【院士论坛】基于碳氮循环的中蒙荒漠生态脆弱区生态系统对全球变化响应研究
导 读
中国科学院西北生态环境资源研究院冯起院士带领研究团队以碳氮循环为切入点，关注中国和蒙古国脆弱生态系统在全球变化背景下的响应，提出并综述了脆弱生态系统碳氮循环过程及耦合机制、全球变化对脆弱生态系统的影响、全球变化背景下脆弱生态系统安全阈值确定及风险评估、脆弱生态系统对全球变化的适应性管理等重点研究任务。认为面向我国生态安全的重大需求，亟需从以下方面展开研究：系统分析碳氮在水—土—气—生中的周转途径、形态转化及通量特征的年际、季节及昼夜特征，揭示脆弱生态系统碳氮循环过程、时空规律与耦合机制，回答脆弱系统碳氮汇功能发挥的主要机理；构建脆弱生态系统碳氮耦合的过程模型，定量分析不同气候变化强度对脆弱生态系统安全的影响程度和人类干扰对碳氮循环及其生态系统的影响，评估脆弱生态系统在地球系统碳氮循环中的作用及其碳氮的源汇效应，提出脆弱生态系统对全球变化的适应性管理对策和措施。
关键科学问题和未来研究方向
在全球变化背景下，进行中蒙脆弱生态系统碳氮循环过程、时空规律与耦合机制研究，明确陆地脆弱生态系统碳氮耦合循环的途径及其年际、季节、昼夜变化的时空量化特征，回答脆弱系统碳氮汇功能发挥的主要机理，已成为脆弱生态系统与全球变化研究的主要科学问题。
由于脆弱生态系统的复杂性和尺度问题，现有脆弱生态系统对气候变化的响应研究，主要采取的是“气候系统变化→区域气候变化→生态系统变化”单一方向的联系途径，缺少脆弱生态系统与气候相互作用机理研究，导致对气候变化条件下脆弱生态系统响应与适应机理认识的不足。认识和掌握脆弱生态系统对气候变化的响应过程、揭示适应机制，是寻求科学保护脆弱生态系统安全、防止生态系统退化和灾变的关键科学问题。
因此，中蒙脆弱生态系统碳氮循环过程及耦合机制、全球变化对脆弱生态系统的影响和荒漠生态脆弱区生态系统对全球变化的适应性管理是该区域主要关注方向。
01
脆弱生态系统碳氮循环过程及耦合机制
应以中蒙荒漠生态脆弱区的荒漠和高寒草甸脆弱生态系统为研究对象，系统分析碳氮在水—土—气—生中的周转途径、形态转化及通量特征的年际、季节及昼夜特征，集成脆弱生态系统碳氮循环耦合过程的驱动机制，构建中蒙脆弱生态系统碳氮耦合的过程模型，评估中蒙脆弱生态系统在地球系统碳氮循环中的作用及其碳氮的源汇效应，为进行基于碳循环的中蒙脆弱生态系统风险评估提供科学参数。
02全球变化对脆弱生态系统的影响研究
在站点和各类再分析资料的基础上，运用数据挖掘技术，结合气候模型，系统研究近60年来气候变化的时空格局及极端气候事件；系统探究不同时间尺度气候变化以及极端气候事件对中蒙荒漠生态脆弱区生态系统主要生态要素（碳、氮、水）、群落结构及生态系统的影响机制；深入揭示中蒙脆弱生态系统碳氮循环过程对气候变化时空格局响应的过程与机理；建立碳氮空间尺度效应的定量评价模型，揭示中蒙脆弱生态系统碳氮源汇对全球变化的响应及人类活动在这种变化中的作用，认清气候变化对碳氮耦合与源汇效应的影响机制。
03荒漠生态脆弱区生态系统对全球变化的适应性管理
利用区域和全球模型开展未来50年气候变化的情景模拟，预测中蒙荒漠生态脆弱区生态系统对全球变化的演化趋势；剖析生态系统安全的气候胁迫主要因素及其空间特征，运用系统动力学（System Dynamics， SD）模型，采用情景模拟方法，定量分析不同气候变化强度对中蒙脆弱生态系统安全的影响程度和人类干扰对碳氮循环及其生态系统的影响，提出中蒙脆弱生态系统对全球变化的适应性管理对策和措施。
重点研究任务
中蒙脆弱生态系统碳氮循环过程及耦合机制
