摘要：巖溶地區(qū)碳循環(huán)具有地表與地下雙層結(jié)構(gòu)的相互滲透、有機(jī)與無機(jī)碳循環(huán)的相耦合以及生物與非生物過程的相關(guān)聯(lián)等特征，相對(duì)于其他陸地生態(tài)系統(tǒng)更為特殊和復(fù)雜。中國(guó)西南地區(qū)是全球最大范圍的喀斯特連續(xù)出露地區(qū)，前期研究結(jié)果表明該區(qū)域的碳循環(huán)路徑與過程是基本清晰的，但巖石-土壤-植被-大氣-水不同界面間的碳通量及遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制仍然不明確，亟待開展小流域尺度碳循環(huán)各個(gè)分量的精細(xì)觀測(cè)，以及區(qū)域尺度的碳循環(huán)遙感估算和模型模擬工作。論文對(duì)西南巖溶地區(qū)碳循環(huán)觀測(cè)與模擬研究的進(jìn)展進(jìn)行了梳理，在此基礎(chǔ)上展望下一步需要重點(diǎn)開展的工作，該研究可以為評(píng)估全球氣候變化對(duì)該地區(qū)影響及制定適應(yīng)對(duì)策提供參考。

　　關(guān)鍵詞：碳循環(huán);地面觀測(cè);遙感;過程模型;西南地區(qū)

　　全球變化研究一直是當(dāng)前熱點(diǎn)問題(Piaoetal,2009;方精云等,2011)，近年來大氣中CO2濃度的上升對(duì)全球變化產(chǎn)生了重要影響，碳循環(huán)及其變化受到國(guó)際學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注，成為全球變化研究的核心問題之一(裴建國(guó)等,2012)。目前，關(guān)于碳循環(huán)研究的一個(gè)重要問題是全球大氣CO2的收支不平衡，存在一個(gè)很大的遺漏匯，約2.8PgC·a-1(Melnikovetal,2006)。目前針對(duì)遺漏碳匯的分析主要集中在海洋、植被和土壤、大氣3個(gè)碳庫(kù)的CO2循環(huán)機(jī)理上，認(rèn)為巖溶作用是長(zhǎng)時(shí)間尺度的碳循環(huán)，從而沒有考慮其吸碳的作用(裴建國(guó)等,2012)。

　　根據(jù)IGCP379報(bào)告提供的結(jié)果，中國(guó)因碳酸鹽巖的溶蝕作用可以從大氣中吸收碳0.018PgC·a-1，而全球碳酸鹽巖所產(chǎn)生的碳匯可以達(dá)到0.6PgC·a-1(劉再華,2001;蒲俊兵等,2015)。但以上估計(jì)結(jié)果存在較大的不確定性，因此對(duì)巖溶系統(tǒng)碳通量開展深入觀測(cè)、分析與研究具有十分重要的意義，對(duì)全球遺漏碳匯的分析和碳循環(huán)模型的改進(jìn)都有很好的促進(jìn)作用。對(duì)全球碳循環(huán)的系統(tǒng)研究已有幾十年的歷史，至今已取得很多重要成果，但對(duì)占整個(gè)地球陸地面積約10%的巖溶地區(qū)碳循環(huán)的研究卻在近10~20a來才逐漸受到重視(羅維均等,2014)。

　　中國(guó)西南巖溶地區(qū)是世界上連片分布面積最大、巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈的區(qū)域，通過對(duì)該地區(qū)典型巖溶生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)各個(gè)分量的精細(xì)觀測(cè)與模擬，可以為全球巖溶地區(qū)碳循環(huán)研究提供案例，這對(duì)促進(jìn)陸地碳循環(huán)研究意義重大，可為全球“遺漏匯”問題的解決作出貢獻(xiàn)(Bourgesetal,2012)。但是巖溶地區(qū)碳循環(huán)具有地表與地下雙層結(jié)構(gòu)的相互滲透、有機(jī)與無機(jī)碳循環(huán)的相耦合以及生物與非生物過程的相關(guān)聯(lián)等特征，導(dǎo)致其相對(duì)于其他陸地生態(tài)系統(tǒng)更為特殊和復(fù)雜(Yanetal,2011)。

