摘要：巖溶地區碳循環具有地表與地下雙層結構的相互滲透、有機與無機碳循環的相耦合以及生物與非生物過程的相關聯等特征，相對于其他陸地生態系統更為特殊和復雜。中國西南地區是全球最大范圍的喀斯特連續出露地區，前期研究結果表明該區域的碳循環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化機制仍然不明確，亟待開展小流域尺度碳循環各個分量的精細觀測，以及區域尺度的碳循環遙感估算和模型模擬工作。論文對西南巖溶地區碳循環觀測與模擬研究的進展進行了梳理，在此基礎上展望下一步需要重點開展的工作，該研究可以為評估全球氣候變化對該地區影響及制定適應對策提供參考。

　　關鍵詞：碳循環;地面觀測;遙感;過程模型;西南地區

　　全球變化研究一直是當前熱點問題(Piaoetal,2009;方精云等,2011)，近年來大氣中CO2濃度的上升對全球變化產生了重要影響，碳循環及其變化受到國際學術界廣泛的關注，成為全球變化研究的核心問題之一(裴建國等,2012)。目前，關于碳循環研究的一個重要問題是全球大氣CO2的收支不平衡，存在一個很大的遺漏匯，約2.8PgC·a-1(Melnikovetal,2006)。目前針對遺漏碳匯的分析主要集中在海洋、植被和土壤、大氣3個碳庫的CO2循環機理上，認為巖溶作用是長時間尺度的碳循環，從而沒有考慮其吸碳的作用(裴建國等,2012)。

　　根據IGCP379報告提供的結果，中國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生的碳匯可以達到0.6PgC·a-1(劉再華,2001;蒲俊兵等,2015)。但以上估計結果存在較大的不確定性，因此對巖溶系統碳通量開展深入觀測、分析與研究具有十分重要的意義，對全球遺漏碳匯的分析和碳循環模型的改進都有很好的促進作用。對全球碳循環的系統研究已有幾十年的歷史，至今已取得很多重要成果，但對占整個地球陸地面積約10%的巖溶地區碳循環的研究卻在近10~20a來才逐漸受到重視(羅維均等,2014)。

　　中國西南巖溶地區是世界上連片分布面積最大、巖溶發育最強烈的區域，通過對該地區典型巖溶生態系統碳循環各個分量的精細觀測與模擬，可以為全球巖溶地區碳循環研究提供案例，這對促進陸地碳循環研究意義重大，可為全球“遺漏匯”問題的解決作出貢獻(Bourgesetal,2012)。但是巖溶地區碳循環具有地表與地下雙層結構的相互滲透、有機與無機碳循環的相耦合以及生物與非生物過程的相關聯等特征，導致其相對于其他陸地生態系統更為特殊和復雜(Yanetal,2011)。

　　土壤呼吸作為陸地生態系統碳循環的重要組成部分，對全球氣候變化的影響不容忽視，尤其是巖溶區土壤在巖溶動力系統影響下對大氣CO2的源匯效應(Inglimaetal,2010;Ramnarineetal,2012)。陸地表面幾乎所有變量都具有高度的時間和空間的異質性，從而導致對它們觀測和模擬都存在很大的不確定性。就觀測而言，巖溶地區的碳通量觀測相對于其他區域還顯得十分不足，特別是對地表與地下雙層結構的碳循環通量精細的觀測亟待加強。

　　從模型方面而言，現有的生態模型和碳循環模型通常都包含了許多先驗假設的復雜的模型參數化方案和相當多的參數，這些模型對地表過程的模擬精度依然不足。這一方面固然源于現有的模型還遠未臻完美，各種物理過程的認識和參數化方案還有待改進;另一方面也是因為觀測的局限性導致很難確定某一特定地區(例如西南巖溶地區)陸面狀況的初始值和水、熱、植物生理參數值(李新等,2010)。

　　這些觀測和模擬的不確定性也導致了對喀斯特地區碳平衡估算存在較大的不確定性。為了更精確地表達西南巖溶地區碳循環過程的動態演進，實現區域碳循環的高精度估計，就必須嘗試新的思路，綜合多源信息(例如地面的精細觀測和遙感高精度估計),并應用機器學習和深度學習等先進方法去應對復雜性、不確定性和尺度轉換等相互交織的問題(Li,2014)。

