20年，这项工程见证中国碳循环研究三次浪潮

随着“双碳”行动的深入推进，当前与“碳汇”相关的研究正如火如荼展开。

作为国家战略科技力量主力军，中科院很早就对生态系统碳循环和碳汇功能研究进行了布局，其中就包括我国首个生态系统碳循环研究基础工程——中国陆地生态系统通量观测研究网络（ChinaFLUX）。

自2002年建成以来，ChinaFLUX这项诞生于中科院知识创新工程重大项目背景下的“001”号基础工程，见证了中国碳循环研究的三次浪潮，填补了全球陆地生态系统在东亚季风区碳氮水通量观测网络的区域空白，在国际通量网络中发挥的影响力日益增长。

20年见证三次浪潮

谈起ChinaFLUX的诞生，中科院院士于贵瑞对20多年前的情景记忆犹新。1999年，从日本千叶大学应招回国的他，成为中科院地理科学与资源研究所的一员，并加入了中国生态系统研究网络（CERN）的建设和科学研究工作中。

CERN是由孙鸿烈院士等中科院老一辈科学家在1988年建立的。经过20余年的发展，已经形成了一个涵盖农田、森林、草地、荒漠、湿地、湖泊、海洋、城市生态系统，分布于全国的野外观测、科学研究、技术示范及科技服务基地，成为全球长期生态研究网络及我国野外台站体系中的核心网络。

于贵瑞认为，在生态系统观测体系中，生态系统碳循环研究十分重要。他希望在全国能够建立一个以服务全球变化和碳循环科学研究为主要目标的通量观测专项网络。

国际上在1995年就计划设立一个全球通量网络FLUXNET，并倡议发展欧洲、北美和亚洲的区域网络，对全球陆地生态系统碳水通量和能量通量进行网络化的定位观测研究。日本在1997年就加入该网络，而中国当时相关研究处于空白状态。

“能否以CERN为基础，建立专项观测技术系统，发展长期观测联网运行的通量观测体系呢？”在该想法的驱使下，于贵瑞回国后向中科院相关部门递交的第一份报告，就是陈述中国应对气候变化问题及生态系统碳通量观测的重要性，并建议投入千万元级规模的经费，建设基于CERN的通量专项观测研究平台。

然而，由于投资规模过大，他的报告一度被搁置了。

正当他觉得平台建设推进没有希望时，好消息来了。彼时，中科院启动知识创新工程，在全院选拔布局具有战略性的前沿科技项目，他的建议报告成了当时科学院拟开展全球变化前沿研究的重要组成部分。

2001年，中科院知识创新工程重大项目“001号”——“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”正式启动。

该项目由中科院大气物理研究所研究员黄耀和于贵瑞共同担任首席科学家，于贵瑞为项目负责人，对森林、草地、农田、湿地和近海生态系统碳循环过程机理、碳储量和通量、生态系统建模及国家尺度集成分析开展综合研究。该项目的一个重要任务就是建设ChinaFLUX，于贵瑞回忆：“当时的总项目经费为5000万元，其中1/3被用于启动建设中国通量网。”

这个专项平台的主要任务是什么？“它不只是关注二氧化碳，同时还对氮、水和能量通量进行协同观测，为人们理解生态系统过程、物质循环、能量平衡及其耦合关系提供核心参数，认知中国每个典型生态系统的物质和能量交换特性，理解其空间变异和动态变化规律，为中国区域生态系统碳收支评估和模拟分析提供高频观测数据。”于贵瑞向《中国科学报》解释。

据介绍，经过20年发展，ChinaFLUX观测研究站点已从2002年首期的6个扩展到目前的79个，其观测样地涵盖了中国主要的陆地生态系统类型，极大地增强了我国通量观测研究的实力。

在于贵瑞看来，ChinaFLUX的发展历程经历了过去20年中国碳循环与碳汇研究的“三次浪潮”。

第一次浪潮是以“001”号基础工程为开端。此前，中国尚未有生态系统碳循环过程及碳通量系统性观测研究。在ChinaFLUX及中国陆地和近海生态系统碳收支研究项目的带动下，掀起了中科院及全国碳循环过程研究的第一波浪潮。

第二次浪潮以2011年中科院战略性先导科技专项启动的“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”（简称碳专项）为标志。该专项中的“生态系统固碳现状、速率、机制和潜力”项目，是由中科院植物研究所方精云院士和于贵瑞共同担任首席科学家，于贵瑞为项目负责人。

“现在，大家使用最多的基础数据和核心结论大多来自‘碳专项’的碳储量调查和碳通量观测。这次对全国的碳核算非常系统，从过去单一的森林资源清查走向全面的碳清查，涵盖了森林、灌丛、草地和农田等主要生态系统类型，重点评估了中国陆地生态系统的植被、凋落物和0~100厘米土壤的碳储量大小、空间分布特征，并对中国陆地生态系统碳汇功能进行了概算。”于贵瑞说。