以野外台站长期观测数据为基础，系统分析中蒙荒漠生态脆弱区典型生态系统的碳氮在大气、植物、土壤和水体中的形成转化规律，模拟分析昼夜、季相和年际通量特征，同时结合大气系统干湿沉降、农牧生产对系统碳氮的输入数量的测定和分析，确定碳氮在土壤、植物和水体中的固持、传输数量，明晰脆弱生态系统碳氮的循环过程及源汇效应。
在中蒙脆弱生态系统碳氮循环过程分析的基础上，结合野外台站的气象环境因子（大气温度与降水）、生物因子（牧草群落特征、植物生产力、光合产物分配、功能微生物及其酶活性）、人文因子（农牧生产方式与强度）、土壤环境（土壤温湿度、有机物质形态与含量、全量及速效态碳氮含量、碳/氮比、冻融交替）数据，开展脆弱生态系统碳氮循环的动力机制研究，量化自然与人文因子对脆弱生态系统碳氮循环影响的贡献率。
通过对中蒙脆弱生态系统碳氮循环过程和动力机制的研究，以光合作用、呼吸作用和土壤—植被—水体的碳氮传输为纽带，优化不同类型陆地生态系统碳循环模型，将脆弱生态系统氮循环模型模块嵌入碳循环模型中，构建中蒙脆弱生态系统大气—植被—土壤—水体连续体的碳氮耦合模型，并用典型生态系统碳氮循环数据进行校准检验，阐明中蒙脆弱生态系统碳、氮循环的关键耦合环节及其对环境变化和人为干扰的响应机理。
中蒙脆弱生态系统碳氮循环过程及耦合机制研究框架
02全球变化对中蒙荒漠脆弱生态系统碳氮循环的影响
系统分析中蒙荒漠生态脆弱区近60年气候变化的趋势、幅度、周期、突变和位相等特征参数的变化规律，剖析年际尺度极端气候事件变化的时空格局，利用IPCC第五次评估报告所采用的CMIP5模式日尺度的历史试验数据historical（1960—2005年）及未来中等排放情景RCP45和高排放情景RCP85数据（2006—2099年），在全球气候模型（Global Climate Model，GCM）区域适用性评价的基础上，采用多种统计降尺度模式和偏差校正方法，预测未来50年中蒙荒漠生态脆弱区气候变化的趋势。
研究气候年代际变化对中蒙脆弱生态系统生态要素、群落结构及系统本身的影响机制，重点探究气候变化与脆弱生态系统碳氮循环及源汇效应的时空关联；剖析脆弱生态系统生态要素、群落结构及系统本身对极端气候事件的响应与适应机制；应用生态过程机理和非线性动力学模型，结合区域气候模型，构建多尺度气候—生态系统关系模型，模拟分析不同气候情景下的中蒙脆弱生态系统及其碳氮循环与源汇效应对气候变化的响应与适应机制。
以区域数字高程模型、植被类型图、土壤图和土地利用现状图等数字资料为基础，进行区域多层次空间离散和碳氮“源/汇”单元的划分，在单元嵌套空间格局分析的基础上，建立从站点到区域尺度的碳氮空间尺度效应的定量评价模型及其尺度转换模型，探究极端气候事件与区域生态系统碳氮循环及源汇效应的时空关联，揭示不同气候情景下的中蒙脆弱生态系统及其碳氮循环与源汇效应对未来气候变化的响应与适应机制。
全球变化对脆弱生态系统碳氮循环的影响研究框架
03全球变化背景下中蒙脆弱生态系统安全阈值确定及风险评估
在中蒙脆弱生态系统碳氮循环过程及驱动机制研究的基础上，通过野外观测和室内试验，从个体、群落和系统3个层面确定影响脆弱生态系统动、植物生长发育的水、土、气关键因素，遴选影响生态系统安全的关键因子，厘定以上3个层面的中蒙脆弱生态系统水、土、气关键因素的安全阈值及这些关键因子的耦合关系。
依据典型脆弱生态系统安全阈值研究结果，运用尺度转换模型，探究脆弱生态系统安全阈值的空间分异规律，将其结果嵌套于碳氮耦合模型，模拟碳氮过程与关键因子的耦合关系，剖析不同脆弱生态系统水、土、气关键因素的阈值与碳氮循环的时空关联机制，揭示中蒙脆弱生态系统安全关键因子阈值的空间分布与碳氮循环的关系。
