一、概述
1、碳库
碳循环是一个极其复杂的地球化学循环过程，包括碳元素在各个储库的贮存和在不同储库之间的流通。就通量来说，碳循环中最重要的是CO2的循环，CH4与CO的循环是较次要的部分。所谓碳库，是指在碳循环过程中，地球各个系统所存储碳的部分，概括起来，地球上主要有四大碳库，即大气碳库、海洋碳库、陆地生态系统碳库和岩石圈碳库，如表1所示，其中，岩石圈碳库最大，但碳在其中的周转时间极长，约在百万年以上，因此，在碳循环研究中可以把岩石圈碳库近似看作静止不动；海洋碳库是除地质碳库外最大的碳库，但碳在深海中的周转时间也较长，平均为千年尺度；陆地生态系统碳库主要由植被和土壤两个分碳库组成，内部组成和各种反馈机制最为复杂，是与人类活动关系最为密切的碳库。而干旱半干旱区由于面积较大，因而在陆地生态系统碳库中占有一定的比重。
2、碳源与碳汇
在碳循环研究中，人们主要关心的是碳在大气圈、海洋和陆地生态系统（包括植物和土壤等）3个碳库之间进行的连续交换，即碳的流量问题或者说是碳源和碳汇的问题。所谓碳源和碳汇都是以大气圈为参照系，以向大气中输入碳或从大气中输出碳为标准来确定，即向大气圈释放碳的通量、过程或系统称之为碳源，从大气圈中清除碳的通量、系统、过程或机制称之为碳汇。最终决定一个体系是源还是汇的是碳的净收支。目前，由于大气圈与陆地生态系统之间碳的交换过程存在的未知问题最多，受人类活动的影响最大，是全球碳循环的研究重点。其中，仍然困扰科学界的一大碳循环难题是关于“碳失汇”的问题，即CO2收支不平衡，该问自1938年Callendar首先提出，但到了今天，该问题依然悬而未决。目前比较一致的观点认为，这个未知汇可能在北半球中纬度地带，这一碳汇约可占到全球碳失汇的1/3，但是这一机制还不清楚。到目前为止，人们认识到的在几年到几十年的短时期内，可能影响陆地碳储存的过程主要包括气候变化，植物生长，CO2的施肥效应，氮沉降施肥以及土地利用方式的变化5个方面。由于干旱半干旱区生态系统碳源汇的研究较少，对该区生态系统碳源汇进行研究不仅可以弥补中国在干旱半干旱区生态系统碳通量研究的不足，而且可以为中国在碳贸易中提供一些基础数据支持。
二、不同环境因素对干旱半干旱区碳循环的影响
植被—大气间的碳循环及其对环境要素变化的响应是目前全球变化研究中的热点问题，科学家们正尝试通过不同尺度的实验观测和模型模拟来研究陆地生态系统在不同时间与空间尺度上的碳收支及其对环境的响应。影响生态系统碳交换量的主要因素有光照，温度，水分以及土壤温湿度等。干旱半干旱区由于气候干旱，蒸发强，降雨稀少，光照强，各种环境条件恶劣，使得该区生态系统在各种环境因素影响下较为脆弱，因此有必要对干旱半干旱区各个环境因子影响下的生态系统碳循环进行深入分析。
1、光照与辐射
光照条件是生态系统中生物生长所需的重要因素，生物的各项生命活动与生产都与光照具有密切联系。由于光合有效辐射的影响，植物的光合作用具有明显的昼夜规律。通常植物光和能力随着光照增强而增加，但当光强达到饱和点后，光合强度就会受温度，水分等其他环境因子的控制。Chaves等[28]对干旱荒漠区的植物进行了研究，发碳库大气圈陆地生物圈岩石圈大洋C大小/Gt700~7201900~2000>7500000038400~40000表1地球各主要碳库注：1Gt=1×1015g。现植物在水分胁迫时易发生光合作用的光抑制，而Demmig等的研究又发现，光抑制的发生，会导致光合作用消耗的光能减少，使得光合组织吸收的光能大量过剩，而过剩的光能若不能及时有效地耗散，就会损伤光合器官，从而进一步影响光合作用。许皓等研究了光合有效辐射与地下水位变化对柽柳属荒漠灌木群落碳平衡的影响，结果表明，光合有效辐射是一个主要影响因素，与群落碳获取呈显著正相关关系。群落碳同化能力的季节变化是光合有效辐射和地下水位共同影响下光合作用物候学特征的体现。另外，在干旱区荒漠生态系统中，每个物种对光照的响应不同，因此具有不同的光饱和点与光补偿点，荒漠植物由于长期适应强烈光照，所以光饱和点要比一般植物高，C4植物要比C3植物高，但也有例外情况。