现在，在“双碳”目标的驱动下，中国的碳循环与碳汇研究进入第三次浪潮。今年3月，中科院启动实施科技支撑“双碳”战略行动计划，ChinaFLUX已经累计获取了近20年的碳水通量观测数据，将为实现国家“双碳”目标提供更为重要的理论和数据支撑。

五大“硬支撑”，填补国内外空白

在过去20年中，ChinaFLUX这一超前布局的基础科学平台，已成为我国碳氮水通量及循环过程研究，特别是理解我国陆地生态系统碳汇功能时空变化机制的“加速器”。

它支撑了一大批国家重大研究项目及国家基金项目，产生了一批创新成果。例如，基于“碳专项”对16000个调查样地的清查成果，核算出中国陆地生态系统碳固率为每年10.96亿吨二氧化碳，中国区域碳汇量占全球的7.2%~15%；确认了中国高强度碳汇功能区主要分布在东北林区、南方丘陵和西南山地。

在这些重大研究项目带动下，ChinaFLUX也发展成为CERN的一个特色鲜明的专项观测研究网络。2012年，“中国生态系统研究网络的创建及其观测研究和试验示范”获国家科技进步奖一等奖。同期，基于ChinaFLUX完成的“中国陆地碳收支评估的生态系统碳通量联网观测与模型模拟系统”和“陆地生态系统变化观测的关键技术及其系统应用”研究成果分别获得2010和2011年度国家科技进步奖二等奖。

不只是在国内，该网络的建设和运行还有效填补了亚洲季风区观测研究的区域空白，成为FLUXNET中的重要区域性网络。在国际上，北美和欧洲温带森林是被广泛认可的两大碳汇区。于贵瑞团队通过观测，发现了一个长期被忽视的具有巨大潜力的“亚洲东部亚热带森林碳汇功能区”。该区域的净生态系统生产力（NEP）年总量约0.72 Pg C，高于两大已知碳汇区；其高强度的NEP是由于氮沉降增加、较低的林龄结构和适宜的气候特征相叠加所带来的。

ChinaFLUX作为FLUXNET的重要组成部分，从建成之日起就与其他区域的通量观测网络开展了密切的交流与合作。2007年启动的“A3前瞻计划项目”，目标就是基于中国、日本、韩国的通量网的碳水循环合作研究，量化东亚地区碳源/汇的分布及强度，并认识碳循环的自然及人为驱动机制，形成亚洲区域重要的国际合作研究平台。

谈起ChinaFLUX的“能力”，于贵瑞表示，目前这一基础性科技平台主要发挥着五大“硬支撑”作用。首先是对不同区域的不同类型生态系统碳氮水通量变化进行联网式的动态监测；其次是系统开展多环境因子控制实验，以揭示生态系统结构、过程和功能对全球变化的响应和适应；其三是在生态系统、区域及国家尺度上探讨碳氮水循环及其耦合过程机理、生物控制机理、环境影响机理以及空间变异机制，发展生态系统科学理论和观测研究技术体系；其四是开发生态系统模型及数据—模型融合系统，评估中国及全球的碳氮水及能量通量的时空变异；其五是提供原始科学数据服务，供本平台之外的生态和地理以及地球系统科学领域的大尺度资源环境或全球变化问题整合研究、模拟分析或科学预测。

“我们的长期目标是服务两个重大国家需求：应对全球气候与环境变化、维持区域和国家可持续发展。”于贵瑞说。

“把中国的事办好，也就是对世界的贡献”

过去20年ChinaFLUX的建立与运行，培育了我国生态系统通量观测、碳氮水循环及其耦合过程研究科学生长点，实现了我国碳氮水通量观测研究事业从无到有、由国内起步走向国际前沿的跨越式发展。

ChinaFLUX已连续16年举办通量观测理论与技术培训班，得到了国内有关研究机构和人员的广泛参与，有力支撑了我国通量观测研究的持续发展。该平台的建设和科学研究还带动了我国林业、气象和农业部门以及部分高校的碳水通量观测站的建设工作。目前全国范围内已经建设了100多套通量观测系统，形成了具有相当规模的国家尺度碳、氮、水和能量通量观测研究体系。

站在中国及科学院碳研究第三次浪潮的新起点，下一步要怎么走？“当前的迫切任务是构建和完善科学基础，加强协同观测研究，同时加强人才培养。”于贵瑞说。

他表示，指导实现“双碳”目标的科学基础是全球气候变化和全球碳循环及其互馈关系。目前应用于指导“双碳”目标的基础理论和方法学还存在诸多不确定性，迫切需要回答与此直接关联的基础科学问题，例如碳中和技术和措施的气候效应、自然碳汇形成与维持机制、自然和人为碳汇的容量及增汇增长潜力，等等。