Altered trends in carbon uptake in China's terrestrial ecosystems under the enhanced summer monsoon and warming hiatus

The carbon budgets in terrestrial ecosystems in China are strongly coupled with climate changes. Over the past decade, China has experienced dramatic climate changes characterized by enhanced summer monsoon and decelerated warming. However, the changes in the trends of terrestrial net ecosystem production (NEP) in China under climate changes are not well documented. Here, we used three ecosystem models to simulate the spatiotemporal variations in China''s NEP during 1982–2010 and quantify the contribution of the strengthened summer monsoon and warming hiatus to the NEP variations in four distinct climatic regions of the country. Our results revealed a decadal-scale shift in NEP from a downtrend of –5.95 Tg C/yr² (reduced sink) during 1982–2000 to an uptrend of 14.22 Tg C/yr² (enhanced sink) during 2000–10. This shift was essentially induced by the strengthened summer monsoon, which stimulated carbon uptake, and the warming hiatus, which lessened the decrease in the NEP trend. Compared to the contribution of 56.3% by the climate effect, atmospheric CO₂ concentration and nitrogen deposition had relatively small contributions (8.6 and 11.3%, respectively) to the shift. In conclusion, within the context of the global-warming hiatus, the strengthening of the summer monsoon is a critical climate factor that enhances carbon uptake in China due to the asymmetric response of photosynthesis and respiration. Our study not only revealed the shift in ecosystem carbon sequestration in China in recent decades, but also provides some insight for understanding ecosystem carbon dynamics in other monsoonal areas.     

中国生态系统碳汇功能提升的技术途径：基于自然解决方案

2030年前碳达峰、2060年前碳中和已被确定为中国经济社会发展的重要战略目标。当前,中国陆地生态系统碳汇能力约为每年10亿—13亿吨二氧化碳（CO₂）。巩固和提升生态碳汇功能,需要与国土空间规划和生态保护等相结合,稳定现有森林、草原、湿地、滨海碳碳汇,进而实施生态保护与修复等重大增汇工程,同时还需要推动生态系统管理及新型生物/生态碳捕集、利用与封存技术（Bio-CCUS/Eco-CCUS）的开发应用。通过统筹陆地-河流-海洋国土空间规划和各种增汇技术,有望实现中国区域生态系统自然和人为碳汇功能倍增目标,即在2050—2060年实现每年20亿—25亿吨CO₂的碳汇贡献。当前,亟待系统梳理生态系统碳汇提升关键技术,科学评估其增汇效应、经济可行性和时间可持续性,集成不同区域增汇技术并开展区域示范。     

