国家自然基金标书-典型流域陆地生态系统-大气碳氮气体交换关键过程、规律与调控原理

项目名称：典型流域陆地生态系统-大气碳氮气体交换关键过程、规律与调控原理首席科学家：郑循华 中国科学院大气物理研究所起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容(一) 关键科学问题本项目拟选择代表长江流域五个不同区域特点的典型小流域为对象，通过开展联网观测、野外因子控制试验、过程机理模拟试验、模型构建与流域尺度模拟紧密结合的研究，拟解决如下关键科学问题：1、五种气体（CO2、CH4、N2O、NH3、NO）排放和氮流失的相互关系与机制？五种碳氮气体地气交换与氮流失的相互关系总体上分为三类：协同关系，包括线性和非线性协同关系；消长关系，包括线性和非线性消长关系；随机关系（图4）。对这些相互关系的表现形式、形成条件与发生机制的深刻认识，是因地制宜地制定流域碳氮综合调控对策的理论基础。然而，目前对这些问题的认识还比较粗浅，远不能满足制定流域碳氮多目标综合调控对策的需要。为此，本项目拟面向长江流域，以五个典型小流域的不同生态系统类型系列为对象，通过多种碳氮气体地气交换和氮流失的联网观测、原位联网控制试验和过程机理模拟试验，重点研究以下三个子问题：¨ 多种气体地气交换之间及其与氮流失之间相互关系的表现形式；¨ 形成三类相互关系的自然和人为管理条件；¨ 在不同条件下发生各类相互关系的物理、化学、生物学机制。图4 陆地生态系统碳氮气体净排放与氮流失间的三类关系示意图2、如何实现对流域碳氮循环耦合过程的系统完整定量刻画？由有机质矿化分解、发酵、硝化、反硝化、铵态氮和硝态氮的微生物固定、生物固氮、大气氮沉降、植物对铵态氮和硝态氮的吸收、植物光合与呼吸、农林牧副渔产品输出、人为管理影响等过程通过特定秩序的相互作用交织在一起，就构成了复杂的陆地碳氮循环耦合系统（图5）。各种碳氮气体（CO2、CH4、N2O、NO、NH3等）的排放和氮随水流失都是发生在这个系统中有机质矿化-硝化-反硝化反应链上的关键过程。此外，这个系统中的植物光合和呼吸还是陆-气CO2交换的关键过程。如何在不同时间尺度（日、周、月、季、周年、年代）和空间尺度（地块、生态系统、流域）上系统定量刻画上述过程，正是当前碳氮循环研究领域亟待解决的前沿关键科学问题。本项目将以代表长江流域上中下游不同区域特点的五个典型小流域为例，研究如何对不同时空尺度的流域碳氮循环耦合过程进行系统完整定量刻画，重点解决以下三个子问题：¨ 复杂碳氮循环系统中各关键碳氮耦合过程的合理定量表达；¨ 碳氮迁移转化过程关键参数的可靠性；¨ 耦合过程定量表达方案和关键参数取值的尺度效应。图5流域碳氮循环耦合过程示意图（箭头指示碳氮流向）3、如何筛选流域碳氮优化管理方案？生态系统的水碳氮管理、土地利用方式转变和畜牧业有机废弃物管理等，都是人类活动调控流域生态系统的碳氮气体净排放、氮流失和生产力的着力“手柄”（图6）。但其中每一类陆地生态系统管理措施都包含着多种多样的具体管理方式。制定流域碳氮优化管理方案的过程，就是在流域尺度上从各类管理措施中筛选出符合条件的具体管理方式。要实现这个过程，必须以流域多目标综合调控原理为理论基础，以符合“多赢”效应最大化原则指标体系作为判据，以依靠流域碳氮循环耦合过程模型的决策支持系统为技术支撑平台。但多目标调控效应评价方法与指标体系及决策支持系统的建立，正是当前碳氮循环研究领域前沿亟待解决的关键科学问题。本项目拟以代表长江流域不同区域特点的五个典型小流域为对象，研究流域碳氮多目标综合调控应遵循的基本原理、调控效应评价方法和指标体系，以及决策支持技术平台，重点解决以下三个子问题：¨ 多来源数据与流域碳氮循环耦合过程模型的有效融合；¨ 表征流域温室气体排放和氮污染物排放协同削减效应的指标体系；¨ 对流域碳氮管理中“多赢”效应形成条件的识别。