　　1研究進展

　　1.1碳通量觀測

　　針對巖溶地區開展碳循環的深入研究，首先要獲取精細的觀測數據(Yuan,1997)。對表層巖溶系統的碳匯定位觀測主要包括標準溶蝕片和水化學法。標準溶蝕片是在標準的石灰巖試片或者樣點巖石上開展溶蝕速率的觀測，建立溶蝕速率模型(Yuan,1997)。水化學法則是通過測量泉口或地下河出口流水所攜帶的溶質濃度和徑流量，計算出水流所攜帶的各種離子總量，再根據流域內巖石分布推算不同巖石的風化速度(Liuetal,2006)。

　　對于土壤呼吸的監測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的土壤呼吸測定(Zhangetal,2014)。巖溶地區普遍發育洞穴、管道、孔隙-裂隙等地下空間，容易形成“煙囪效應”，其CO2濃度受洞內外溫度差和氣壓差影響很大，產生不同時間尺度上的變化，需要開展精細的觀測(Sherwinetal,2011)。

　　開展巖溶地區系統的碳循環研究還需要渦度相關和同位素示蹤技術相結合，并有全球聯網研究的必要性(Yanetal,2011)。同位素技術可以對水體、土壤和植被中的碳源進行示蹤(Florea,2013)，而渦度相關方法可獲取區域范圍內的碳通量總體特征(Gouldenetal,1996)。洞穴-土壤-植被-大氣-水五位一體的同步監測以及渦度相關-穩定同位素等技術的聯合應用將是巖溶地區精細觀測的發展方向(王世杰等,2017)。

　　在巖溶地區通過渦動相關系統開展碳通量觀測相對較少，在斯洛文尼亞巖溶地區分別針對草地和次生演替樹/灌叢地開展了渦動相關系統的碳通量測量，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，中國也在西南巖溶地區布設了大量渦動相關系統通量觀測站，例如中國科學院普定喀斯特生態系統觀測研究站、中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站和重慶市金佛山喀斯特生態系統野外科學觀測研究站，分別對亞熱帶濕潤退耕次生林、中亞熱帶常綠闊葉林、馬尾松林等開展野外觀測研究。

　　但相對國內其他區域，西南巖溶地區的通量觀測還亟待加強。在西南巖溶地區部分站點稀疏地區增加通量觀測，同時考慮站點布置下墊面類型的代表性，并和已有站點(森林)協同，可以增強碳通量觀測資料在區域尺度上的代表性。巖溶地區的區域碳循環估計是當前研究的難點。在貴州普定后寨河流域開展的水文水化學測量發現，該流域的碳酸鹽巖溶蝕和風化過程可以從大氣中吸存的碳平均為20.7g·m-2·a-1。

　　基于此觀測結果進而估算出了中國西南區域和全國陸地碳酸鹽巖溶蝕和風化過程可以從大氣中吸存的碳為12TgC·a-1，這個量接近于同期57%的中國森林碳凈積累量，并呈現出了增加趨勢(Yanetal,2011)。通過標準溶蝕試片法研究流域尺度巖溶作用強度及其碳匯效應，對比不同土地利用類型條件下巖溶作用的強度及其差異，數據表明原始森林產生的巖溶碳匯最大，其次是草地、林地、灌叢和耕地(Zhang,2011)。這種監測方法是通過單點的觀測來擬定參數后推廣到區域尺度，由于西南地區地形、地貌、地質背景較為復雜，該結果仍存在較大不確定性。

　　1.2區域尺度碳通量估算與驗證

　　遙感技術由于可重復獲取大范圍的碳循環相關的重要過程變量，為區域尺度的碳循環提供高時空分辨率的估計結果(Gamonetal,2004)。區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、基于數據驅動的尺度擴展方法、基于過程的生態系統模型。由于遙感可以實時監測區域尺度的植被狀態，在區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據估算碳通量的方法中最為廣泛應用的方法之一(Hilkeretal,2008)。

