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1、项目名称：干旱区盐碱土碳过程与全球变化首席科学家：陈曦 中国科学院新疆生态与地理研究所起止年限：2009.1至2013.8依托部门：新疆维吾尔自治区科技厅 中国科学院 新疆生产建设兵团科委一、研究内容本项目的总体设计是基于我们在干旱区盐碱土中的最新发现：盐碱土正在以无机形式大量吸收碳。为系统破解这一自然现象，并对其在全球碳循环的地位和作用做出正确评估，需要探索这种无机吸收的发生过程与机理，及其与盐碱土的类型、理化属性的关系；需要了解各类盐碱土的分布规模与形成演化过程，以确定这种无机吸收的规模与动态；由于无机碳吸收的最大来源是土壤中的有机呼吸，因此需要研究干旱区盐碱土中有机碳的形成、转化、储存与
2、消耗过程；将上述研究结果推演到亚欧内陆干旱区乃至全球盐碱土的尺度上，以确定其在全球碳循环中的地位和作用。由此，我们需要回答的关键科学问题是：干旱区水盐运移与盐碱土无机碳吸收的关系。主要回答盐碱土的形成、演化机理，盐碱土的理化特征、物理环境、化学属性等与无机碳吸收的关系；以确认“迷失碳汇”是否在盐碱土区以无机形式巨量储存。盐碱土区有机碳碳循环过程及其与无机碳循环的关系。主要回答干旱区盐碱土有机碳的同化、转化过程与其在地下的存在形式与动态，地下有机碳向无机碳的转化过程及其控制因素等。干旱区盐碱土碳循环过程及其在全球碳循环中的地位与作用。主要回答盐碱土碳汇功能的强度、属性与动态，以期最终确定干旱区盐
3、碱土碳循环的全球意义。围绕关键科学问题，设置以下主要研究内容：1盐碱土无机碳吸收的过程与机理及其和水盐运移的关系作为只发生在盐碱土上，而不发生在其他类型土壤上的独特无机吸收现象，其发生过程与机理必然和盐碱土的基本属性（含盐、碱性等）密切相关。而盐碱土的形成、演化是干旱区独特自然条件下水盐运移的结果。因此，项目首要的基础工作，是研究盐碱土的类型与分布规模、水盐运移与盐碱土的形成演化的关系、积盐区的形成与调控；以野外调查取样、控制实验、同位素示踪等手段，研究环境物理因素对盐碱土二氧化碳吸收的作用机制、盐碱土碳吸收的化学过程与机理、盐碱土类型和理化属性与碳吸收的关系，为估算全球盐碱土的无机吸收总量提
4、供依据。2干旱区有机碳循环过程、驱动机制及其与无机碳吸收的关系任何陆地有机碳循环的第一个环节都是绿色植物的碳同化，干旱区也不例外。然而，干旱区恶劣的生存环境决定了这里的绿色植物具体独特的、使其自身碳同化效率最大化的生理生态机制。由此，需要首先研究各类植物及其所构成的植被高效碳同化的实现途径，包括其对各类胁迫因子的响应与适应机制，以及由于这种响应与适应造成的个体与群落尺度上地上/地下生物量（有机碳储存）配比的变化；在此基础上，研究地下有机碳的形成、各组分间转化、存储与消耗过程，包括地下有机碳的形成过程与时空动态特征、地下有机碳各组分的动态与其转化机制、地下有机碳的消耗及其与盐碱土无机碳吸收的关系
5、。3亚欧内陆干旱区碳循环过程及其在全球碳循环中的作用上述两项内容是从过程与机制上破解干旱区碳循环的全过程，但局限于有代表性地点的局地尺度。为确认亚欧内陆干旱区在全球碳循环中的地位和作用，需要对上述研究结果进行尺度扩展。为此，需要建立盐碱土有机与无机碳循环过程的多尺度遥感转换方法，进行区域尺度盐碱土碳循环过程的多尺度模拟，研究区域尺度有机与无机碳过程相互作用与耦合；利用构建的区域尺度干旱区生态系统过程和碳循环过程DLEM模型，分析亚欧内陆干旱区碳循环过程及其对气候变化和人类活动的响应，评价碳的源汇效应；结合未来气候变化情景，模拟和评估亚欧内陆干旱区有机无机碳变化的趋势；确定过去、现在和将来亚欧内
