區(qū)域陸-水-氣碳收支與碳平衡關(guān)鍵過(guò)程對(duì)地球系統(tǒng)碳中和的意義
陸-水-氣碳收支與碳輸送是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的關(guān)鍵因素，在地球系統(tǒng)碳中和過(guò)程中扮演重要作用，對(duì)揭示全球變化下陸地生態(tài)系統(tǒng)“丟失”的碳匯具有重要意義。
近日，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所于貴瑞院士與高揚(yáng)研究員在《中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué)》上發(fā)表了題為“區(qū)域陸-水-氣碳收支與碳平衡關(guān)鍵過(guò)程對(duì)地球系統(tǒng)碳中和的意義”的評(píng)述文章。文章集成分析了全球陸-水-氣碳運(yùn)移與碳收支變化及其影響機(jī)制，重點(diǎn)探討內(nèi)陸水體碳收支與碳循環(huán)過(guò)程在陸-海-氣碳收支的重要作用，揭示全球變化下陸-水-氣碳收支與碳平衡的調(diào)控機(jī)制，并進(jìn)一步評(píng)估中國(guó)區(qū)域陸-水-氣碳收支現(xiàn)狀及其湖泊固碳潛力，提出定量人類(lèi)活動(dòng)對(duì)陸-水-氣碳運(yùn)移與碳交換過(guò)程的確切影響與幅度對(duì)于全球碳平衡與碳中和具有重要意義。
銜接陸-氣交換與陸-海交互過(guò)程的陸-水-氣耦合過(guò)程是涉及4個(gè)成分(DIC、DOC、POC及CO2)在三個(gè)界面(水-陸界面、水-氣界面和底泥-水界面)的復(fù)雜循環(huán)過(guò)程。CO2從內(nèi)陸水體轉(zhuǎn)化到大氣中，即所謂的“碳逃逸”，是全球碳循環(huán)的一部分，但目前缺少估算全球水體表面積和氣體交換速率的框架和全球CO2數(shù)據(jù)庫(kù)。全球內(nèi)陸水體的水-氣界面的溪流和河流的碳通量為1.8PgC a–1，湖泊和水庫(kù)的碳通量為0.32PgC a–1，其凈CO2逃逸率達(dá)1PgC a–1。陸地生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)全球河流輸送的碳量達(dá)1.7PgC a–1, 其中0.2PgC a–1沉積埋藏于內(nèi)陸水體，約0.85PgC a–1輸送至近海。
圖1全球陸-水-氣碳運(yùn)移與碳收支
內(nèi)陸水體的碳庫(kù)主要分為永久性和活動(dòng)性碳庫(kù)，水柱和底泥表面為活動(dòng)性碳庫(kù)，這些碳在水-陸界面、水-氣界面和水-底泥界面通過(guò)無(wú)機(jī)碳庫(kù)轉(zhuǎn)化過(guò)程、有機(jī)碳庫(kù)轉(zhuǎn)化過(guò)程、無(wú)機(jī)與有機(jī)碳庫(kù)之間的轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行碳的固定和釋放(圖2)。內(nèi)陸水體生態(tài)系統(tǒng)固碳過(guò)程主要包括植物通過(guò)光合作用將無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳、水體固碳及底泥固碳。無(wú)機(jī)與有機(jī)碳庫(kù)之間的轉(zhuǎn)化過(guò)程主要包括：浮葉植物、挺水植物直接利用大氣CO2，而浮游植物利用水體中的CO2和HCO3–進(jìn)行光合作用產(chǎn)生總初級(jí)生產(chǎn)力；浮游植物和挺水植物通過(guò)呼吸作用直接向大氣釋放CO2，而浮游生物、動(dòng)物通過(guò)呼吸作用釋放CO2形成水體的DIC；同時(shí)微生物對(duì)有機(jī)碳庫(kù)的降解和礦化過(guò)程也能將有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)碳。
圖2內(nèi)陸水體碳收支與碳循環(huán)過(guò)程
氣候變化是河流碳輸送的重要推動(dòng)力。受河流運(yùn)輸?shù)南拗疲邓看蟮牧饔蛴懈叩奶坚尫怕�，快速的河流運(yùn)輸將導(dǎo)致幾倍的陸地碳輸送并干擾沿海碳收支(圖3)。預(yù)測(cè)風(fēng)暴頻率與降雨變化對(duì)準(zhǔn)確了解流域碳吞吐量、水流路徑、溶解率、流域碳儲(chǔ)量，以及對(duì)評(píng)估陸地-河流碳輸送至沿海的有機(jī)碳值至關(guān)重要。溫度同時(shí)控制陸-水-氣碳循環(huán)的生物和非生物過(guò)程，對(duì)碳通量的凈效應(yīng)在不同地區(qū)可以區(qū)分為有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳兩種形式。氣候變化下的永久凍土消融、海平面上升及濕地退化等引起的生物地球化學(xué)循環(huán)改變都會(huì)導(dǎo)致陸-水-氣界面的有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳源、匯的方向與大小、CO2排放量以及大陸架上輸出的有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的大小變化。人類(lèi)活動(dòng)引起水平衡的改變將導(dǎo)致流域碳儲(chǔ)量及碳流動(dòng)的變化，如植被蓋度變化和灌溉作用都是調(diào)控地表蒸散發(fā)和地表溫度的重要手段。堤岸建設(shè)、城市污水排放、疏浚、航道蓄水等人類(lèi)活動(dòng)也逐漸成為影響陸-水-氣碳循環(huán)和碳收支的重要因素(圖3)。
圖3全球變化下陸-水-氣碳循環(huán)調(diào)控機(jī)制
如圖4所示，整個(gè)中國(guó)區(qū)域的陸地碳匯量為(0.41±0.12)PgC a–1，而通過(guò)河流輸送的陸地碳量為7.5×10–2PgC a–1，水-氣界面的CO2凈逃逸量為4.0×10–3PgC a–1。目前僅有湖泊碳沉積的評(píng)估量為2.0×10–3PgC a–1，而河流及水庫(kù)沉積碳評(píng)估的缺失導(dǎo)致陸-水以及陸-海碳運(yùn)移存在極大的不確定性，也是整個(gè)全球碳循環(huán)與碳“丟失”評(píng)估缺失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)碳中和戰(zhàn)略，預(yù)計(jì)我國(guó)將在2030年左右達(dá)到峰值，排放量為每年113億噸，意味著中國(guó)每年還有約40億~80億噸的CO2當(dāng)量需要依靠替代能源或者負(fù)排放來(lái)中和。因此，科學(xué)評(píng)估我國(guó)關(guān)鍵區(qū)域陸-水-氣的碳收支對(duì)于提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力具有重要意義。
圖4中國(guó)區(qū)域陸-水-氣碳運(yùn)移與碳收支(單位：PgC a–1)
全球變化下陸-水-氣碳收支評(píng)估具有復(fù)雜性和不確定性，很難區(qū)分自然或者人類(lèi)活動(dòng)如何影響陸-水-氣碳循環(huán)變化。盡管人類(lèi)活動(dòng)調(diào)控陸-水的碳通量、陸-氣及水-氣的碳交換等一系列驅(qū)動(dòng)力都已確定，但是定量分析這些人為活動(dòng)干擾對(duì)碳通量的影響卻很困難。所以了解不同人類(lèi)活動(dòng)對(duì)陸-水-氣碳運(yùn)移與碳交換過(guò)程的確切影響方向與幅度不僅對(duì)于全球碳收支平衡具有重要意義，而且對(duì)于衡量全球陸地碳匯也很重要。