　　目前應用最為廣泛的GPP數據產品是NASA發布的利用MODIS數據估算全球陸地生態系統的生產力產品(MOD17A2)，這個產品是根據MODIS-PSN模型估算的(Runningetal,2000)。在中國只有少數幾個站點進行了驗證，表明該產品明顯低于渦動相關觀測結果(Wuetal,2008;Zhangetal,2008;Heetal,2010;Wangetal,2013)。

　　在西南巖溶地區，受通量觀測數據的限制，類似研究還較少，因此對該區域的遙感碳通量產品的驗證與改進對區域碳循環的準確估算非常重要，有必要利用實測的碳通量數據對光能利用率模型的參數進行標定，然后用其可以較為準確的估算巖溶區域植被的碳通量，并利用實測的碳通量數據對遙感碳通量產品進行驗證(Wangetal,2013)。

　　基于生態過程的陸地生態系統碳循環模型是研究陸地生態系統與氣候、大氣和人類活動之間關系的重要工具之一，它可以模擬生態系統對氣候變化的響應(Medvigyetal,2009)。陸地生態系統碳循環模型以碳元素在生態系統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，對碳循環過程進行不同復雜程度的描述(Peng,2000)。

　　根據模型側重考慮的生態過程類型，將碳循環過程模擬模型大致分為3類，即地球化學過程模型、生物過程模型和陸面物理過程模型(謝馨瑤等,2018)，其各自的優點和缺陷不同。在區域尺度上廣泛應用的碳循環模型主要有Biome-BGC(Thorntonetal,2002)、CENTURY(Partonetal,1993)、LPJ(Sitchetal,2003)、IBIS(Kuchariketal,2000)等。

　　生態系統模型往往包含了大量參數，這些參數不僅存在很大的不確定性，而且隨著空間或者時間發生變化，然而在區域尺度上應用模型的時候的往往很難獲取合適的模型參數，因此需要利用模型數據融合方法，對模型的參數進行標定。模型數據融合方法就是通過優化模型參數或狀態，從而提高模型模擬生態系統功能和過程的性能(Wangetal,2009;Xiaoetal,2014)。碳循環方面的模型數據融合研究在近10a來大量的涌現(Braswelletal,2005;Xuetal,2006;Wangetal,2009;Xiaoetal,2014)。

　　通過模型數據融合方法將過程模型和多源觀測數據結合到一起，可以提高巖溶區域碳循環的模擬精度，將有助于深入認識巖溶區域碳循環的機理。例如利用包括蒙特卡洛-馬爾可夫鏈(MonteCarloMarkovChain,MCMC)和卡爾曼濾波在內的方法融合觀測數據優化模型的不確定參數從而提高模型精度。此外，陸地生態系統碳循環是植被與氣候環境綜合作用確定的過程。在眾多氣候要素中，特別是太陽輻射，作為地球表層物理、化學和生物過程的主要能量來源，也是生物地球化學循環模擬及動態全球植被模型的關鍵參數(Frolkingetal,1998;VanLaakeetal,2005;董泰鋒等,2011)。

　　當前，碳循環區域估算模型所需要的光合有效輻射(PAR)主要是利用站點氣象資料參數化進行空間插值獲取，事實上隨著對生態系統模型的研究深入，當前方法已經無法滿足研究者對空間精度的要求，尤其是在氣象條件復雜的西南地區。目前，國際上尚缺乏長時間序列的PAR數據，間接地限制了碳循環遙感模型的精度，因此如何借助于遙感數據獲取長期的PAR時空動態也是當前全球變化領域關注的熱點之一。

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

　　土壤呼吸過程產生的CO2包括土壤有機碳的微生物分解和植物的根系呼吸作用，從生態層面來說降水是決定陸地生態系統碳循環的過程的關鍵性因素。從生態系統層面來說，土壤呼吸的年際間變異與降水關系也在某種程度上驗證了生態學中的經典理論—降水是決定陸地生態系統碳循環過程的關鍵因素(Mcculleyetal,2005)。