应对气候变化的碳收支认证及相关问题

该专项针对我国应对气候变化与碳减排的国际谈判以及国家可持续发展最佳途径选择等重大科技需求,有效组织中科院和相关高校及部委相关单位多学科交叉的优势力量,深入研究我国的陆地碳收支定量认证、碳增汇潜力与速率、增汇技术与措施以及未来全球增暖情景与大气温室气体浓度关系的不确定性等重大科学技术问题.由此形成支撑我国应对气候变化的温室气体减排增汇、国家可持续发展战略决策的数据资源体系、科学知识体系和技术支持体系;全面提升我国在温室气体排放认证方法论与技术体系、陆地碳收支定量评估与认证、生态系统与气候变化科学研究、生态系统增汇技术与措施、区域碳收支调控管理政策等研究领域的整体科学研究水平,实现国家应对气候变化科技支撑能力的跨越式发展,提高我国的国际影响力和外交谈判的话语权;形成一支具有扎实研究基础,并适应重大多学科交叉的科技队伍,实现我国科学家进入世界前沿科技舞台的战略目标.该专项将着力回答如下核心科学问题:(1)我国的温室气体排放量是多少？(2)我国陆地生态系统有多大的固碳潜力和速率？(3)在温室气体减排的“三可”(可测量、可报告、可核查)问题上我们如何应对？(4)如何认识气候变暖对大气CO2浓度的敏感性？(5)如何认识气候变暖对生态和环境变化的影响？(6)应对气候变化的绿色发展战略和政策是什么？通过专项实施将实现:自主建立我国能源、水泥等行业的碳排放计量体系,定量评估土地利用变化引起的温室气体排放;建立以卫星遥感、空中监测与地面网络监测和大气模式系统相结合的我国自主大气碳浓度和碳源汇监测系统,以及陆地碳收支的地面观测研究网络;综合研究和定量评估我国各类生态系统的碳增汇潜力与速率,评估我国重大生态工程的增汇贡献,研究人工干预下生态系统增汇的原理和技术系统,建立我国典型区域碳增汇的科技试验和示范体系;发展更为完整的新一代气候系统模式,定量预估未来气候增暖幅度相对应的大气温室气体浓度,理解人为排放气溶胶与气候变化的关系,进一步减少其相互关系认知的不确定性;分析过去百、千、万年时间尺度的气候变化事实,研究过去万年气候变化的自然规律和人类适应过程,增强对气候变化自然过程及其归因的认识;分析国际碳贸易市场机制及其对我国的可能影响,提出建立我国碳交易市场体系,林业、农业、牧业的减排增汇技术和经济政策,国内地区和行业间的生态补偿政策与碳管理体制等相关问题的政策建议与技术支撑体系.     

大型海藻规模栽培是增加海洋碳汇和解决近海环境问题的有效途径

当前,世界各国均关注于减缓气候变暖、降低大气二氧化碳(CO_2)排放为核心目标的低碳和碳中和理念。海洋是地球最大的碳库,在降低大气CO_2浓度方面具有重要作用。地球上超过一半的生物碳由海洋生物完成。大型海藻栽培具有成本低、产量高、碳汇可计量、栽培可控性强等优势;在近海可形成产业化的蓝碳,是海洋碳汇值得推崇的可持续发展模式。此外,规模栽培大型海藻可解决栽培海区海洋酸化、低氧、富营养化、有害藻华等海洋环境问题。文章从大型海藻栽培、环境修复作用及综合效益评估等方面综述了大型海藻碳汇功能及其解决近海环境问题的潜力。大型海藻规模栽培是发展低碳经济、增加海洋碳汇、实现碳中和,以及解决近海环境问题的有效途径。     

研发海洋“负排放”技术 支撑国家“碳中和”需求

应对气候变化的关键是实现碳中和。实现碳中和的基本途径包括"减排"(减少向大气中排放CO2)和"增汇"(增加对大气中CO2的吸收)。我国作为碳排放大国和发展中国家,应在尽可能减排的同时想方设法增汇,也即研发负排放的方法与途径,这是实现碳中和的必由之路,应强调主动作为。海洋是地球上最大的活跃碳库,有着巨大的碳汇潜力和负排放研发前景。我国的海洋碳汇理论研究已走在国际前沿,并推动了科学与政策的连接。当前,应从顶层设计、及时布局,对外引领国际大科学计划,对内结合国情大力研发海洋负排放技术,打造负排放生态工程;建立海洋碳汇标准体系,并通过大科学计划将其推向世界,占领国际制高点,为实现碳中和宏伟目标提供有力的科技支撑。     

Diagnosis of CO2 dynamics and fluxes in global coastal oceans

Global coastal oceans as a whole represent an important carbon sink but, due to high spatial–temporal variability, a mechanistic conceptualization of the coastal carbon cycle is still under development, hindering the modelling and inclusion of coastal carbon in Earth System Models. Although temperature is considered an important control of sea surface pCO₂, we show that the latitudinal distribution of global coastal surface pCO₂ does not match that of temperature, and its inter-seasonal changes are substantially regulated by non-thermal factors such as water mass mixing and net primary production. These processes operate in both ocean-dominated and river-dominated margins, with carbon and nutrients sourced from the open ocean and land, respectively. These can be conceptualized by a semi-analytical framework that assesses the consumption of dissolved inorganic carbon relative to nutrients, to determine how a coastal system is a CO₂ source or sink. The framework also finds utility in accounting for additional nutrients in organic forms and testing hypotheses such as using Redfield stoichiometry, and is therefore an essential step toward comprehensively understanding and modelling the role of the coastal ocean in the global carbon cycle.     