图6流域碳氮多目标综合调控示意图 (二) 研究内容1、流域典型陆地生态系统-大气碳氮气体交换的时空变异规律与主控因素依托中国生态系统研究网络和项目承担单位的野外台站，选择五个代表长江流域不同区域特点的典型小流域，针对五个典型流域生态系统类型系列开展多种碳氮气体（CO2、CH4、N2O、NO、NH3）交换及相关环境要素的同步联网观测，重点研究：¨ 气体通量的时间变化与空间分异特征;¨ 气体交换对径流氮迁移和活跃氮排放-沉降过程的响应;¨ 自然环境条件的驱动效应与机制。2、管理措施对生态系统-大气碳氮气体交换和氮流失的影响效应与机制在管理活动非常强烈的长江上中下游典型小流域，选定具有区域代表性的典型生态系统类型，对重要管理措施（包括生态系统水碳氮管理、土地利用方式转变、畜牧业有机废弃物管理）开展野外联网因子控制试验，重点研究：¨ 管理措施对多种气体地气交换的影响；¨ 管理措施对气体交换与氮流失关联性的影响；¨ 管理措施影响效应的空间变异特征与机制。3、流域生态系统碳氮循环过程空间模型的构建与检验基于最新陆地生态系统碳氮循环模型和分布式生态水文模型研究进展，综合联网观测、控制试验和过程机理模拟试验，构建并检验作为未来海-陆-气碳氮循环耦合模型关键组成的流域生态系统碳氮循环耦合过程模型，重点研究：¨ 碳氮循环与生态水文过程的双向动态耦合;¨ 双向动态耦合模型的关键过程与模拟功能扩充;¨ 流域生态系统碳氮循环耦合过程空间模型的关键过程校准、检验。4、流域生态系统碳氮综合调控原理与调控效应评价方法对分布于长江流域不同典型区域的五个小流域，集成不同来源数据（包括观测试验数据、调查调研数据、模型模拟数据等），开展系统综合分析，重点研究：¨ 五种碳氮气体排放与氮流失之间的相互关系规律与机制;¨ 流域碳氮多目标综合调控的一般性原理;¨ 流域碳氮多目标调控效应的评价方法。二、预期目标(一) 总体目标揭示流域生态系统-大气碳氮气体交换的关键过程、相互关系规律与机制，构建可同步模拟流域生态系统多种碳氮气体地气交换、氮流失和生产力的流域碳氮循环耦合过程空间模型，阐明流域生态系统碳氮多目标调控须遵循的一般性原理，建立调控效应评价方法和流域生态系统碳氮优化管理决策支持系统，为进一步开展整个长江流域、其他流域及更大区域的陆地生态系统-大气碳氮气体交换规律与调控研究提供基本过程认识、模型系统、基础数据和流域研究范例，为阐明我国典型流域陆地生态系统向海洋的氮输入过程、规律提供研究基础，籍此推动我国地表碳氮生物地球循环研究领域的快速进步与发展，为国家制定粮食安全保障、流域管理优化、生态环境建设等方面的重大决策提供科学依据与方法，并巩固和强化野外综合研究平台的能力建设，凝聚和造就一支多学科跨部门的领域前沿研究队伍和一批具有一定国际影响力的高素质学术带头人，提升我国在相关领域的国际学术地位。(二) 五年预期目标1、科学目标 对于流域生态系统-大气多种碳氮气体交换，揭示不同气体净排放和氮流失的相互关系规律及其关键驱动机制，阐明流域生态系统碳氮多目标综合调控须遵循的一般性原理。 构建流域生态系统碳氮循环耦合过程空间模型，建立流域生态系统碳氮综合调控效应评价方法。实现这两个科学目标，将为制定面向流域的生态系统温室气体减排增汇和氮污染物减排对策提供理论基础、科学方法和技术支撑平台。2、能力和基地建设目标 将为五个野外基地和九个实验室平台充实、提高生态系统-大气碳氮气体交换及相关过程的研究能力，增强其相关研究的培训与示范功能。同时，形成集碳氮循环与气体地气交换观测、试验、模型研发与流域模拟于一体的多学科、跨部门综合研究平台。3、人才培养目标将在地表碳氮生物地球化学循环研究领域，形成一支在国际上有较大影响的研究团队，造就8-10名具有国际影响力的学术带头人及10-20名青年学术骨干，并培养50-60名硕士与博士研究生。