天眼看全球土壤碳排放时空变化格局丨观天测地

天眼看全球土壤碳排放时空变化格局丨观天测地
2020/10/20 17:00:00 中科院之声

     编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。

     通常来讲，地球系统由大气圈、水圈、陆地表层、生物圈和固体地球(岩石、地幔和地核)组成。其中，碳循环是地球系统物质和能量循环的核心，是陆地表层-生物圈-大气圈相互作用的纽带。陆地生态系统碳循环及其对全球变化的响应研究一直是国际地球物理学界广泛关注的前沿问题。

     土壤碳排放描述了陆地生态系统通过根系呼吸和微生物呼吸向大气中释放二氧化碳的过程，是陆地生态系统与大气间二氧化碳交换的最大通量之一，并已引起了科学界的高度重视。由于其量之大，土壤碳排放数量上的一个小的改变可能对大气中二氧化碳浓度的变化有相当大的影响。在全球气候变化的背景下，研究陆地生态系统土壤碳排放的时空变异对于预测未来大气中二氧化碳浓度变化具有重要指示作用，但是目前全球陆地生态系统土壤碳排放的估算仍然存在很大的不确定性。

     中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室牛铮研究员团队与国内外相关领域专家合作，基于多源遥感数据和全球土壤碳排放地面观测数据集(图1)，构建数据驱动模型，生产了2000-2014年全球1公里分辨率陆地生态系统土壤碳排放产品(图2)，并分析了全球陆地生态系统土壤碳排放时空变化与气候和土地覆盖变化之间的关系。这一成果以“全球土壤呼吸时空变化及其与气候和土地覆盖的关系”为题发表在2020年10月7日的国际学术期刊《科学进展》(Science Advances)上。

图1 全球土壤碳排放地面观测数据集，黑色原点表示土壤碳排放观测地点，不同的颜色表示了不同的植被类型：温带常绿针叶林(TENF)、温带常绿阔叶林(TEBF)、温带阔叶针叶林(TDNF)、温带落叶阔叶林(TDBF)、温带混交林(TMF)、北方植被(BOR)、热带森林(TF)、草地(GRS)、农田(CRO)、灌丛(SHR)

     图2 2000-2014年全球陆地生态系统年平均土壤碳排放空间分布格局及其纬向变化

     研究结果表明，2000-2014年，全球陆地生态系统年平均土壤碳排放估算总量为72.6 Pg C(95%置信区间为69.8-75.4 Pg C，1 Pg C=10亿吨碳)。基于全球多年平均空气温度(T)数据，将全球陆地生态系统划分为三个区域：热带区域(T>17°C)、温带区域(2°C≤T≤17°C)和北方区域(T<2°C)。在全球尺度上，土壤碳排放整体上呈显著增加趋势(0.13±0.02 Pg C year^-1, p<0.05，图3)，其中热带区域土壤碳排放增加幅度最大(0.11±0.02 Pg C year^-1, p<0.05)，而温带区域土壤碳排放呈小幅度减小趋势(-0.02±0.01 Pg C year^-1, p=0.42)。

     图3 2000-2014年不同空间尺度上(全球、北方、温带和热带区域：Global、Boreal、Temperate、Tropical)土壤碳排放(Rs)变化趋势

     土壤碳排放变化受多种因素的影响，气候因素(如气温、降水等)对土壤中植物根系呼吸和土壤微生物呼吸有直接或间接的影响，已成为人们研究的热点。土地覆被变化也会通过改变植被结构、植物物种组成和土壤性状而对土壤碳排放产生重大影响。目前，很少有研究综合考虑气候和土地覆盖变化对全球土壤碳排放时空变化的影响。针对这一问题，该团队综合分析了气候和土地覆盖变化因子的影响(图4)，发现全球尺度上土壤碳排放变化主要受到温度的影响，但是在温带和北方区域，植被变化主导了该区域土壤碳排放的时空变化。这一系列发现有助于我们理解全球土壤碳排放的时空变化格局，并揭示了土地覆盖变化在影响全球和区域尺度土壤碳排放变化中的重要性。

     图4 不同空间尺度上(全球、北方、温带和热带区域)土壤碳排放与相关因子的偏相关性，其中：驱动因子包括年平均空气温度(TEM)、年总降水量(PRE)、干旱指数(SPEI)、森林覆盖(TC)、低矮植被覆盖(SV)和裸地覆盖(BG)

     牛铮研究员团队多年来从事土壤碳排放遥感估算方面研究，作为最早开展遥感估算土壤碳排放的团队之一，先后在Agricultural and Forest Meteorology，Journal of Geophysical Research，Science of the Total Environment 等期刊发表相关文章，此次《科学进展》刊发成果是团队在国家重点研发计划项目“全球生态系统碳循环关键参数立体观测与反演”的资助下，近3年来潜心研究取得的重要成果。该项研究工作也得到了国家自然科学基金项目和中科院“地球大数据科学工程”A类战略性先导科技专项的资助。参与此项研究的单位包括：中国科学院空天信息创新研究院、中国科学院地理科学与资源研究所、德克萨斯理工大学、不列颠哥伦比亚大学和波士顿大学。

     来源：中国科学院空天信息创新研究院

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