　　土壤呼吸作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，對(duì)全球氣候變化的影響不容忽視，尤其是巖溶區(qū)土壤在巖溶動(dòng)力系統(tǒng)影響下對(duì)大氣CO2的源匯效應(yīng)(Inglimaetal,2010;Ramnarineetal,2012)。陸地表面幾乎所有變量都具有高度的時(shí)間和空間的異質(zhì)性，從而導(dǎo)致對(duì)它們觀測(cè)和模擬都存在很大的不確定性。就觀測(cè)而言，巖溶地區(qū)的碳通量觀測(cè)相對(duì)于其他區(qū)域還顯得十分不足，特別是對(duì)地表與地下雙層結(jié)構(gòu)的碳循環(huán)通量精細(xì)的觀測(cè)亟待加強(qiáng)。

　　從模型方面而言，現(xiàn)有的生態(tài)模型和碳循環(huán)模型通常都包含了許多先驗(yàn)假設(shè)的復(fù)雜的模型參數(shù)化方案和相當(dāng)多的參數(shù)，這些模型對(duì)地表過程的模擬精度依然不足。這一方面固然源于現(xiàn)有的模型還遠(yuǎn)未臻完美，各種物理過程的認(rèn)識(shí)和參數(shù)化方案還有待改進(jìn);另一方面也是因?yàn)橛^測(cè)的局限性導(dǎo)致很難確定某一特定地區(qū)(例如西南巖溶地區(qū))陸面狀況的初始值和水、熱、植物生理參數(shù)值(李新等,2010)。

　　這些觀測(cè)和模擬的不確定性也導(dǎo)致了對(duì)喀斯特地區(qū)碳平衡估算存在較大的不確定性。為了更精確地表達(dá)西南巖溶地區(qū)碳循環(huán)過程的動(dòng)態(tài)演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域碳循環(huán)的高精度估計(jì)，就必須嘗試新的思路，綜合多源信息(例如地面的精細(xì)觀測(cè)和遙感高精度估計(jì)),并應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)方法去應(yīng)對(duì)復(fù)雜性、不確定性和尺度轉(zhuǎn)換等相互交織的問題(Li,2014)。

　　1研究進(jìn)展

　　1.1碳通量觀測(cè)

　　針對(duì)巖溶地區(qū)開展碳循環(huán)的深入研究，首先要獲取精細(xì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)(Yuan,1997)。對(duì)表層巖溶系統(tǒng)的碳匯定位觀測(cè)主要包括標(biāo)準(zhǔn)溶蝕片和水化學(xué)法。標(biāo)準(zhǔn)溶蝕片是在標(biāo)準(zhǔn)的石灰?guī)r試片或者樣點(diǎn)巖石上開展溶蝕速率的觀測(cè)，建立溶蝕速率模型(Yuan,1997)。水化學(xué)法則是通過測(cè)量泉口或地下河出口流水所攜帶的溶質(zhì)濃度和徑流量，計(jì)算出水流所攜帶的各種離子總量，再根據(jù)流域內(nèi)巖石分布推算不同巖石的風(fēng)化速度(Liuetal,2006)。

　　對(duì)于土壤呼吸的監(jiān)測(cè)方法主要有微氣象法和氣室法，兩者分別適用于大尺度流域范圍和小尺度樣點(diǎn)的土壤呼吸測(cè)定(Zhangetal,2014)。巖溶地區(qū)普遍發(fā)育洞穴、管道、孔隙-裂隙等地下空間，容易形成“煙囪效應(yīng)”，其CO2濃度受洞內(nèi)外溫度差和氣壓差影響很大，產(chǎn)生不同時(shí)間尺度上的變化，需要開展精細(xì)的觀測(cè)(Sherwinetal,2011)。

