碳分析仪法。对树干和根呼吸还没有很好的测定方法，主要方法是利用与土壤呼吸测定相似的原理开发各种适合树干和根系的测定装置。凋落物分解的。定一般是分类进行。对于枯叶和小枝的分解速本测定，常用方法是尼龙网袋法对于较大的枝条，则都用拴线法。分解速率通常用失重法来测定(通采用网袋法，将预制凋落物样品布置于定位样地中，定期回收，测定凋落物的消失量)。

3、基于碳循环模型的估算法

近年，随着计算机的发展，将植物的物质生产过程进行数学模式化，利用模型估算生产力成为研究热点。如碳平衡模型、植被-气候关系模型、生物地球化学循环模型等几种碳循环模型。

4、同化箱测定法

同化箱测定法是采用不同类型的同化箱罩住植被地面或土壤表面，通过测定箱内的CO2和CH4等气体浓度变化来计算植被-大气或土壤-大气间的气体交换通量的一种方法。包括静态气室-碱吸收法、静态箱-气相色谱法、动态（静态）气室-红外CO2分析法等几种方法。

（四）碳通量会受到哪些因素的影响？

生态系统CO2通量因植被和环境因子的变化具有明显的季节和年际变化特征, 引起年际变异的原因可能包括: (1)春季降雪、冰雪融化时间和温度的年际变化；(2)从LAI（生长季节的最大叶面积指数）估算得到的生长季节长度的年际变化；(3) 雨季温度和降水的年际变化等。

（五）未来碳通量的研究方向有哪些？

1、加强复杂地形与夜间NEE的校正和估算方法的研究

建立复杂地形和夜间NEE质量评价和校正的方法论体系，是通量观测研究中所面临的首要任务。在以往的夜间通量低估和平流对通量影响的研究中,大多是定性或半定量化的，难以在实际中运用。加强以下6个方面的综合研究工作将有助于这一问题的解决。

(1) 涡度相关观测和箱式法、空气动力学方法的平行观测对比；

(2) 观测塔的涡度相关观测与边界层CO2高空观测的相互比较；

(3) 涡度相关观测和生物调查的对比；

(4) Footprint气候学与尺度效应分析；

(5) 复杂地形条件下湍流运动特征和通量贡献区分布特征的数值模拟；

(6) 生态系统的水-碳耦合循环的机制与模拟。

2、加强通量观测、稳定性同位素观测、过程研究与遥感观测的综合集成研究

由于生态系统碳循环受到许多物理的、生物的、生态和人类活动的综合影响, 而且具有高度的时间和空间异质性和变异性, 因此对生态系统的水和碳循环的研究需要开展多尺度、多途径和多学科集成性的工作, 以揭示碳循环关键过程的变化机理和各种复杂过程与多种影响因素之间的相互作用关系。

3、加强通量观测研究的区域合作与交流

通量观测网络的发展, 需要在进一步增加观测站点的空间和类型代表性的同时, 更应加强由观测站点向区域尺度扩展的研究力度,需要强化和综合各种小尺度通量观测数据的整合和数据资源共享。建立通量观测研究网络联合组织, 以有效地组织和协调各子网络间的合作与观测数据资源共享, 确定通量观测技术指南、组织观测技术培训和观测系统的标定, 促进科学家之间的交流与合作, 提高观测研究网络的综合研究能力和数据服务能力。