成都生物所在三江并流核心区关于亚高山森林生态系统碳-水-热通量研究的系列进展

　　

二氧化碳（CO₂）作为全球主要温室气体之一，其浓度正以每年2-3ppm的速度迅速上升，近年来更是达到前所未有的水平。随着CO₂浓度持续上升，全球气候变暖程度逐渐加剧。截至2019年，全球平均气温水平相比于工业革命前已上升1.1℃，《巴黎协定》敦促各国政府将全球平均气温上升限制在远低于工业革命前水平的2.0℃，并努力将其限制在1.5℃。如何削减二氧化碳带来的温室效应是当下人类社会面临的重要难题，而减少区域碳排放量或人均碳排放量被认为是有效的碳减排途径。中国政府在2020年联合国大会第75届会议上宣布了“双碳”目标，力争在2030年前实现碳排放达峰，2060年前实现碳中和，以促进生态保护和实现可持续发展目标。中国作为全球最大的人工林和天然林资源拥有国，当前正通过森林生态系统的恢复、自然扩张和可持续管理等策略，有效地吸收和储存大量二氧化碳。相关研究表明，中国森林在吸收和固定大气碳等方面发挥了显著作用，在应对气候变化方面具有积极影响。为了准确量化森林碳固存潜力，科学家们正在不断建立更多实地监测站点并生成综合数据集，以评估、模拟并预测不同尺度生态系统碳收支状况。涡度相关方法提供了长期连续的碳通量计算，为模型建立和校准提供了科学基础数据，在城市地区、农田、草地、森林和水体等多种生态系统中得到广泛应用。

青藏高原被称为“世界水塔”，水分被大量的冰川、积雪、湖泊和河流储存并运送到周边地区，滋润涵养了广阔的亚洲地区民众。多站点气象数据表明，半个世纪以来，青藏高原经历了持续变暖，特别是青藏高原东部变得更加温暖湿润。在全球气候变化日渐加剧的背景下，青藏高原越来越受到其它地区的深刻影响，深入了解气候变化背景下的高寒生态系统碳动态有助于人们更深刻地理解区域可持续发展、生物多样性保护和水土资源保持等重要议题。陆地蒸散量（Evapotranspiration，ET）表征了气候、植被、土壤和地理的复杂相互作用，同时充当连接植被、土壤和气候的纽带，是水循环和能量平衡中不可或缺的重要组成部分。区域蒸散量可直观展现一定地理空间内的传统气候类型和湿度状况，揭示该地区干湿的时空演变特征和变化规律。蒸散不仅通过参与生态系统水分循环影响地区气候，同时也被多个环境因素共同决定，对于森林生态系统的蒸散，目前公认的决定因素有太阳辐射与地面辐射、土壤水分、空气温湿度、饱和水汽压差等，鉴于区域差异与生态系统多样化，各个环境因子对蒸散的贡献度各有不同，因此，多因子影响下的森林生态系统水分散失原理更需要去深入研究了解。

碳循环与蒸散、能量平衡之间存在密切联系，构成了生态系统中复杂而相互依存的过程。植物通过光合作用将二氧化碳转化为有机碳，并将其存储在植物体内，随着植物蒸腾进行，水分以水蒸气的形式被释放到大气中，同时释放一定量气态碳，部分最终以二氧化碳的形式返回大气，这均将导致地球表面气体组成发生变化，进而影响地球能量平衡。能量平衡受太阳辐射、大气和地表之间相互作用影响，而碳循环变化可以通过影响温室气体浓度，从而调节大气中能量传递和辐射平衡。因此，碳循环、蒸散和能量平衡相互联系，共同维持了地球生态系统的稳定性和气候平衡。

本系列研究工作以西藏自治区三江并流核心区为研究区，该区海拔变化明显，山区地形复杂多样，是从中国西南部进入青藏高原的“门户”，也是研究区域生物多样性、山地生态系统功能和服务、植被恢复和重建以及其它重大生态科学问题的热点地区。尽管青藏高原涵盖了分布相当广泛的高寒森林，但以往利用涡度相关法开展青藏高原东部森林碳-水-热动态状况的研究并不多见，这些森林的碳-水-热动态在目前以及气候变化背景下将如何变化仍不明确。用于研究青藏高原森林碳水循环与能量交换的监测数据并不多，目前还存在相当大的数据空白。基于此，本研究设置位于亚高山生态系统的通量监测站点，进行了为期三年的持续监测，并同步测量了周围的微气象环境因子。