　　開展巖溶地區(qū)系統(tǒng)的碳循環(huán)研究還需要渦度相關(guān)和同位素示蹤技術(shù)相結(jié)合，并有全球聯(lián)網(wǎng)研究的必要性(Yanetal,2011)。同位素技術(shù)可以對(duì)水體、土壤和植被中的碳源進(jìn)行示蹤(Florea,2013)，而渦度相關(guān)方法可獲取區(qū)域范圍內(nèi)的碳通量總體特征(Gouldenetal,1996)。洞穴-土壤-植被-大氣-水五位一體的同步監(jiān)測(cè)以及渦度相關(guān)-穩(wěn)定同位素等技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用將是巖溶地區(qū)精細(xì)觀測(cè)的發(fā)展方向(王世杰等,2017)。

　　在巖溶地區(qū)通過渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)開展碳通量觀測(cè)相對(duì)較少，在斯洛文尼亞巖溶地區(qū)分別針對(duì)草地和次生演替樹/灌叢地開展了渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的碳通量測(cè)量，前者為碳源(353±72gC·m-2·a-1)，后者為碳匯(-126±14gC·m-2·a-1)(Ferlanetal,2011)。近期，中國(guó)也在西南巖溶地區(qū)布設(shè)了大量渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)通量觀測(cè)站，例如中國(guó)科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站、中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站和重慶市金佛山喀斯特生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)研究站，分別對(duì)亞熱帶濕潤(rùn)退耕次生林、中亞熱帶常綠闊葉林、馬尾松林等開展野外觀測(cè)研究。

　　但相對(duì)國(guó)內(nèi)其他區(qū)域，西南巖溶地區(qū)的通量觀測(cè)還亟待加強(qiáng)。在西南巖溶地區(qū)部分站點(diǎn)稀疏地區(qū)增加通量觀測(cè)，同時(shí)考慮站點(diǎn)布置下墊面類型的代表性，并和已有站點(diǎn)(森林)協(xié)同，可以增強(qiáng)碳通量觀測(cè)資料在區(qū)域尺度上的代表性。巖溶地區(qū)的區(qū)域碳循環(huán)估計(jì)是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。在貴州普定后寨河流域開展的水文水化學(xué)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，該流域的碳酸鹽巖溶蝕和風(fēng)化過程可以從大氣中吸存的碳平均為20.7g·m-2·a-1。

　　基于此觀測(cè)結(jié)果進(jìn)而估算出了中國(guó)西南區(qū)域和全國(guó)陸地碳酸鹽巖溶蝕和風(fēng)化過程可以從大氣中吸存的碳為12TgC·a-1，這個(gè)量接近于同期57%的中國(guó)森林碳凈積累量，并呈現(xiàn)出了增加趨勢(shì)(Yanetal,2011)。通過標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法研究流域尺度巖溶作用強(qiáng)度及其碳匯效應(yīng)，對(duì)比不同土地利用類型條件下巖溶作用的強(qiáng)度及其差異，數(shù)據(jù)表明原始森林產(chǎn)生的巖溶碳匯最大，其次是草地、林地、灌叢和耕地(Zhang,2011)。這種監(jiān)測(cè)方法是通過單點(diǎn)的觀測(cè)來擬定參數(shù)后推廣到區(qū)域尺度，由于西南地區(qū)地形、地貌、地質(zhì)背景較為復(fù)雜，該結(jié)果仍存在較大不確定性。

　　1.2區(qū)域尺度碳通量估算與驗(yàn)證

　　遙感技術(shù)由于可重復(fù)獲取大范圍的碳循環(huán)相關(guān)的重要過程變量，為區(qū)域尺度的碳循環(huán)提供高時(shí)空分辨率的估計(jì)結(jié)果(Gamonetal,2004)。區(qū)域尺度碳通量的估算方法主要包括基于遙感資料的光能利用效率模型、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的尺度擴(kuò)展方法、基于過程的生態(tài)系統(tǒng)模型。由于遙感可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域尺度的植被狀態(tài)，在區(qū)域尺度碳通量估算中起著非常重要的作用。光能利用率模型來是利用遙感數(shù)據(jù)估算碳通量的方法中最為廣泛應(yīng)用的方法之一(Hilkeretal,2008)。

