海陸協同追蹤碳循環

研究數據表明，從1750年至2011年，因化石燃料燃燒和水泥生產、毀林和其他人為活動，估計已累積釋放5550億噸碳，其中已有2400億噸累積在大氣中，有1550億噸被海洋吸收，而陸地生態系統累積了1600億噸。但這一循環中仍有很多關鍵過程並未了解清楚。例如，在陸—海—氣碳交換中，河流和濱海濕地起著重要作用，但其固碳潛力卻一度被忽視。

「覆蓋面積占近海海岸區域不到1%的濱海濕地生態系統，每年可固定約3億噸CO2，相當於抵消全球交通工具碳排放總量的1/3。」11月20日，清華大學地球科學系教授林光輝在接受《中國科學報》記者採訪時說，由他帶領的「973」項目——「碳循環關鍵過程及其與氣候系統耦合的研究」即將驗收。林光輝介紹，該項目研究的重點之一便是這些潮間帶的生態系統，特別是紅樹林、鹽沼和海草床等「藍碳」在調節CO2濃度方面的作用。

探索「黑箱」，把脈碳收支

「碳是氣候變化的最重要的變數之一，目前的地球系統模式都把碳加進去了，但對於動態的『碳循環』過程考慮得不夠。」林光輝告訴記者，該項目的特點一是耦合;二是連接。「耦合就是把碳循環和氣候系統的相互作用聯繫在一起;連接就是建立陸—海之間動態的、多維的、時空上的碳交換。」他解釋說。

研究碳循環相關的陸地、海洋及其界面的關鍵生物地球化學過程與機理是減少氣候預測不確定性和建立新一代碳循環模型的基礎。立項之初，這個集結了清華大學、中科院植物所、北京師範大學、西北農林科技大學、中科院寒旱所、天津科技大學等單位專家的研究團隊就致力於自主研發碳循環模式及碳循環—氣候耦合模式，揭示海陸碳循環—氣候的互饋作用，服務國家決策。

研究人員通過在福建雲霄和廣東湛江高橋、雷州等地的紅樹林生態系統碳通量觀測網監測發現，紅樹林濕地固碳能力相當於陸地森林生態系統的兩倍多，同時濱海濕地每年的碳匯能力也顯著高於內陸濕地。

然而，作為全球範圍內重要碳匯之一，紅樹林的面積正在以每年1%~2%的速度遞減。林光輝表示，幸運的是，當前我國紅樹林面積在以每年2%~3%的速度增加，這與國家呼籲保護和恢復紅樹林有很大關係。

相關研究對開發我國海岸帶藍碳潛力，用於抵消工業CO2排放提供了很好的科技支撐。此外，研究人員還對海—陸碳循環方面的一些「黑箱」進行了探索，如利用微生物基因序列從不同角度研究土壤碳庫，研究我國乾旱荒漠區典型生態系統的碳匯，系統探究了黃河、長江、珠江等三大河流碳通量的影響因素和時空變化規律等。

「這些新研究有助於對當前全球碳循環進行收支估算，促進不同生態系統的連接，加強中國在這一領域的國際話語權。」該項目參與者、西北農林科技大學副教授朱求安表示。

自主創新，填補國內空白

「耦合器就像一個通道或『聊天窗口』。它可以讓模塊在保持獨立的同時，建立起相互之間的聯繫。」

該項目地球系統模式開發專家、清華大學副教授劉利解釋說，比如耦合器可以讓大氣和海洋作為兩個彼此獨立卻又發生物質交換的子系統相互協作。

長期以來，我國沒有自己的耦合器，地球系統模式發展只能依賴國外耦合器。劉利與同事做出我國首個自主設計研發的地球系統模式耦合器C-Coupler1，把我國耦合器研究推到世界前列。

「這是一個新的、獨立的耦合器家族，不同耦合模式配置可共享同一分量模式及耦合器。這有點類似『私人訂製』，可以根據模塊的多少定製所需要的交互平台。」劉利說。據悉，當前該產品已逐步在國家海洋局第一海洋研究所、清華大學等單位的模式發展中應用。

與耦合器類似，林光輝向記者表示，此次項目成果的另一個特點就是「研究數據完全共享，與國際接軌，使相關數據獲得了國際認可」。例如，項目建立的中國紅樹林生態系統碳通量觀測網是中國碳通量觀測網和全球碳通量觀測網的重要組成部分;創建的集生態數據管理、可視化和在線分析為一體的FluxDATAONE數據共享平台可促進學者之間的長期合作。

「水晶地球」，預測未來發展

「利用地球系統模式，我們也可以預估未來50到100年後的地球氣候、碳循環等的變化情況。」林光輝比喻說，許多國家正在開發或完善的地球系統模式就像可以預言將來的「水晶球」。

目前，項目組已將C-Coupler加入清華大學牽頭髮展的公共集成地球系統模式(CIESM)中，在大氣、海洋和陸面分量模式中耦合了碳循環模塊，開展了工業革命前控制試驗和20世紀模擬試驗。研究表明，在空間分布上，CIESM能較好地模擬海—氣二氧化碳通量平均態。預估結果還表明，全球海洋及赤道太平洋、南大洋海氣二氧化碳通量在21世紀上半葉將快速增加，在大約2070年左右穩定;全球海洋碳匯在21世紀末為每年36.8億~45.7 億噸碳。

「這個項目結束了，但相關研究並沒有終止。」林光輝說，「這類創新性的研究不可能一次性地把問題全部解決，所以培養年輕有潛力的下一代是項目的核心目標之一。」5年來，項目組已經通過現場實踐「練兵」、參加國際研討會、申請國內外基金等多種方式對年輕人才進行全方位、多層次的培養。

特色創新同時意味著挑戰。由於受到諸如土地利用變化、養殖等人為活動的干擾以及強烈的時空動態變化的影響，精確的紅樹林碳平衡數據仍需進一步研究。此外，陸海間碳運輸和轉化的量化及模擬仍缺乏可靠的技術方法，對其過程及機理還需要進一步深入研究。

「現在，初步的『水晶球』原型有了，但很多核心技術還要繼續完善。」林光輝說。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！