　　Yang等(2012)觀測表明喀斯特泉水水化學的季節動態、日動態以及暴雨動態對土壤CO2變化始終表現出很好的響應，響應的時間間隔主要取決于地下水的補給模式。長期觀測數據表明，全球變暖和土地利用變化均可通過增加土壤CO2含量導致巖石風化碳匯增加(劉再華,2012)。在流域面積和巖性固定的情況下，巖石風化碳匯的強度將取決于氣候(Hagedornetal,2009)、土地利用和覆蓋的變化(Zhaoetal,2010)等環境和人為因素。

　　近年來，有關團隊針對西南巖溶地區植被碳循環監測與模擬開展了一些研究工作，得出的結論主要體現在該區域的植被覆蓋普遍存在顯著改善的趨勢。在人類活動方面，植被退化現象受人類活動的影響較大，而人類活動對植被改善影響較小，植被改善主要與植物的自然生長演替有關(任揚航等,2016)。

　　基于LPJ-GUESS模型和長時間序列遙感監測數據，發展了大區域尺度生態工程成效識別與厘定方法，結果表明西南喀斯特地區植被恢復演變特征與生態工程的實施具有較好的一致性，生態工程背景下西南喀斯特地區可能有巨大的固碳潛力(Tongetal,2018)。但一些過度追求經濟利益的礦產開發和不合理的耕種與管理模式，導致一些地區的石漠化仍存在擴大趨勢(Yangetal,2017)。

　　1.3碳循環特征及環境因子分析

　　大氣CO2濃度的季節和年際波動是大氣與全球陸地生態系統之間碳交換的變化造成的。生態系統碳通量的年際變化現象廣泛存在于各種陸地生態系統中，其變化原因主要包括：氣候、生理過程、物候、生態系統結構、生態系統營養物質循環和干擾等因素(Huietal,2003;Richardsonetal,2007;Marcollaetal,2011)。

　　巖溶過程相關的碳循環，作為全球碳循環的重要組成部分，顯著地影響著全球碳平衡(Yuan,1997;Liuetal,2010)，然而，以往在全球碳循環研究中把地質作用作為一種中長時間尺度的作用而存在，因而巖溶作用被忽視(袁道先,1999)。當前對巖溶地質碳匯效應對全球碳匯的重要作用逐漸得到重視。對巖溶區由于溶蝕作用而產生的碳匯主要根據石灰巖溶蝕試片法、水化學法和擴散邊界層理論(DBL)等方法估算(袁道先等,2016)。

　　目前，國內外已有眾多關于巖溶作用碳效應及其驅動機制的研究，然而，當前關于巖溶作用對全球碳收支的貢獻大小估算研究尚缺乏統一的定論(Jiangetal,1999;Philippe,2002;Yuanetal,2002;Caoetal,2012)。

　　2研究展望

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

　　2.1典型小流域碳水通量精細觀測

　　選擇西南地區典型的巖溶小流域，構建洞穴-土壤-植被-大氣-水五位一體、衛星-地表-地下三維立體多尺度嵌套監測系統，實現巖溶地區碳循環各個分量及與之緊密相關的陸表參數的精細觀測。衛星觀測方面，針對西南地區多云多霧的特點，基于可見光、紅外和微波多波段、極軌衛星和靜止衛星的多源衛星觀測數據，獲取更高頻次的對地有效觀測。

　　針對地表觀測，利用大孔徑閃爍儀(LargeApertureScintillometer,LAS)和微波閃爍儀獲取公里級尺度上的蒸散發觀測結果，利用渦動相關儀(Eddycovariance,EC)獲取百米級尺度上的碳水通量觀測結果，利用區域土壤水分觀測系統(COsmic-raySoilMoistureObservingSystem,COSMOS)獲得百米級尺度上的土壤水分觀測結果，利用自動氣象站(AutomaticWeatherStation,AWS)獲取風溫濕壓、輻射、降水等要素的觀測結果，利用多通道土壤碳通量自動測量系統獲取土壤CO2持續觀測結果，應實現土壤呼吸與氣候因子、植被因子和土壤因子的同步監測，闡明多因子交互影響土壤呼吸的機制。