　　目前應(yīng)用最為廣泛的GPP數(shù)據(jù)產(chǎn)品是NASA發(fā)布的利用MODIS數(shù)據(jù)估算全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力產(chǎn)品(MOD17A2)，這個(gè)產(chǎn)品是根據(jù)MODIS-PSN模型估算的(Runningetal,2000)。在中國(guó)只有少數(shù)幾個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證，表明該產(chǎn)品明顯低于渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)結(jié)果(Wuetal,2008;Zhangetal,2008;Heetal,2010;Wangetal,2013)。

　　在西南巖溶地區(qū)，受通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的限制，類似研究還較少，因此對(duì)該區(qū)域的遙感碳通量產(chǎn)品的驗(yàn)證與改進(jìn)對(duì)區(qū)域碳循環(huán)的準(zhǔn)確估算非常重要，有必要利用實(shí)測(cè)的碳通量數(shù)據(jù)對(duì)光能利用率模型的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，然后用其可以較為準(zhǔn)確的估算巖溶區(qū)域植被的碳通量，并利用實(shí)測(cè)的碳通量數(shù)據(jù)對(duì)遙感碳通量產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證(Wangetal,2013)。

　　基于生態(tài)過程的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)與氣候、大氣和人類活動(dòng)之間關(guān)系的重要工具之一，它可以模擬生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)(Medvigyetal,2009)。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型以碳元素在生態(tài)系統(tǒng)中的傳輸過程為主線，考慮植被的光合作用、凋落分解、土壤呼吸等過程，對(duì)碳循環(huán)過程進(jìn)行不同復(fù)雜程度的描述(Peng,2000)。

　　根據(jù)模型側(cè)重考慮的生態(tài)過程類型，將碳循環(huán)過程模擬模型大致分為3類，即地球化學(xué)過程模型、生物過程模型和陸面物理過程模型(謝馨瑤等,2018)，其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺陷不同。在區(qū)域尺度上廣泛應(yīng)用的碳循環(huán)模型主要有Biome-BGC(Thorntonetal,2002)、CENTURY(Partonetal,1993)、LPJ(Sitchetal,2003)、IBIS(Kuchariketal,2000)等。

　　生態(tài)系統(tǒng)模型往往包含了大量參數(shù)，這些參數(shù)不僅存在很大的不確定性，而且隨著空間或者時(shí)間發(fā)生變化，然而在區(qū)域尺度上應(yīng)用模型的時(shí)候的往往很難獲取合適的模型參數(shù)，因此需要利用模型數(shù)據(jù)融合方法，對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。模型數(shù)據(jù)融合方法就是通過優(yōu)化模型參數(shù)或狀態(tài)，從而提高模型模擬生態(tài)系統(tǒng)功能和過程的性能(Wangetal,2009;Xiaoetal,2014)。碳循環(huán)方面的模型數(shù)據(jù)融合研究在近10a來大量的涌現(xiàn)(Braswelletal,2005;Xuetal,2006;Wangetal,2009;Xiaoetal,2014)。

　　通過模型數(shù)據(jù)融合方法將過程模型和多源觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合到一起，可以提高巖溶區(qū)域碳循環(huán)的模擬精度，將有助于深入認(rèn)識(shí)巖溶區(qū)域碳循環(huán)的機(jī)理。例如利用包括蒙特卡洛-馬爾可夫鏈(MonteCarloMarkovChain,MCMC)和卡爾曼濾波在內(nèi)的方法融合觀測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化模型的不確定參數(shù)從而提高模型精度。此外，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是植被與氣候環(huán)境綜合作用確定的過程。在眾多氣候要素中，特別是太陽(yáng)輻射，作為地球表層物理、化學(xué)和生物過程的主要能量來源，也是生物地球化學(xué)循環(huán)模擬及動(dòng)態(tài)全球植被模型的關(guān)鍵參數(shù)(Frolkingetal,1998;VanLaakeetal,2005;董泰鋒等,2011)。

