景观和区域尺度陆地生态系统碳水耦合循环机理过程与固碳能力研究

研究陆地生态系统碳水循环的机理过程与碳源/汇是目前全球变化研究的热点之一。目前国际上在这方面研究存在两大薄弱环节：（1）对景观尺度碳水循环的耦合机制缺乏深入理解；（2）景观和区域尺度碳收支的估算存在显著的不确定性。本项目选择中科院千烟洲生态站及其邻近区域为典型研究区，依据土壤-植被-大气一体化理论,采用定量卫星遥感反演、多种地面观测和模型模拟等综合集成的研究方法，定量地理解景观尺度上碳水耦合关系及其影响机制，进而研发新一代多尺度-多源数据的分布式生态水文模型,发展多源数据同化、模型-数据融合和尺度转换的关键技术与方法，最终建立典型景观和区域尺度上碳源/汇和生态系统固碳能力定量认证的方法论体系和监测评估系统平台。本项目的实施将有助于解决碳水循环研究中的两大瓶颈问题，对我国陆地生态系统和应对气候变化的研究和生态系统规划与建设具有重要的科学意义和实际价值。

本项目通过将陆面过程模型Dynamic Land Model（DLM）与通量足迹模型Simple Analytical Footprint model on Eulerian coordinates（SAFE）进行耦合，并采用集合卡尔曼滤波进行模型-数据同化，发展了一套景观和区域尺度上的碳收支定量估算方法。研究以千烟洲涡度相关通量塔为例，精确地估算了其通量足迹区域内的净初级生产力时空分布。研究结果显示，采用双叶模型框架、动态根系法和Kinematic波动模型能够有效地改进陆面过程模型对净初级生产力和蒸发散的模拟；研究区域的通量足迹轮廓存在季节性变化；用数据-模型同化方法优化模型参数能够降低景观和区域尺度上净初级生产力模拟结果的不确定性；采用高精度的下垫面数据能够降低空间异质性对估算结果不确定性的影响；详细对比分析了自下而上（综合Landsat / MODIS 影像、生态系统模型、通量和浓度足迹模型）和自上而下（基于近地面的CO2浓度观测数据，通过浓度footprint 模型和大气传输模型进行反演同化）估算区域尺度碳源汇的方法，降低了区域尺度的碳源汇估算的不确定性。. 本项目的成功实施为定量估算景观和区域尺度上的碳源/汇分布和生态系统固碳能力提供了坚实的理论基础和技术支持，对我国应对气候变化和生态系统规划与建设具有重要的科学意义和实际价值。