珊瑚礁：减缓气候变化的潜在蓝色碳汇

珊瑚礁是生产力水平最高,同时也是最脆弱的海洋生态系统之一。由气候变化及人类活动导致的珊瑚礁全球衰退,已经影响到珊瑚礁的钙化和碳循环过程,也加大了长期悬而未决的珊瑚礁二氧化碳(CO_2)"源-汇"争议。尽管珊瑚礁的钙化过程伴随CO_2释放,但考虑到珊瑚礁生态系统内部复杂的生物地球化学循环过程,以及造礁珊瑚特殊的混合营养特性,其作为碳汇功能的属性也不容忽视。文章从提高珊瑚礁对气候变化的弹性适应角度出发,尝试厘清有关珊瑚礁生态系统的CO_2"源-汇"争议,探索将珊瑚礁由碳源向碳汇转变的生态调控方式和途径,以期为实施海洋负排放、践行国家碳中和战略提供理论和技术支撑。     

Solar-wind–magnetosphere energy influences the interannual variability of the northern-hemispheric winter climate

Solar irradiance has been universally acknowledged to be dominant by quasi-decadal variability, which has been adopted frequently to investigate its effect on climate decadal variability. As one major terrestrial energy source, solar-wind energy flux into Earth''s magnetosphere (E_in) exhibits dramatic interannual variation, the effect of which on Earth''s climate, however, has not drawn much attention. Based on the E_in estimated by 3D magnetohydrodynamic simulations, we demonstrate a novelty that the annual mean E_in can explain up to 25% total interannual variance of the northern-hemispheric temperature in the subsequent boreal winter. The concurrent anomalous atmospheric circulation resembles the positive phase of Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation. The warm anomalies in the tropic stratopause and tropopause induced by increased solar-wind–magnetosphere energy persist into the subsequent winter. Due to the dominant change in the polar vortex and mid-latitude westerly in boreal winter, a ‘top-down’ propagation of the stationary planetary wave emerges in the Northern Hemisphere and further influences the atmospheric circulation and climate.     

江苏省土地利用变化对陆地生态系统碳储量的影响

土地利用变化是影响陆地生态系统碳储量变化的重要驱动因素,目前相关研究主要集中在土地利用变化对单一生态系统的影响,如土壤生态系统、森林生态系统、农地、草地生态系统等,本文以江苏省为研究区域,综合考虑了整个生态系统来探讨土地利用变化对碳储量的影响。文中涉及到的数据包括土地利用数据、土壤数据、植被数据。利用ArcGIS9.3分析1985到2005年江苏省土地利用变化,根据不同的方法,分别计算了江苏省不同土地利用类型的土壤碳储量和植被碳储量,并分析其对土地利用变化的影响,主要结论如下：①江苏省陆地生态系统总碳储量为975.72Tg,其中土壤碳储量为922.03Tg,占有机碳总储量的94.5%,土壤平均碳密度为9.41kg/m2,植被碳储量为53.69Tg,占有机碳总储量的5.5%,植被平均碳密度为1.791kg/m2;②1985-2005年江苏省陆地生态系统有机碳储量共减少9.73Tg,其中土壤有机碳储量减少7.54Tg,植被有机碳储量减少2.19Tg,土地利用变化造成了有机碳的释放,释放量占江苏省陆地生态系统有机碳储量的1%;③建设占用耕地是引起碳储量变化的主要原因,但总体而言,人类土地利用活动对江苏省陆地生态系统总碳储量平衡的扰动并不大;④应通过加强耕地保护、增加碳汇和土地利用结构优化等方式来降低人为活动对自然碳过程的影响。     