　　當(dāng)前，碳循環(huán)區(qū)域估算模型所需要的光合有效輻射(PAR)主要是利用站點(diǎn)氣象資料參數(shù)化進(jìn)行空間插值獲取，事實(shí)上隨著對(duì)生態(tài)系統(tǒng)模型的研究深入，當(dāng)前方法已經(jīng)無法滿足研究者對(duì)空間精度的要求，尤其是在氣象條件復(fù)雜的西南地區(qū)。目前，國(guó)際上尚缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列的PAR數(shù)據(jù)，間接地限制了碳循環(huán)遙感模型的精度，因此如何借助于遙感數(shù)據(jù)獲取長(zhǎng)期的PAR時(shí)空動(dòng)態(tài)也是當(dāng)前全球變化領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

　　中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸量具有明顯的空間異質(zhì)性特征，其分布特征與降水和溫度有很大相關(guān)性，西北干旱半干旱區(qū)與青藏高原區(qū)的土壤呼吸量較低，西南地區(qū)最高，土壤呼吸量與土壤有機(jī)碳也有一定的關(guān)系，例如中國(guó)的東北地區(qū)。已有研究表明全球土壤碳庫(kù)約為1220~1576PgC(Tarnocaietal,2009)，中國(guó)約為89PgC(于東升等,2005)。

　　土壤呼吸過程產(chǎn)生的CO2包括土壤有機(jī)碳的微生物分解和植物的根系呼吸作用，從生態(tài)層面來說降水是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的過程的關(guān)鍵性因素。從生態(tài)系統(tǒng)層面來說，土壤呼吸的年際間變異與降水關(guān)系也在某種程度上驗(yàn)證了生態(tài)學(xué)中的經(jīng)典理論—降水是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的關(guān)鍵因素(Mcculleyetal,2005)。

　　Yang等(2012)觀測(cè)表明喀斯特泉水水化學(xué)的季節(jié)動(dòng)態(tài)、日動(dòng)態(tài)以及暴雨動(dòng)態(tài)對(duì)土壤CO2變化始終表現(xiàn)出很好的響應(yīng)，響應(yīng)的時(shí)間間隔主要取決于地下水的補(bǔ)給模式。長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，全球變暖和土地利用變化均可通過增加土壤CO2含量導(dǎo)致巖石風(fēng)化碳匯增加(劉再華,2012)。在流域面積和巖性固定的情況下，巖石風(fēng)化碳匯的強(qiáng)度將取決于氣候(Hagedornetal,2009)、土地利用和覆蓋的變化(Zhaoetal,2010)等環(huán)境和人為因素。

　　近年來，有關(guān)團(tuán)隊(duì)針對(duì)西南巖溶地區(qū)植被碳循環(huán)監(jiān)測(cè)與模擬開展了一些研究工作，得出的結(jié)論主要體現(xiàn)在該區(qū)域的植被覆蓋普遍存在顯著改善的趨勢(shì)。在人類活動(dòng)方面，植被退化現(xiàn)象受人類活動(dòng)的影響較大，而人類活動(dòng)對(duì)植被改善影響較小，植被改善主要與植物的自然生長(zhǎng)演替有關(guān)(任揚(yáng)航等,2016)。

　　基于LPJ-GUESS模型和長(zhǎng)時(shí)間序列遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)展了大區(qū)域尺度生態(tài)工程成效識(shí)別與厘定方法，結(jié)果表明西南喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)演變特征與生態(tài)工程的實(shí)施具有較好的一致性，生態(tài)工程背景下西南喀斯特地區(qū)可能有巨大的固碳潛力(Tongetal,2018)。但一些過度追求經(jīng)濟(jì)利益的礦產(chǎn)開發(fā)和不合理的耕種與管理模式，導(dǎo)致一些地區(qū)的石漠化仍存在擴(kuò)大趨勢(shì)(Yangetal,2017)。