4、研究成果目标 获取一套生态系统多种碳氮气体交换及相关过程的观测试验基础数据； 构建一个可在流域尺度上同时模拟生态系统-大气多种碳氮气体交换、氮流失和生产力的流域生态系统碳氮循环耦合过程空间模型（登记软件著作权1-2份）； 一套评价流域碳氮综合调控效应的方法体系； 发表一系列本领域高端期刊研究论文（SCI期刊论文100篇左右，或总影响因子200左右）,专著1-2部。 向政府和相关主管部门提交有关流域碳氮管理与温室气体调控的政策建议2-3份。三、研究方案(一) 学术思路贯穿本项目的总体学术思路是：通过认识和利用五种碳氮气体净排放与氮流失的相互关系与机制，为流域生态系统的碳氮多目标综合调控决策提供坚实理论基础和先进技术平台（图7）。图 7项目的总体学术思路 （GHGs指温室气体）流域生态系统的碳氮多目标综合调控迫切需要阐明以下的三方面的相互关系及其机制（图7）： 三种温室气体（CO2、CH4、N2O）净排放的相互关系表现形式、发生规律，以及自然条件和管理措施对其协同驱动的物理、化学与生物学机制； 温室气体净排放（CO2 + CH4 + N2O）变化与源汇功能转换条件，及其对自然条件和管理措施的响应机制； 温室气体净交换、活跃氮气体（NH3、NO）排放、氮流失的关联性规律，以及自然条件和管理措施对其的影响效应与机制。关于决定陆地生态系统-大气碳氮气体交换的基本过程（图7），目前的认识可简要概括如下： 流域生态系统-大气碳氮气体交换，是植物生长和受土壤（或水）微生物驱动的碳氮转化的必然伴随过程； 土壤（或水，这里指内陆水体，下同）中的不同组分碳氮含量和环境因子，通过调节微生物碳氮转化过程和植物生长而直接影响碳氮气体交换； 环境因子通过控制氮素迁移流失过程而影响土壤（或水）中的碳氮含量，从而影响碳氮气体交换； 自然条件和管理措施，通过直接或间接地改变环境因子、氮素迁移流失和土壤（或水）中的不同组分碳氮含量而驱动微生物碳氮转化及植物生长，从而调节碳氮气体交换。研究不同碳氮气体净排放与氮流失的相互关系与机制，需在不同时间尺度（日、周、月、季、年等）和空间尺度（微域、地块、生态系统、流域等）上，将对上述定性认识上升为系统定量表述；流域生态系统碳氮循环过程空间模型的构建，需在流域尺度上，将所取得的定量表述用计算机程序来表达和实现。这两项突破的取得将为流域生态系统碳氮综合调控和优化管理提供坚实基础。本项目拟研究构建的流域生态系统碳氮循环耦合过程空间模型的特色与创新之处主要体现在以下三个方面： 它是三维空间模型，具备模拟氮素水平方向迁移对碳氮气体交换和生产力影响的功能； 模型扩充了畜牧业废弃物管理的碳氮循环和碳氮气体排放过程，具备模拟流域生态系统碳氮温室气体净排放和氮流失及其对畜牧业管理响应的能力； 可在流域尺度同时模拟生态系统的多种碳氮气体（CO2、CH4、N2O、NO、NH3）地气交换通量、氮流失和生产力。上述研究思路的具体实施，离不开一个整体研究方法体系，将观测试验、数据分析、模型构建与流域模拟试验有机地融合在一起（图8）。在这个体系中，观测试验（包括面向流域的联网观测、野外联网因子控制试验和机理模拟试验）是基础，它为认识规律与机制和构建模型提供基础数据；数据分析是核心，它将揭示隐藏在观测试验数据背后的基本规律和机制，对观测现象进行理论升华，为模型构建提供理论基础，为流域模拟试验提供基本要求，并为进一步的观测试验指引方向；模型构建是关键，它是将从有限时间尺度获取的认识上推到流域尺度的必由之路，并为流域调控评价方法和决策支持系统的建立提供核心模型；流域模拟试验是在不同时间尺度阐明碳氮气体地气交换和氮流失的分布格局，支持流域碳氮综合调控科学决策的必要途径。图 8 项目的研究方法体系