建立全球增暖影响下，中蒙脆弱生态系统安全性风险的自然与社会指标体系，确定脆弱生态系统的安全性风险评估标准，划分脆弱生态系统的安全性风险等级，构建基于碳氮循环的中蒙荒漠生态脆弱区不同类型脆弱生态系统安全评估框架，提出其评价方法；分析中蒙脆弱生态系统对气候变化的敏感程度、脆弱性、适应性之间的关系，构建不同类型脆弱生态系统风险评价指标体系，定量评估全球变化对不同类型脆弱生态系统风险损失及其对区域社会经济系统的影响。
04中蒙脆弱生态系统对全球变化的适应性管理
利用年代际土地利用/土地覆盖变化（Land-Use and Land-Cover Change，LUCC）变化等人类干扰对脆弱生态系统影响的资料，借助碳氮耦合模型预估人类干扰对碳氮循环的影响，揭示人类干扰对中蒙脆弱生态系统的正负效应；定量分析人类干扰活动对中蒙脆弱生态系统的影响，明晰其脆弱生态系统服务功能、资源利用与人类需求之间的关系，运用SD模型，参考不同区域政策变化，采用情景模拟方法，定量分析不同人类活动强度对不同类型脆弱生态系统安全的影响程度。
在对全球变化下典型脆弱生态系统安全阈值及风险评估的基础上，以生态—经济社会“共赢”效应最大化为目标，运用专家咨询、多准则决策法（Multiple Criteria Decision Making， MCDM）和成本效益方法（Cost-Effectiveness Analysis， CEA），以关键阈值和管理对策相互关联为原则，基于全球变化下典型脆弱生态系统的风险评估划分等级，确定典型脆弱生态系统安全调控方案，利用群决策理论，对适应性对策措施进行优选，提出针对气候变化和人类活动双重影响下的中蒙脆弱生态系统适应性对策和管理措施。
以动态植被模型LPJ为主要工具，以代表性浓度路径（Representative Concentration Pathways， RCPs）产生的RCP8.5、RCP6、RCP4.5和RCP2.6情景气候数据为输入，模拟未来全球增暖下中蒙脆弱生态系统安全性的变化状况；应用脆弱生态系安全性风险评估模型，预测全球增暖对脆弱生态系统影响的安全性风险；结合阈值分析，提出全球增暖对脆弱生态系统影响的安全性风险管理措施，完成中蒙脆弱生态系统安全管理以及生态、经济、社会协调发展的对策理论。
脆弱生态系统对全球变化的适应性管理研究框架
结 语
在气候变化背景下，以碳氮循环为切入点，深入研究中蒙荒漠生态脆弱区生态系统的特征及其对全球变化的响应机理，是我国生态安全的重大需求，亟需我们从以下3个方面展开研究：首先，基于碳氮在气候、陆地生态系统的耦合循环过程，构建中蒙脆弱生态系统碳氮耦合模型，使脆弱生态系统对全球变化的反馈研究从碳氮的表观收支走向关键过程的定量识别。其次，运用尺度转换手段，探究中蒙荒漠生态脆弱区尺度气候变化对脆弱生态系统碳氮循环及源汇效应的影响机制，揭示碳氮耦合与气候变化的时空关联。运用SD模型，构建基于碳氮循环的中蒙脆弱生态系统安全风险评估模型。最后，以中蒙脆弱生态系统为主体，碳氮循环为主线，在全面认知碳氮在水—土—气—生连续体的输入、固持、流转与交换过程的基础上，以自然—人文因子作为驱动力，明晰其对系统碳氮循环影响的发生机制，构建中蒙脆弱生态系统碳氮耦合模型，揭示其对气候变化的响应过程及其碳氮的源汇效应，为预测中蒙脆弱生态系统未来气候变化背景下演替趋势，协调生态系统生产—生态功能提供科学依据。
未来将从时间和空间两个角度，全面深入地探究中蒙脆弱生态系统碳氮循环过程与源汇效应。在时间序列上，进行脆弱生态系统主要因子的日—季节—年际动态观测、分析和模拟；在空间结构上，以站点为依托，通过尺度转换，探究中蒙脆弱生态系统对全球变化的响应，揭示其空间差异。同时，结合全球变化对中蒙脆弱生态系统的影响，开展全球变化背景下脆弱生态系统风险评估理论研究和技术创新，可以为国家应对气候变化调控战略决策和管理模式提供科学依据和技术体系。
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