6、陆干旱区碳循环在全球碳循环中的地位与作用。二、预期目标1总体目标本项目的总体目标是：阐明亚欧内陆干旱区盐碱土吸收与固定二氧化碳的机理，建立荒漠绿洲复合体完整碳循环全新理论框架，重新认识干旱区碳循环在全球碳循环中的地位与作用，提出找寻全球迷失碳的新途径，为我国把握碳平衡国际谈判中的主导权提供全面科技支撑，为国家碳平衡战略和节能减排规划提供科学依据。同时，通过本项目与欧盟和中亚国家科学家的共同研究，拓展我国上海合作组织及欧盟的科技合作，促进欧亚内陆区域经济与环境协调发展。五年预期目标：（1）研究荒漠绿洲复合体水盐运移和盐渍化土地碳固持作用，定量确定环境因子对盐碱土二氧化碳吸收过程的影响以及迁移转化
7、与储存方式，阐明盐碱土碳吸收的物理与化学过程，揭示荒漠绿洲复合体水盐运移与无机碳循环的关系，破解盐碱土无机碳吸收的发生机理，在全球碳循环领域取得突破性进展。（2）研究影响荒漠绿洲复合体盐碱土碳吸收的生物过程，全面解读干旱区有机碳循环，解析复合体地下有机碳过程，阐明地下有机碳与盐碱土无机碳吸收的之间的相互作用关系，查明干旱区地下有机碳各组分（根系、有机质、微生物等）的规模、分布与转化关系，构建干旱区地下有机碳代谢过程与转化理论体系，实现干旱区地下有机碳库的准确计算，改变干旱区有机碳过程弱、储量低的传统观念。（3）研究盐碱土碳吸收的地气界面过程，阐明荒漠绿洲复合体碳循环地上、地下及大气之间的相互作
8、用，揭示复合体各类植物与其构成的植被实现高效碳同化的分子机理，破解其生物量碳配比的变化的响应与适应机制，为干旱区系统增加土壤碳库，换取工业CO2减排，提高碳汇效率提供理论基础。（4）在全面破解干旱区碳循环过程的基础上，建立盐碱土有机与无机碳循环过程的多尺度遥感转换方法，实现区域尺度有机与无机碳过程相互作用与耦合。利用构建的区域尺度干旱区碳循环过程DLEM模型，准确估算亚欧内陆干旱区的碳库与碳汇功能，研究其碳源汇效应、碳循环过程及驱动机制，建立荒漠绿洲复合体完整碳循环理论框架，揭示亚欧内陆干旱区无机碳和有机碳在全球碳循环中的重要作用，丰富与发展全球碳循环理论体系，为我国开展国际碳平衡谈判和进入世
9、界碳市场提供科学支撑，并为我国节能减排规划做出重要贡献。（5）建成“亚欧内陆干旱区国际合作研究样带”，使之成为研究干旱区碳循环与碳“黑洞效应”的天然实验室和国际合作基地，成为干旱区全球变化研究的平台。（6）在实现以上研究目标的过程中，将系列成果发表于国际一流学术期刊，预计发表学术论文300篇，其中SCI收录学术论文100篇；出版荒漠绿洲复合体盐碱土碳过程及干旱区碳循环系列专著；回答与国际学科前沿、国家重大需求相关的关键科学问题，提出重大碳循环及全球变化咨询报告23份 。（7）培养20-30名中青年学科带头人和学术骨干，形成具有重要国际影响的干旱区碳循环与全球变化研究创新团队；培养80100名博
10、士研究生，为我国碳循环研究和西部发展提供科技人才支撑。三、研究方案1总体思路总体思路是：以欧亚内陆干旱区荒漠绿洲复合体为对象，以全球变化为背景，以解读碳“黑洞”现象为切入点，通过国际合作构建亚欧内陆干旱区碳循环与全球变化研究样带，从“区域、样带、站点”等层次，采用多尺度实验与融合技术，深入研究复合体盐碱土碳表观吸收与盐碱土演化过程、地表与地下有机碳过程、二氧化碳地气界面过程、碳同化过程之间的相互作用关系，揭示不同尺度下盐碱土二氧化碳固定机理，剖析复合体碳循环的多重耦合与互馈关系，阐明复合体无机碳、有机碳迁移转化规律，识别亚欧内陆干旱区在全球碳循环变化中的特殊地位，构建干旱区完整碳循环理论框架。
11、（如图1）图1. 盐碱土碳过程2技术路线基于现代技术（包括大型控制实验、遥感、同位素、分子测定、显微技术以及网络等）与先进的科研平台（包括国家及省部重点实验室、国家野外台站网络等），集成一个适宜于本项目的开放的信息和技术平台，宏观和微观、野外试验与系统模拟研究相结合，采用不同尺度的遥感反演、地面和地下监测、样方调查、功能基因筛选测序定位等方法，从区域、样带、站点、实验室四个层次开展研究（如图2）。图2. 技术路线图（1）在样带研究层次上：以北纬45为中线，在东经53-95之间，依水分梯度设置“亚欧内陆干旱区样带（Euro-Asia Arid Transect, EAT）”。EAT东西延伸约45