　　1.3碳循環(huán)特征及環(huán)境因子分析

　　大氣CO2濃度的季節(jié)和年際波動(dòng)是大氣與全球陸地生態(tài)系統(tǒng)之間碳交換的變化造成的。生態(tài)系統(tǒng)碳通量的年際變化現(xiàn)象廣泛存在于各種陸地生態(tài)系統(tǒng)中，其變化原因主要包括：氣候、生理過程、物候、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和干擾等因素(Huietal,2003;Richardsonetal,2007;Marcollaetal,2011)。

　　巖溶過程相關(guān)的碳循環(huán)，作為全球碳循環(huán)的重要組成部分，顯著地影響著全球碳平衡(Yuan,1997;Liuetal,2010)，然而，以往在全球碳循環(huán)研究中把地質(zhì)作用作為一種中長(zhǎng)時(shí)間尺度的作用而存在，因而巖溶作用被忽視(袁道先,1999)。當(dāng)前對(duì)巖溶地質(zhì)碳匯效應(yīng)對(duì)全球碳匯的重要作用逐漸得到重視。對(duì)巖溶區(qū)由于溶蝕作用而產(chǎn)生的碳匯主要根據(jù)石灰?guī)r溶蝕試片法、水化學(xué)法和擴(kuò)散邊界層理論(DBL)等方法估算(袁道先等,2016)。

　　目前，國(guó)內(nèi)外已有眾多關(guān)于巖溶作用碳效應(yīng)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究，然而，當(dāng)前關(guān)于巖溶作用對(duì)全球碳收支的貢獻(xiàn)大小估算研究尚缺乏統(tǒng)一的定論(Jiangetal,1999;Philippe,2002;Yuanetal,2002;Caoetal,2012)。

　　2研究展望

　　從前面的分析可以看出，巖溶地區(qū)的碳循環(huán)具有很強(qiáng)的區(qū)域特色，其碳通量的組成和交換過程相對(duì)于其他區(qū)域存在更大的不確定性，以中國(guó)西南為例，碳循環(huán)的觀測(cè)與研究工作都還相對(duì)薄弱，亟待加強(qiáng)(王世杰等,2017)。針對(duì)中國(guó)西南地區(qū)巖溶地區(qū)的碳循環(huán)問題，需要在以下方面開展相關(guān)工作。

　　2.1典型小流域碳水通量精細(xì)觀測(cè)

　　選擇西南地區(qū)典型的巖溶小流域，構(gòu)建洞穴-土壤-植被-大氣-水五位一體、衛(wèi)星-地表-地下三維立體多尺度嵌套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巖溶地區(qū)碳循環(huán)各個(gè)分量及與之緊密相關(guān)的陸表參數(shù)的精細(xì)觀測(cè)。衛(wèi)星觀測(cè)方面，針對(duì)西南地區(qū)多云多霧的特點(diǎn)，基于可見光、紅外和微波多波段、極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星的多源衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲取更高頻次的對(duì)地有效觀測(cè)。

　　針對(duì)地表觀測(cè)，利用大孔徑閃爍儀(LargeApertureScintillometer,LAS)和微波閃爍儀獲取公里級(jí)尺度上的蒸散發(fā)觀測(cè)結(jié)果，利用渦動(dòng)相關(guān)儀(Eddycovariance,EC)獲取百米級(jí)尺度上的碳水通量觀測(cè)結(jié)果，利用區(qū)域土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)(COsmic-raySoilMoistureObservingSystem,COSMOS)獲得百米級(jí)尺度上的土壤水分觀測(cè)結(jié)果，利用自動(dòng)氣象站(AutomaticWeatherStation,AWS)獲取風(fēng)溫濕壓、輻射、降水等要素的觀測(cè)結(jié)果，利用多通道土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取土壤CO2持續(xù)觀測(cè)結(jié)果，應(yīng)實(shí)現(xiàn)土壤呼吸與氣候因子、植被因子和土壤因子的同步監(jiān)測(cè)，闡明多因子交互影響土壤呼吸的機(jī)制。