植物功能生态与重大工程区乡土植被恢复创新团队的联合培养硕士研究生朱牛同学（甘肃农业大学）在王金牛副研究员指导下，依托西藏芒康野外生态监测站（已列入首批自治区野外科学观测研究站，我所为共建单位）的红拉山滇金丝猴国家自然保护区涡度通量森林研究位点开展了碳-水-热通量研究（图1）。结果表明，亚高山森林具有明显的季节性碳动态，夏季和秋季CO₂交换率高，冬季和春季低，秋季是亚高山森林碳固持的高峰期。分析显示，光合有效辐射（PAR）是驱动净生态系统CO₂交换（NEE）的主要环境因素，显著影响森林和碳吸收，相对湿度（RH）增加降低了碳固定。在年尺度上，亚高山森林作为较大的碳汇，其平均净生态系统交换量为?332至?351g C/m²（2020-2023年）。本研究还探讨了青藏高原不同高寒生态系统碳固持贡献，发现植被覆盖度高的生态系统表现出更高的年累积碳固持量，在这些生态系统中，森林显示出最高的碳固持潜力，平均每年达到368g C/m²。不同生态系统的碳固持潜力为：森林>草地>草原>灌丛。研究表明湿地是二氧化碳的重要来源。根据现有结果，在区域范围上海拔的增加可能导致碳吸收减少，较高的年均温度显著增加了碳吸收，年均降水量对净生态系统CO₂交换的影响相对较弱。在水循环方面，亚高山森林水分散失过程主要包括地表蒸发和植被蒸腾作用，以各月半小时相同时刻测量数据为依据，得到各月份蒸散日内变化平均值（图6）。蒸散通量表现出明显的月份差异及“U”形曲线特征。极端天气更可能在冬春季节引起不规则的变化。夏秋季节降水相对较多，环境更适合植物生长，蒸散的日变化幅度在生长季大于非生长季，生长季与非生长季存在显著差异。亚高山森林生态系统中蒸散变化受多种因素影响（图7）。净辐射对蒸散影响最大，而相对湿度影响最小。除了相对湿度外，所有环境因素都与蒸散呈正相关。森林蒸散对饱和水汽压差的响应最为敏感。

阶段性系列成果以朱牛为第一作者，王金牛副研究员为通讯作者分别以“三江并流核心区亚高山森林非生长季净生态系统CO₂交换量及其影响因素”（原文链接1），“Unveiling evapotranspiration patterns and energy balance in a subalpine forest of the Qinghai–Tibet Plateau: observations”（原文链接2），“Using Eddy Covariance Observations to Determine the Carbon Sequestration Characteristics of Subalpine Forests in the Qinghai-Tibet Plateau”（原文链接3）为题，发表于国内外主流学术期刊《生态学报》，Journal of Forestry Research，Biogeosciences（欧洲地学联合会EGU旗舰刊）。本研究得到中国科学院成都生物研究所吴宁研究员，西北生态环境资源研究院罗栋梁研究员、王旭峰研究员等诸位同行的大力帮助与指导。研究成果受到中国科学院西部之光西部青年学者项目（2021XBZG-XBQNXZ-A-007），中国国家自然科学基金项目（31971436），西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室开放基金（SKLCS-OP-2021-06）的联合支持。

图1 红拉山滇金丝猴国家自然保护区亚高山森林通量站点（图1-1：研究样地在三江并流的地理位置；图1-2涡度通量塔及植被背景特写；图1-3：研究样地亚高山森林景观图）

图2 2020年11月—2022年10月亚高山森林生态系统的月平均碳通量变化

图3 亚高山森林生态系统的碳净交换量与主要环境因子的关系

图4 青藏高原通量研究站点及其生态系统碳交换潜力汇总分析

图5 研究样点亚高山森林生态系统的碳通量与蒸散的年际对比

图6 亚高山森林生态系统的月平均蒸散动态（2020年11月—2021年10月）

图7 亚高山森林生态系统的蒸散与主要环境因素的关系

附图

附图1?西藏自治区芒康生态监测台站“一站多点”图示

附图2?院士专家团与自治区领导考察指导红拉山亚高山森林监测站点工作

注：西藏自治区生态环境厅为了长期有效监测西藏生态安全屏障的功能发展态势，依照《西藏生态安全屏障保护与建设规划》（2008-2030年）设立西藏生态安全屏障生态监测站网(Tibet Ecological Security Monitor Network, TESMN)，共计11个站，吸纳了国内院所校技术支撑单位。芒康野外生态监测站为我所与西藏自治区生态环境厅共建台站，站点覆盖芒康（总站）、左贡、八宿三县域共计10处监测样点。2023年入选首批西藏自治区野外科学观测研究站。