中国陆地生态系统固碳效应——中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”之生态系统固碳任务群研究进展

气候变化是当前人类生存和发展所面临的共同挑战,受到世界各国人民和政府的高度关注。陆地生态系统固碳被认为是最经济可行和环境友好的减缓大气CO2浓度升高的重要途径之一,因此,如何提高陆地生态系统碳储量及其固碳能力,是近年来全球变化研究的热点领域。2011年,中科院启动了"应对气候变化的碳收支认证及相关问题"的战略性先导科技专项;其中,生态系统固碳任务群在中国森林、灌丛、草地和农田生态系统约16 000个野外样地进行了系统的野外调查,并开展了6大国家重大生态工程固碳效应评估和4个典型区域固碳增汇技术体系和示范的综合研究。在全国尺度上准确评估了森林、灌丛、草地和农田生态系统的固碳现状、速率和潜力,科学评估了中国重大生态工程的固碳效应,并发展了兼顾社会经济和固碳效应需求的区域可持续新模式。此外,生态系统固碳任务群首次在国家尺度构建了科学的、可核查的陆地生态系统碳清查实体数据库,不仅可为中国应对气候变化的国际间谈判提供重要数据,还将在中国生态文明建设中发挥重要作用。     

基于专利分析的海洋碳封存技术

海洋是全球最大、最活跃的碳库，人类活动排放到大气中的二氧化碳约30%由海洋吸收，而海洋储碳周期达数千年，这对缓解并改善全球气候变暖至关重要。利用海洋吸收和封存二氧化碳是实现碳中和目标的重要技术手段。文章定义了海洋碳封存的专业技术范围，总结了海洋碳封存相关的技术方法，分析了当前海洋碳封存的技术发展趋势及国内外先进技术经验，以期为我国加快实现碳中和目标提供管窥之见。     

全球碳循环研究中"碳失汇"研究进展

全球碳循环是全球生物地球化学的主要研究方向之一 ,目前其重点集中在“碳失汇”(missingsink)问题的研究上 .最近的研究表明 ,“碳失汇”产生的主要原因是北方陆地森林生态系统对碳的固定、海洋对碳的吸收、岩石圈中CaCO3 H2 O CO2 系统 (岩溶动力系统 )对碳的吸收 ,以及陆地上碳库的转移 .寻找“碳失汇”的技术手段为现代地理信息系统与遥感技术和全球统一的野外定点监测相结合 ,加以模型研究 .     

海水养殖践行“海洋负排放”的途径

减排增汇是我国实现碳中和目标的必然途径。海洋作为地球上最大的碳库,渔业生物的碳汇功能也受到关注。中国是世界上最大的海水养殖国家,以非投饵型的贝藻养殖为主,养殖种类丰富、营养层次多样、养殖技术成熟,"海洋负排放"的发展潜力巨大。然而,贝藻类养殖的负排放过程复杂,其负排放的科学原理、过程机制、计量方法及增汇途径等科技问题正在被逐步认知和解决。文章阐释了渔业碳汇的研究进展、存在问题和可能影响,提出了拓展养殖空间和提高养殖单产、基于养殖容量管理制度的海水养殖绿色发展、多营养层次综合养殖模式、蓝碳牧业工程、海洋人工上升流增汇工程等践行"海洋负排放"的技术途径和对策建议。     