2、温度
温度的变化对生态系统生物生长发育的各个方面都有不同程度的影响，是生物生命活动不可缺少的因素，它在任何时间任何生态系统中都起作用，并且是对生物影响最明显的环境要素之一。但生态系统光合作用（形成光合作用总初级生产GPP）与呼吸作用（特别是土壤呼吸Rh）对温度的响应却不尽相同。目前，有许多学者对土壤呼吸与温度间相互关系进行了研究，并建立了许多方程，包括：线性方程、指数方程、Arrhenius方程、幂函数方程等。这些方程能在一定温度区间内很好的描述土壤呼吸变化，较好的揭示CO2通量的季节变异性，但当温度过高或偏低时，其模拟精度下降明显。另外，徐小峰等研究了气候变暖对主要碳循环过程和植被、土壤碳库和凋落物碳库的影响，并探讨了气候变暖条件下陆地生态系统的碳源/汇关系。李琪等对半干旱区土壤温度对克氏针茅草原生态系统碳通量的影响进行了初步探讨，结果表明土壤温度和水分是影响克氏针茅草原生态系统碳收支的重要因子。干旱半干旱区生态系统地表水分含量低，蒸发量大，随温度的升高或增温时间的延长，土壤呼吸速率增长减缓甚至停止，对温度变化的敏感程度降低，表现为温度较低时，土壤呼吸主要受温度变化控制，温度偏高时，土壤呼吸主要受土壤水分等因素影响。这种情况说明土壤呼吸是温度与其他多种因子共同作用的结果。综上可知，干旱半干旱区生态系统碳循环的相关过程（包括光合作用以及呼吸作用等）与温度（气温与水温等）之间的关系十分复杂，但目前关于该区这方面的研究较少，今后急需加强干旱半干旱区生态系统各种生理过程与温度间响应关系的研究力度，使其更好地为研究该区生态系统碳循环服务。
3、水分条件
光照与温度虽然都是影响生态系统植被生长的重要因素，但各个区域的光照条件与温度的年内变化模式较稳定，年际变化也不大，而水分在年内与年际间都是变化最剧烈的环境因子，从而成为限制生态系统植被生长最普遍的因素。其中，降雨总量、降雨强度以及降雨时间变率的改变将会影响许多陆地生态系统的碳循环过程及碳源汇功能和大小，反过来，这些陆地生态系统的碳循环过程及碳源汇功能和大小的改变又可能对气候系统产生强烈的反馈，加剧或者减缓气候的变化。相对于其他陆地生态系统而言，干旱半干旱区碳循环过程对降雨变化的响应更为敏感，它所表现的弱源或者弱汇特征在降雨的扰动下容易发生方向性的逆转，从而使得碳源汇功能表现出极大的不确定性。目前，国内外学者针对干旱半干旱地区碳循环过程对水分变化的响应进行了一定的研究，许多研究表明：偶然性的降水事件对干旱区碳循环机制及生态系统的结构与功能有重要控制作用。Sponseller的研究结果表明，降雨使Sonoran沙漠的土壤呼吸迅速增加30倍；刘殿君研究了极端干旱区增雨对泡泡刺群落土壤呼吸的影响，实验结果也证明了在干旱地区降雨会使土壤呼吸急剧增加。另外，土壤水分是影响陆地生态系统CO2通量的重要环境要素，对植被的生长、根系分布、微生物活性等与土壤呼吸密切相关的生物因子起控制作用。李琪等探讨了水分对半干旱区克氏针茅草原生态系统碳通量的影响，结果表明，土壤水分的增加会提高克氏针茅草原生态系统的固碳能力、初级生产力及呼吸作用；还有研究表明，干旱区土壤呼吸的季节波动强度和土壤水分显著负相关，低土壤含水量群落土壤呼吸速率的季节变化对土壤水分变化的响应与高土壤含水量群落相比更为敏感，但夏季土壤呼吸的最大值与土壤水分的极值并无固定联系，但也有研究观察到夏季干旱时节，土壤仍具有较高的呼吸速率，该现象说明除了土壤水分外，其他环境因素也在起一定的控制作用。