　　在閃爍儀觀測(cè)源區(qū)內(nèi)布設(shè)葉面積指數(shù)和土壤水分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)節(jié)點(diǎn)，用于獲取源區(qū)關(guān)鍵陸表參量的空間異質(zhì)性分布的特征。以上的多尺度觀測(cè)可與遙感的像元尺度或模型的網(wǎng)格尺度相匹配，用于支持西南巖溶地區(qū)區(qū)域遙感反演算法發(fā)展和生態(tài)過程、陸表過程模型的參數(shù)擬定，并對(duì)遙感估算和模型模擬結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

　　針對(duì)地下的洞穴和地下河開展觀測(cè)，利用CO2濃度監(jiān)測(cè)儀獲取洞穴內(nèi)CO2濃度變化情況，并同時(shí)獲取洞穴內(nèi)溫濕度和氣壓等參數(shù)。在地下河不同段觀測(cè)地下水位的變化，在地下河出口建立永久性標(biāo)準(zhǔn)堰測(cè)斷面，獲取最終的出口出水量監(jiān)測(cè)結(jié)果。可以利用同位素方式對(duì)EC觀測(cè)的CO2通量進(jìn)行分離，特別是獲得洞穴CO2通量和溶蝕量在整個(gè)通量中所占的比例，為進(jìn)一步開展巖溶地區(qū)碳循環(huán)分析和模擬奠定基礎(chǔ)。

　　2.2巖溶地區(qū)碳循環(huán)特征及敏感性分析

　　在對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和處理分析的基礎(chǔ)上，觀測(cè)和估算得到巖溶生態(tài)系統(tǒng)的各碳通量組分，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的相關(guān)生態(tài)參量，了解巖溶生態(tài)系統(tǒng)碳收支的基本特征。分析西南地區(qū)表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的各個(gè)分量日變化、季節(jié)變化和年際變化特征。

　　同時(shí)，利用統(tǒng)計(jì)分析方法，分析巖溶生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)特征與降雨、氣溫、土壤含水量、土地利用方式、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)等環(huán)境要素之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)巖溶地區(qū)碳循環(huán)特征的環(huán)境響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行分析，特別是分析巖溶地區(qū)獨(dú)特水文對(duì)碳循環(huán)的影響。此外，西南地區(qū)愈見頻繁的洪澇和旱災(zāi)事件說明當(dāng)?shù)匕l(fā)生極端氣候的風(fēng)險(xiǎn)逐漸升高，亟待加強(qiáng)預(yù)測(cè)未來情景下該類事件對(duì)巖溶地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)的影響范圍與程度。

　　2.3巖溶地區(qū)碳循環(huán)產(chǎn)品驗(yàn)證與改進(jìn)

　　利用渦動(dòng)相關(guān)獲得的GPP和實(shí)地觀測(cè)的NPP，基于Footprint模型和高分辨率遙感影像(如Landsat影像)，采用參數(shù)標(biāo)定方法，對(duì)光能利用率模型(如MODISGPP/NPP算法)的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。然后利用標(biāo)定后的模型獲得高分辨率的GPP和NPP數(shù)據(jù)，將高分辨率的GPP/NPP數(shù)據(jù)尺度上推到衛(wèi)星像元尺度(例如1km)，進(jìn)而對(duì)遙感估算的GPP/NPP產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，分析誤差來源，改進(jìn)遙感GPP/NPP產(chǎn)品，最后獲取區(qū)域尺度上精度更高的GPP/NPP產(chǎn)品。

　　基于超光譜數(shù)據(jù)還可以提取對(duì)植被光合作用相當(dāng)敏感的葉綠素?zé)晒庑畔ⅲ�其�?qiáng)度可以直接用來評(píng)價(jià)陸地植被GPP。上述技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)不容忽視的前沿性科技領(lǐng)域，2016年12月中國(guó)成為繼日本、美國(guó)之后第3個(gè)成功發(fā)射CO2監(jiān)測(cè)衛(wèi)星(TanSat)的國(guó)家，對(duì)深入理解全球碳循環(huán)過程及其對(duì)氣候變化的影響，提升中國(guó)在國(guó)際氣候變化的話語(yǔ)權(quán)和主動(dòng)權(quán)具有重要意義。