Climate and litter C/N ratio constrain soil organic carbon accumulation

Soil organic carbon (SOC) plays critical roles in stabilizing atmospheric CO₂ concentration, but the mechanistic controls on the amount and distribution of SOC on global scales are not well understood. In turn, this has hampered the ability to model global C budgets and to find measures to mitigate climate change. Here, based on the data from a large field survey campaign with 2600 plots across China''s forest ecosystems and a global collection of published data from forested land, we find that a low litter carbon-to-nitrogen ratio (C/N) and high wetness index (P/PET, precipitation-to-potential-evapotranspiration ratio) are the two factors that promote SOC accumulation, with only minor contributions of litter quantity and soil texture. The field survey data demonstrated that high plant diversity decreased litter C/N and thus indirectly promoted SOC accumulation by increasing the litter quality. We conclude that any changes in plant-community composition, plant-species richness and environmental factors that can reduce the litter C/N ratio, or climatic changes that increase wetness index, may promote SOC accumulation. The study provides a guideline for modeling the carbon cycle of various ecosystem scales and formulates the principle for land-based actions for mitigating the rising atmospheric CO₂ concentration.     

长期监测与野外控制试验揭示温带典型森林结构、功能及演变规律

我国温带森林生态系统是东北生态屏障的重要组成部分,不仅孕育着丰富的生物多样性,而且是我国重要的木材资源培育基地,也是我国应对气候变化的重要支撑。由于过度采伐利用,温带针阔混交林的结构和功能遭受严重影响,显著影响了区域生态安全。中国科学院长白山森林生态系统定位观测研究站(以下简称"长白山站")以揭示我国温带原始阔叶红松林的结构、功能及其演变过程为核心,开展长期综合监测和试验研究,发现了老龄林仍然具有持续碳汇能力,揭示了植被数量、大树数量以及树木水分传导率、抗栓塞能力对森林生产力具有重要影响;通过控制实验,阐明了CO_2浓度增加和氮(N)添加能够增加生态系统碳汇和碳固持能力;发现了种子结实机制和尺度在群落构建中的作用,揭示了环境过滤、扩散限制和随机稀释是阔叶红松林生物多样性形成和维持的主要机制;探索了在群落演替过程中地上—地下以及生物多样性-生产力的关系。研究成果为揭示森林生态系统碳汇及其形成与维持机制,促进温带受干扰森林生态系统结构和功能的恢复,以及构建区域生态安全等提供理论支撑。同时,长白山站与国内外科研单位、大专院校等开展合作研究;与周边林业局合作,研制和示范了森林生态系统管理决策支持系统。长白山站是我国温带重要的森林生态系统科学研究基地,也是国内产学研相结合的业务科技支撑平台和生态学、林学人才培养基地。     

大气14CO2观测：碳排放评估的新方法

我国作为碳排放大国,面临着碳达峰、碳中和（以下简称“双碳”）目标任务和国际碳减排压力。因此,准确的碳排放数据对于评估“双碳”目标和国际履约非常重要。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告推荐将二氧化碳（CO₂）观测与大气反演结合来“自上而下”地校验“自下而上”的碳排放清单,并指出加入大气¹⁴CO₂观测可以更准确地校验碳排放清单。放射性碳同位素（ ¹⁴C）是化石源CO₂最准确的示踪剂,已被国际社会广泛推荐用于碳排放评估。文章基于大气¹⁴CO₂观测的国际发展趋势和国内的紧迫状况,建议加大支持力度,建立大气¹⁴CO₂观测网络;开展培训,统一相关标准,积极参与国际交流;尽快开展¹⁴CO₂观测与大气反演相结合的研究。以此使我国的碳排放研究水平与国际接轨,并提高碳排放数据的可靠性,进而服务国家的“双碳”目标和气候外交谈判。     

中国海岸带及近海碳循环与蓝碳潜力

中国有很长的海岸线和辽阔的近海海域,生态系统丰富,有巨大的固碳、储碳潜力。由于自然过程、人类活动多重胁迫,中国海岸带和近海的碳汇过程具有显著的复杂性和不确定性。文章以蓝碳生态系统及碳汇过程为核心,围绕海岸带及近海关键碳循环过程,探讨碳源和碳汇的变化规律,分析国内外研究现状及发展趋势,提出拟解决的科学问题、未来的研究方向及应采取的研究方法和方案。     