　　在閃爍儀觀測源區內布設葉面積指數和土壤水分無線傳感器網絡(WirelessSensorNetwork,WSN)節點，用于獲取源區關鍵陸表參量的空間異質性分布的特征。以上的多尺度觀測可與遙感的像元尺度或模型的網格尺度相匹配，用于支持西南巖溶地區區域遙感反演算法發展和生態過程、陸表過程模型的參數擬定，并對遙感估算和模型模擬結果進行精度評價。

　　針對地下的洞穴和地下河開展觀測，利用CO2濃度監測儀獲取洞穴內CO2濃度變化情況，并同時獲取洞穴內溫濕度和氣壓等參數。在地下河不同段觀測地下水位的變化，在地下河出口建立永久性標準堰測斷面，獲取最終的出口出水量監測結果。可以利用同位素方式對EC觀測的CO2通量進行分離，特別是獲得洞穴CO2通量和溶蝕量在整個通量中所占的比例，為進一步開展巖溶地區碳循環分析和模擬奠定基礎。

　　2.2巖溶地區碳循環特征及敏感性分析

　　在對觀測數據進行嚴格的質量控制和處理分析的基礎上，觀測和估算得到巖溶生態系統的各碳通量組分，并結合實驗觀測到的相關生態參量，了解巖溶生態系統碳收支的基本特征。分析西南地區表層巖溶生態系統碳循環過程的各個分量日變化、季節變化和年際變化特征。

　　同時，利用統計分析方法，分析巖溶生態系統碳循環特征與降雨、氣溫、土壤含水量、土地利用方式、植被覆蓋度、葉面積指數等環境要素之間的相關關系，對巖溶地區碳循環特征的環境響應機制進行分析，特別是分析巖溶地區獨特水文對碳循環的影響。此外，西南地區愈見頻繁的洪澇和旱災事件說明當地發生極端氣候的風險逐漸升高，亟待加強預測未來情景下該類事件對巖溶地區生態系統碳水循環的影響范圍與程度。

　　2.3巖溶地區碳循環產品驗證與改進

　　利用渦動相關獲得的GPP和實地觀測的NPP，基于Footprint模型和高分辨率遙感影像(如Landsat影像)，采用參數標定方法，對光能利用率模型(如MODISGPP/NPP算法)的參數進行標定。然后利用標定后的模型獲得高分辨率的GPP和NPP數據，將高分辨率的GPP/NPP數據尺度上推到衛星像元尺度(例如1km)，進而對遙感估算的GPP/NPP產品進行評估，分析誤差來源，改進遙感GPP/NPP產品，最后獲取區域尺度上精度更高的GPP/NPP產品。

　　基于超光譜數據還可以提取對植被光合作用相當敏感的葉綠素熒光信息，其強度可以直接用來評價陸地植被GPP。上述技術已經成為一個不容忽視的前沿性科技領域，2016年12月中國成為繼日本、美國之后第3個成功發射CO2監測衛星(TanSat)的國家，對深入理解全球碳循環過程及其對氣候變化的影響，提升中國在國際氣候變化的話語權和主動權具有重要意義。

　　2.4巖溶地區碳循環模擬

　　為了進一步認識巖溶地區碳循環的機理，需要對傳統的碳循環模型(如Biome-BGC)進行改進，使其可以模擬巖溶地區的碳循環過程。碳循環模型主要模擬碳、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、降雨等驅動數據);植被參數文件(包括了植被的物候參數、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、最大氣孔導度、葉片表面導度、邊界層導度等);模型配置文件(包括模型模擬的配置信息和模擬站點的參數，如土壤深度、土壤質地、氮沉降速率等)。

　　在巖溶地區，驅動數據輸入是要充分考慮大量裂隙導致降水大量滲漏到地下河，導致支撐植物生長的有效降水十分有限，模型輸入的降水應該是這部分有效降水。另外就是巖溶地區的地面破碎度高，空間異質性大，很難獲取高精度的模型參數。可以以集合卡爾曼濾波和不確定性理論為基礎，集成多源遙感產品，優化模型參數，提高數值模型對碳循環過程的模擬精度。

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