国家自然基金标书-典型流域陆地生态系统-大气碳氮气体交换关键过程、规律与调控原理.DocVIP

项目名称： 典型流域陆地生态系统-大气碳氮气体交换关键过程、规律与调控原理 首席科学家： 郑循华 中国科学院大气物理研究所 起止年限： 2012.1-2016.8 依托部门： 中国科学院 一、关键科学问题及研究内容 (一) 关键科学问题 本项目拟选择代表长江流域五个不同区域特点的典型小流域为对象，通过开展联网观测、野外因子控制试验、过程机理模拟试验、模型构建与流域尺度模拟紧密结合的研究，拟解决如下关键科学问题： 1、五种气体（CO2、CH4、N2O、NH3、NO）排放和氮流失的相互关系与机制？ 五种碳氮气体地气交换与氮流失的相互关系总体上分为三类：协同关系，包括线性和非线性协同关系；消长关系，包括线性和非线性消长关系；随机关系（图4）。对这些相互关系的表现形式、形成条件与发生机制的深刻认识，是因地制宜地制定流域碳氮综合调控对策的理论基础。然而，目前对这些问题的认识还比较粗浅，远不能满足制定流域碳氮多目标综合调控对策的需要。为此，本项目拟面向长江流域，以五个典型小流域的不同生态系统类型系列为对象，通过多种碳氮气体地气交换和氮流失的联网观测、原位联网控制试验和过程机理模拟试验，重点研究以下三个子问题： 多种气体地气交换之间及其与氮流失之间相互关系的表现形式； 形成三类相互关系的自然和人为管理条件； 在不同条件下发生各类相互关系的物理、化学、生物学机制。 图4 陆地生态系统碳氮气体净排放与氮流失间的三类关系示意图 2、如何实现对流域碳氮循环耦合过程的系统完整定量刻画？ 由有机质矿化分解、发酵、硝化、反硝化、铵态氮和硝态氮的微生物固定、生物固氮、大气氮沉降、植物对铵态氮和硝态氮的吸收、植物光合与呼吸、农林牧副渔产品输出、人为管理影响等过程通过特定秩序的相互作用交织在一起，就构成了复杂的陆地碳氮循环耦合系统（图5）。各种碳氮气体（CO2、CH4、N2O、NO、NH3等）的排放和氮随水流失都是发生在这个系统中有机质矿化-硝化-反硝化反应链上的关键过程。此外，这个系统中的植物光合和呼吸还是陆-气CO2交换的关键过程。如何在不同时间尺度（日、周、月、季、周年、年代）和空间尺度（地块、生态系统、流域）上系统定量刻画上述过程，正是当前碳氮循环研究领域亟待解决的前沿关键科学问题。本项目将以代表长江流域上中下游不同区域特点的五个典型小流域为例，研究如何对不同时空尺度的流域碳氮循环耦合过程进行系统完整定量刻画，重点解决以下三个子问题： 复杂碳氮循环系统中各关键碳氮耦合过程的合理定量表达； 碳氮迁移转化过程关键参数的可靠性； 耦合过程定量表达方案和关键参数取值的尺度效应。 图5流域碳氮循环耦合过程示意图 （箭头指示碳氮流向） 3、如何筛选流域碳氮优化管理方案？ 生态系统的水碳氮管理、土地利用方式转变和畜牧业有机废弃物管理等，都是人类活动调控流域生态系统的碳氮气体净排放、氮流失和生产力的着力“手柄”（图6）。但其中每一类陆地生态系统管理措施都包含着多种多样的具体管理方式。制定流域碳氮优化管理方案的过程，就是在流域尺度上从各类管理措施中筛选出符合条件的具体管理方式。要实现这个过程，必须以流域多目标综合调控原理为理论基础，以符合“多赢”效应最大化原则指标体系作为判据，以依靠流域碳氮循环耦合过程模型的决策支持系统为技术支撑平台。但多目标调控效应评价方法与指标体系及决策支持系统的建立，正是当前碳氮循环研究领域前沿亟待解决的关键科学问题。本项目拟以代表长江流域不同区域特点的五个典型小流域为对象，研究流域碳氮多目标综合调控应遵循的基本原理、调控效应评价方法和指标体系，以及决策支持技术平台，重点解决以下三个子问题： 多来源数据与流域碳氮循环耦合过程模型的有效融合； 表征流域温室气体排放和氮污染物排放协同削减效应的指标体系； 对流域碳氮管理中“多赢”效应形成条件的识别。 图6流域碳氮多目标综合调控示意图 (二) 研究内容 1、流域典型陆地生态系统-大气碳氮气体交换的时空变异规律与主控因素 依托中国生态系统研究网络和项目承担单位的野外台站，选择五个代表长江流域不同区域特点的典型小流域，针对五个典型流域生态系统类型系列开展多种碳氮气体（CO2、CH4、N2O、NO、NH3）交换及相关环境要素的同步联网观测，重点研究： 气体通量的时间变化与空间分异特征; 气体交换对径流氮迁移和活跃氮排放-沉降过程的响应; 自然环境条件的驱动效应与机制。 2、管理措施对生态系统-大气碳氮气体交换和氮流失的影响效应与机制 在管理活动非常强烈的长江上中下游典型小流域，选定具有区域代表性的典型生态系统类型，对重要管理措施（包括生态系统水碳氮管理、土地利用方式转变、畜牧业有机废弃物管理）开展野外联网因子控制试验，重点研究： 管理措施对多种气体地气交换的影响； 管理措施对气体交换与氮流失关联性的