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陆地生态系统碳平衡是全球变化科学中的核心问题之一。近几十年来,人们在全球各地测定了不同生态系统的碳收支,为全球陆地生态系统碳平衡的整合分析积累了大量数据。但大部分研究以涡度相关观测数据为基础,而用碳通量实测方法的观测研究则较少涉及。本文通过收集已发表文献中用实测方法观测的碳平衡数据,建立全球陆地生态系统碳平衡数据库,以进行基于样地实测的全球碳平衡整合分析。数据库共包含83篇文献中全球268个样地,319个样地/年的多个碳平衡参数实测值。通过分析得到以下4点主要结果:
(1)在所有样点中,平均生物量碳库为59.6 Mg C ha-1,土壤碳库为77.6 Mg Cha-1,生态系统总碳密度为184.4 Mg C ha-1。生态系统净生产力(NEP)的数值亚热带森林＞温带阔叶林＞温带针叶林＞热带森林＞北方森林。全球陆地生态系统的平均NEP为2.1 Mg C ha-1yr-1,总初级生产力(GPP)为16.9 Mg C ha-1yr-1,净初级生产力(NPP)为6.7Mg C ha-1yr-1,平均土壤呼吸速率为9.1Mg C ha-1yr-1,异养呼吸速率(Rh)4.5Mg C ha-1yr-1,自养呼吸速率(Re)8.6Mg C ha-1yr-1。
NPP、GPP、Rh和Re均随纬度的升高而减小,NEP随纬度有先增大后减小的趋势,中纬度地区NEP存在很大变异。全球陆地生态系统各主要碳库随温度降水的变化不明显,各样点的NPP、GPP、Rh和Re则随年均温的升高而增大,随年降雨的增大有先增大后减小的趋势。NEP的最大值出现在年均温和年降水都适中的区域。生物因素也是影响碳平衡参数的重要因子,如树高可以用来指示生态系统生物量碳库和总碳库的大小,而LAI则与生态系统的NPP、NEP都有显著的关联。林龄是决定森林碳循环过程的重要因素,随着林龄的增长,各主要碳库和碳通量有不同的变化规律,中龄林的NEP最大。
(2)生物量碳库和土壤碳库对生态系统的自养呼吸和异养呼吸有一定的影响。生态系统的生产力和呼吸之间存在明显的相关性。NPF、Rh、NEP三者之间的关系在天然林和人工林当中有明显差异。天然林当中Rh随NPP指数上升,其关系曲线反映了样地的碳平衡状况,说明天然林的NEP随着NPP的增加有先增大后减小的趋势。在人工林当中,NEP随着NPP线性上升。林龄对生态系统的碳利用效率(CUE,NPP/GPP)有显著影响,但NEP/NPP则在不同林龄阶段没有显著差异。
(3)对应样点上实测方法和涡度相关方法获得的NEP数值有很好的相关性,但当NEP在0-5 Mg C ha-1yr-1时存在较大变异。本文建立的实测数据库与Luyssaert2007数据库中的涡度相关数据对比,发现涡度相关数据频度分布的最大值出现在2.3 Mg C ha-1yr-1之间,大于本文收集的实测数据。各生态系统类型平均值的对比也说明涡度相关数据中的NEP普遍较大,而GPP、Re数据则小于本文收集的实测数据。
(4)利用天然林NPP与Rh之间的关系,建立基于NPP的全球陆地生态系统潜在NEP的估算模型。根据全球气候数据和改进的生产力Miami模型估算NPP,进而推算全球陆地生态系统潜在NEP的分布。全球森林的平均NEP为2.17 Mg C ha-1yr-1,总NEP为4.78 Pg Cyr-1,其中常绿阔叶林的碳汇能力最大。全球陆地生态系统的平均NEP为0.67 Mg C haqyr-1,总NEP为9.64Pg Cyr-1。