区域陆-水-气碳收支与碳平衡关键过程对地球系统碳中和的意义

2022-06-01 09:33:09 点将科技系统集成部 42

     陆-水-气碳收支与碳输送是影响陆地生态系统碳平衡的关键因素,在地球系统碳中和过程中扮演重要作用,对揭示全球变化下陆地生态系统“丢失”的碳汇具有重要意义。

     近日,中国科学院地理科学与资源研究所于贵瑞院士与高扬研究员在《中国科学: 地球科学》上发表了题为“区域陆-水-气碳收支与碳平衡关键过程对地球系统碳中和的意义”的评述文章。文章集成分析了全球陆-水-气碳运移与碳收支变化及其影响机制,重点探讨内陆水体碳收支与碳循环过程在陆-海-气碳收支的重要作用,揭示全球变化下陆-水-气碳收支与碳平衡的调控机制,并进一步评估中国区域陆-水-气碳收支现状及其湖泊固碳潜力,提出定量人类活动对陆-水-气碳运移与碳交换过程的确切影响与幅度对于全球碳平衡与碳中和具有重要意义。

   衔接陆-气交换与陆-海交互过程的陆-水-气耦合过程是涉及4个成分(DIC、DOC、POC及CO2)在三个界面(水-陆界面、水-气界面和底泥-水界面)的复杂循环过程。CO2从内陆水体转化到大气中,即所谓的“碳逃逸”,是全球碳循环的一部分,但目前缺少估算全球水体表面积和气体交换速率的框架和全球CO2数据库。全球内陆水体的水-气界面的溪流和河流的碳通量为1.8PgC a–1,湖泊和水库的碳通量为0.32PgC a–1,其净CO2逃逸率达1PgC a–1。陆地生态系统通过全球河流输送的碳量达1.7PgC a–1, 其中0.2PgC a–1沉积埋藏于内陆水体,约0.85PgC a–1输送至近海。

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图1 全球陆-水-气碳运移与碳收支

        内陆水体的碳库主要分为永久性和活动性碳库,水柱和底泥表面为活动性碳库,这些碳在水-陆界面、水-气界面和水-底泥界面通过无机碳库转化过程、有机碳库转化过程、无机与有机碳库之间的转化过程进行碳的固定和释放(图2)。内陆水体生态系统固碳过程主要包括植物通过光合作用将无机碳转化为有机碳、水体固碳及底泥固碳。无机与有机碳库之间的转化过程主要包括:浮叶植物、挺水植物直接利用大气CO2,而浮游植物利用水体中的CO2和HCO3–进行光合作用产生总初级生产力;浮游植物和挺水植物通过呼吸作用直接向大气释放CO2,而浮游生物、动物通过呼吸作用释放CO2形成水体的DIC;同时微生物对有机碳库的降解和矿化过程也能将有机碳转化为无机碳。

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图2内陆水体碳收支与碳循环过程

     气候变化是河流碳输送的重要推动力。受河流运输的限制,降水量大的流域有更高的碳释放率,快速的河流运输将导致几倍的陆地碳输送并干扰沿海碳收支(图3)。预测风暴频率与降雨变化对准确了解流域碳吞吐量、水流路径、溶解率、流域碳储量,以及对评估陆地-河流碳输送至沿海的有机碳值至关重要。温度同时控制陆-水-气碳循环的生物和非生物过程,对碳通量的净效应在不同地区可以区分为有机碳和无机碳两种形式。气候变化下的永久冻土消融、海平面上升及湿地退化等引起的生物地球化学循环改变都会导致陆-水-气界面的有机碳和无机碳源、汇的方向与大小、CO2排放量以及大陆架上输出的有机碳和无机碳的大小变化。人类活动引起水平衡的改变将导致流域碳储量及碳流动的变化,如植被盖度变化和灌溉作用都是调控地表蒸散发和地表温度的重要手段。堤岸建设、城市污水排放、疏浚、航道蓄水等人类活动也逐渐成为影响陆-水-气碳循环和碳收支的重要因素(图3)。

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图3全球变化下陆-水-气碳循环调控机制

       如图4所示,整个中国区域的陆地碳汇量为(0.41±0.12)PgC a–1,而通过河流输送的陆地碳量为7.5×10–2PgC a–1,水-气界面的CO2净逃逸量为4.0×10–3PgC a–1。目前仅有湖泊碳沉积的评估量为2.0×10–3PgC a–1,而河流及水库沉积碳评估的缺失导致陆-水以及陆-海碳运移存在极大的不确定性,也是整个全球碳循环与碳“丢失”评估缺失监测数据的重要环节。根据碳中和战略,预计我国将在2030年左右达到峰值,排放量为每年113亿吨,意味着中国每年还有约40亿~80亿吨的CO2当量需要依靠替代能源或者负排放来中和。因此,科学评估我国关键区域陆-水-气的碳收支对于提高陆地生态系统的碳汇潜力具有重要意义。

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图4中国区域陆-水-气碳运移与碳收支(单位:PgC a–1)

       全球变化下陆-水-气碳收支评估具有复杂性和不确定性,很难区分自然或者人类活动如何影响陆-水-气碳循环变化。尽管人类活动调控陆-水的碳通量、陆-气及水-气的碳交换等一系列驱动力都已确定,但是定量分析这些人为活动干扰对碳通量的影响却很困难。所以了解不同人类活动对陆-水-气碳运移与碳交换过程的确切影响方向与幅度不仅对于全球碳收支平衡具有重要意义,而且对于衡量全球陆地碳汇也很重要。

来源:中国科学杂志社 

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