12、00公里，南北幅度约为200公里（如图3）。图3.样带布设图该样带东起贺兰山，横穿河西走廊、准噶尔荒漠、巴尔喀什湖、咸海，西止于里海，具有鲜明的地域特色，是我国乃至世界样带研究的重要组成部分。EAT由西向东呈水分梯度递减模式，涵盖亚洲中部干旱区主要盐碱土类型，分布有我国及中亚国家干旱区研究领域的主要野外实验监测台站，并着手联合建立中哈乌野外盐碱土实验站。依托EAT研究平台，统一站点数据采集标准，整合野外站点观测数据，建立共享数据库。进行盐碱土碳过程的对比分析和尺度转换，通过参数校正和遥感地面验证，建立亚欧内陆干旱区碳循环模型，用空间替代时间的方法，缩短认知区域碳循环问题的时间。（2）在实验室研
13、究层次上：通过室内控制实验，测定CO2吸收强度、土壤化学属性等，揭示二氧化碳表观吸收的理化机制。利用稳定同位素测定分析无机碳被固定的化学过程以及无机碳的迁移、转化与最终储存地和储存形式。利用同位素测定及BIOLOG方法研究土壤微生物对地下有机碳和盐碱土二氧化碳吸收的影响。利用室内植物形态与解剖实验，采用传统切片技术和高压冷冻干燥技术制片，研究荒漠植物高效碳固定的分子结构。（3）在站点研究层次上：依托野外观测试验站点，集成相关研究方法，开展以下研究工作：用Lysimeter实验模拟方法，研究水、盐在荒漠绿洲复合体中的运移与转换规律，揭示无机碳吸收强度与水盐运移之间关系；通过跨站点和不同尺度试验和
14、观测，测定盐碱土无机碳与地上植被部分的盖度、地上生物量、叶绿素含量以及植被地下部分分布格局、构型和有机碳量等生物指标，同时监测样地内年积温、降水、地下水位、土壤温湿度等环境要素，建立基于多参数的地上与地下有机碳和无机碳之间的函数关系，揭示无机碳和有机碳在不同尺度上的固定机制；利用定位观测、野外控制半控制实验等方法，应用涡度相关系统、小气候及能量平衡系统和植被群落光合蒸腾作用仪，结合现代传感技术和试验模拟技术，研究地表与地下、地表与大气之间碳过程，探讨二氧化碳、有机碳和无机碳在地气间的定量关系，分析干旱区环境因素对碳循环的影响，从而探讨荒漠生态系统碳循环过程及其源/汇功能。（4）在区域研究层次上
15、：发展和建立跨尺度的干旱区碳循环模型，开展个体尺度、田间/群落尺度以及流域尺度研究的尺度转换与模拟。在此基础上，通过监测网络与样带融合研究，估算区域尺度碳库动态以及源汇功能分析，定量揭示亚欧内陆干旱区荒漠绿洲复合体碳循环对全球碳循环的影响和贡献，特别是阐明盐碱土碳吸收的作用。3创新点和特色（1）主要创新点l 盐渍土碳吸收与无机碳汇功能的理论创新发现与证明全球盐渍土这一巨大的无机碳汇功能区，揭示盐渍土和咸水与大气CO2之间的碳交换过程与机理。l 荒漠区地下有机碳汇功能的理论创新 揭示荒漠植被地下根系有机碳汇形成机理，系统诠释与拓展荒漠区有机碳库理论与方法。l 盐碱土碳循环与地下碳循环过程的集成方
16、法创新阐明盐碱土碳循环与地下碳循环之间相互作用关系，提出地上与地下碳交换的计算方法，创建干旱区地下有机碳分布的尺度放大方法。（2）与同类研究相比的特色研究对象的特色：研究对象亚欧内陆干旱区是国际上最典型的干旱区，盐渍土面积巨大、水盐运移过程强烈、地下生态过程复杂、气候变化与人类活动显著等四大特征，是探索“碳黑洞”的最佳实验室，是建立干旱区碳循环理论的首选区。研究思路的特色：抓住盐碱土固碳这一核心科学问题，将水盐运移与无机碳吸收、地下生态过程与有机碳汇功能、荒漠植被高效碳同化作用紧密联系起来，诠释荒漠绿洲复合体巨大碳库的形成与转化机理。预期成果的特色：基于植被地下有机碳分配过程与盐碱土固碳研究成果，建立植根于亚欧内陆干旱区碳循环理论，实现在全球碳循