　　2.4巖溶地區(qū)碳循環(huán)模擬

　　為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)巖溶地區(qū)碳循環(huán)的機(jī)理，需要對(duì)傳統(tǒng)的碳循環(huán)模型(如Biome-BGC)進(jìn)行改進(jìn)，使其可以模擬巖溶地區(qū)的碳循環(huán)過程。碳循環(huán)模型主要模擬碳、氮、水分在植被-土壤-大氣之間的交換過程。該模型包含植被的光合、呼吸、光合產(chǎn)物分配、蒸騰、截流、凋落、凋落物和微生物的分解等過程。

　　模型輸入文件主要有氣象資料文件(包括了溫度、輻射、降雨等驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù));植被參數(shù)文件(包括了植被的物候參數(shù)、光合途徑、根葉比、比葉面積、各組織的碳氮比、各組織間的分配比例、冠層截流系數(shù)、最大氣孔導(dǎo)度、葉片表面導(dǎo)度、邊界層導(dǎo)度等);模型配置文件(包括模型模擬的配置信息和模擬站點(diǎn)的參數(shù)，如土壤深度、土壤質(zhì)地、氮沉降速率等)。

　　在巖溶地區(qū)，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)輸入是要充分考慮大量裂隙導(dǎo)致降水大量滲漏到地下河，導(dǎo)致支撐植物生長(zhǎng)的有效降水十分有限，模型輸入的降水應(yīng)該是這部分有效降水。另外就是巖溶地區(qū)的地面破碎度高，空間異質(zhì)性大，很難獲取高精度的模型參數(shù)。可以以集合卡爾曼濾波和不確定性理論為基礎(chǔ)，集成多源遙感產(chǎn)品，優(yōu)化模型參數(shù)，提高數(shù)值模型對(duì)碳循環(huán)過程的模擬精度。

　　參考文獻(xiàn)(References)

　　董泰鋒,蒙繼華,吳炳方,等.2011.光合有效輻射(PAR)估算的研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展,30(9):1125-1134.

　　[DongTF,MengJH,WuBF,etal.2011.Overviewontheestimationofphotosyntheticallyactiveradiation.ProgressinGeography,30(9):1125-1134.]

　　方精云,朱江玲,王少鵬,等.2011.全球變暖、碳排放及不確定性[J].中國(guó)科學(xué)(地球科學(xué)),41(10):1385-1395.

　　[FangJY,ZhuJL,WangSP,etal.2011.Globalwarming,hunman-inducedcarbonemmissions,andtheiruncertainties.ScienceChina(EarthSciences),41(10):1385-1395.]

　　李新,擺玉龍.2010.順序數(shù)據(jù)同化的Bayes濾波框架[J].

　　地球科學(xué)進(jìn)展,25(5):515-522.[LiX,BaiYL.2010.ABayesianfilterframeworkforsequentialdataassimilation.AdvancesinEarthScience,25(5):515-522.]

　　劉再華.2001.一種特殊的碳酸鹽沉積及其環(huán)境意義:“貴州烏江渡水電站灌漿帷幕老化問題的研究”中的發(fā)現(xiàn)[J].

　　地學(xué)前緣,8(1):197-201.[LiuZH.2001.Aspecialkindofcarbonatedepositanditsenvironmentalsignificancefindingsfromthestudy"ontheagingofcement-groutingcurtainsatWujiangduhydropowerstationofGuizhou".EarthScienceFrontiers,8(1):197-201.]

　　地質(zhì)方向期刊推薦：《地學(xué)前緣》是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)與北京大學(xué)合辦的國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的主題性學(xué)術(shù)期刊(雙月刊)，發(fā)表國(guó)內(nèi)外地學(xué)前緣成果、發(fā)展態(tài)勢(shì)的學(xué)術(shù)論文，是集綜述信息和前緣成果為一體的地學(xué)期刊。