The role of China's terrestrial carbon sequestration 2010–2060 in offsetting energy-related CO2 emissions

Energy consumption dominates annual CO₂ emissions in China. It is essential to significantly reduce CO₂ emissions from energy consumption to reach national carbon neutrality by 2060, while the role of terrestrial carbon sequestration in offsetting energy-related CO₂ emissions cannot be underestimated. Natural climate solutions (NCS), including improvements in terrestrial carbon sequestration, represent readily deployable options to offset anthropogenic greenhouse gas emissions. However, the extent to which China''s terrestrial carbon sequestration in the future, especially when target-oriented managements (TOMs) are implemented, can help to mitigate energy-related CO₂ emissions is far from certain. By synthesizing available findings and using several parameter-sparse empirical models that have been calibrated and/or fitted against contemporary measurements, we assessed China''s terrestrial carbon sequestration over 2010–2060 and its contribution to offsetting national energy-related CO₂ emissions. We show that terrestrial C sequestration in China will increase from 0.375 ± 0.056 (mean ± standard deviation) Pg C yr⁻¹ in the 2010s to 0.458 ± 0.100 Pg C yr⁻¹ under RCP2.6 and 0.493 ± 0.108 Pg C yr⁻¹ under the RCP4.5 scenario in the 2050s, when TOMs are implemented. The majority of carbon sequestration comes from forest, accounting for 67.8–71.4% of the total amount. China''s terrestrial ecosystems can offset 12.2–15.0% and 13.4–17.8% of energy-related peak CO₂ emissions in 2030 and 2060, respectively. The implementation of TOMs contributes 11.9% of the overall terrestrial carbon sequestration in the 2020s and 23.7% in the 2050s. The most likely strategy to maximize future NCS effectiveness is a full implementation of all applicable cost-effective NCS pathways in China. Our findings highlight the role of terrestrial carbon sequestration in offsetting energy-related CO₂ emissions and put forward future needs in the context of carbon neutrality.     

海洋牧场蓝色碳汇定价研究

2020年,中国将建成一批国家级海洋牧场示范区。本文重点选择海洋牧场蓝色碳汇功能,阐述了蓝色碳汇定价的理论和现实依据。在分析了影响蓝色碳汇成本收益的各个因素的基础上,提出蓝色碳汇价格的测算思路,构建蓝色碳汇成本收益定价模型。以桑沟湾特定面积海域的栉孔扇贝养殖为例,分别对用于海洋牧场生产方式得到的蓝色碳汇总净收益现值和用于其他渔业生产方式得到的总净收益现值进行计算,得出海洋牧场蓝色碳汇交易价格为253元/t。研究表明,海洋牧场蓝色碳汇有巨大的经济、生态价值,中国须构建完善的海洋牧场蓝色碳汇交易市场,以期最大限度实现海洋碳汇功能,修复水域生态环境,筑牢海洋生态安全屏障。     

基于区域碳平衡的土地利用结构调整——以河北省曲周县为例

土地利用,覆被变化对陆地生态系统碳汇有着直接的影响,土地利用结构调整是碳减排的最有效措施之一。本文基于耗能总量、土地利用现状数据和通过样点实验法所获取的相关系数,估算了曲周县碳源和碳汇量,并对区域碳平衡进行了定量分析。运用GIS叠加分析法对现状地类的碳汇适宜性进行了评价,将现状地类的碳汇适宜性分成单宜性、双宜性、多宜性和不宜四种。进而以碳平衡为目标,并考虑到社会经济和生态环境因素,进行土地利用结构调整。结果表明：2009年曲周县生态系统处于碳失衡;耕地、建设用地和其他土地是主要的调整地类,园地和林地是主要的调整方向;通过土地利用结构调整,可以使生态系统基本达到碳平衡。研究结果对于其他类似地区制定碳减排措施具有参考价值。