北河以北

聊聊水碳耦合的概念

文/宋春林

「耦合(coupling)」原本是一个物理学概念,表示两个系统之间的相互作用关系,比如单摆、共振电路之间的耦合关系。现在越来越多生态学的论文、项目用了耦合这个词,代表变量之间的相互影响、相互作用关系,生态水文学领域的「水碳耦合」就是其一。这个词初看很高大上,耦合,给人一种很高深莫测的感觉,实际上这个词所描述的内容并不新,只是新瓶装旧酒地将因子之间的相互影响、相互作用关系以及驱动因素用一个简洁的词表达出来。

水碳耦合最初是中科院地理所的于贵瑞[1]研究员提出来的,简单地来说就是指生态系统内水循环和碳循环的相互作用关系。水循环和碳循环涉及到很多过程,要解释这种相互作用关系,必须分尺度来看。

叶片尺度上,气孔是二氧化碳和水汽的进出通道,植物根据环境条件变化而调节叶片气孔导度,同时影响光合作用和蒸腾作用,从而控制生态系统水碳通量动态。而气孔导度取决于气孔发育过程中形成的气孔密度和气孔开度、空气温湿度、辐射吸收量以及土壤或叶面水势。比如在缺水状态下,叶片气孔导度降低,光合作用速率降低,单位时间固定的二氧化碳量就减小。

冠层尺度上,树木通过蒸散发消耗水分,同时固定二氧化碳增加生物量,这些过程受到很多因素影响。在光能的参与下,冠层通过叶片中的叶绿体同化二氧化碳和水,制造出有机物。树木通过蒸腾作用失水,发生水分胁迫时气孔导度受到反馈调节影响固碳过程。光合作用中二氧化碳经气孔向叶内扩散,而树木根部吸水在蒸腾拉力的作用下到达叶片,与二氧化碳一起发生生化反应,二氧化碳和水在此过程中发生耦合。该过程构成森林冠层最重要的水碳耦合过程。

对于群落尺度和生态系统尺度,碳水关系主要体现在生态系统蒸散发、降雨、产流、碳蓄积和生产力等碳水相互作用上。评价一个生态系统的碳蓄积量,可以通过计算生物量、评估植被生产力来进行。生态系统内植物固碳的过程会影响流域水文产流过程,甚至影响局地气候,进而影响降水,这些反过来又会影响植物固碳。这就是较大尺度上的水碳耦合。

水碳耦合是一个好词,简洁明了。但是这个词毕竟太大了,就像一个箩筐,什么都能往里装。蒸腾和生产力的相互影响是水碳耦合,生态系统固碳和流域产流之间的相互作用也是水碳耦合。水碳耦合里的水和碳本身并不会直接发生什么生物、化学反应,而是在生态系统的物质能力循环过程中相互影响。同时,水碳耦合的水和碳都各自有很多种形态和指标:水可以是河水、地下水、降水,甚至还有固液汽三种形态;而碳的指标可以是生态系统总初级生产力(GPP)、净初级生产力(NPP)、生物量以及直接测量的水体或土壤的有机碳、无机碳。所以,在用水碳耦合这个词的时候,一定要具体。大标题可以用,小标题能不用最好不用,改为用具体的水碳循环过程描述。因为你很难直接笼统地说水和碳之间是怎么耦合的,但是解释这个框架之下的问题就可以很具体很明确。

参考文献: [1]于贵瑞,王秋凤,于振良. 陆地生态系统水—碳耦合循环与过程管理研究[J]. 地球科学进展,2004,05:831-839.

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分类 学无止境  标签 水文学  水碳耦合  生态学