4、其他环境因素
目前，除了辐射、温度、降水等环境因子外，学者们还研究了其他一些环境因素对干旱半干旱区生态系统碳循环进行了研究，如张新厚等研究了半干旱区土地利用方式变化对生态系统碳储量的影响，结果表明不同土地利用方式碳储量不同，杨树防护林带最高，樟子松-山杏疏林草地次之，沙质草地碳储量最低；白雪爽等分析研究了半干旱沙区退耕还林对碳储量和分配格局的影响，结果表明：随着退耕年限的增加，生物量碳储量不断积累，且其增加的碳库主要分配在树干，退耕还林初期，土壤有机碳储量表现出下降趋势，随后逐渐恢复甚至高于农田土壤碳储量；吕爱锋等对火干扰下生态系统碳循环进行了详细的综述与分析；樊恒文等综述了近年来干旱区土地退化与荒漠化对土壤碳循环的影响，评价了干旱区土壤碳的固存和在缓解温室效应方面的潜在能力，并讨论了干旱荒漠化地区对全球碳平衡的贡献和在干旱区促进土壤碳固存的基本策略；另外，于占源等研究探讨了半干旱区沙质草地生态系统碳循环关键过程对水肥添加的响应。
三、中国干旱半干旱区碳通量研究现状
植被与大气间的碳交换通量的准确和长期观测是评价陆地生态系统碳源、汇功能的基础和前提。通量观测网络是获取生态系统与大气间CO2和水热通量数据的有效手段，可以为分析地圈-生物圈-大气圈的相互作用关系，评价陆地生态系统在全球碳循环中的作用提供数据服务。目前，陆地生态系统碳收支的主要研究方法有：样地调查与清单法(inventories)，模拟实验研究法(inversemodeling)，CO2通量观测网络(fluxnet)以及模式模拟(patternmodeling)4种，其中，涡动相关法已经成为直接测定大气与群落CO2交换通量的最可靠方法，也是世界上CO2、水热通量测定的标准方法，在各个地区不同生态系统中都得到了广泛的应用。目前，中国通量网络的观测对象主要涉及了森林、草原、农田、湿地等，而对中国干旱半干旱区碳通量的研究较少，使得中国干旱半干旱区生态系统碳循环的研究仍处于初级阶段。目前对干旱半干旱区碳通量的研究主要集中在净生产力，光合作用，植被碳储量，土壤碳储量、土壤呼吸作用以及生物土壤结皮的固碳能力等方面，而对干旱半干旱区碳通量的长期连续观测较少。刘冉等对古尔班通古特沙漠南缘原始盐生荒漠地表水热与二氧化碳通量的季节变化进行了研究，结果表明净辐射通量、潜热通量和二氧化碳通量都具有明显的季节变化趋势，而显热通量的季节变化不明显；柴仲平等对干旱区绿洲冬小麦生态系统CO2源/汇关系进行了长期的研究，结果表明在小麦的整个生育期，可以净固定CO2的量为122.60t/hm2。
四、展望
通过以上综述可以知，中国干旱半干旱区生态系统碳循环研究基本处于初步阶段，许多研究依然存在诸多薄弱环节，总体来讲，今后中国干旱半干旱区碳循环研究应在以下几个方向进一步加强：
（1）从不同时空尺度探讨干旱半干旱区生态系统碳循环过程与强度，加强碳源/汇季节变化动态和区域分异的对比定位观测，同时加强机制研究中的多因子综合评价，增加研究和预测结果的可靠性。对干旱半干旱区生态系统碳循环已有的研究结果表明，不同环境因子在不同群落以及植物不同生长阶段影响程度与影响方向也有所不同，因此，要想准确评估整个干旱半干旱区生态系统碳源/汇贡献就必须对不同时空不同群落类型进行详细野外试验研究，以扩充中国干旱半干旱区生态系统碳循环研究的数据基础。
（2）进一步加强对影响干旱半干旱区生态系统碳源/汇的物理、化学以及生物过程研究。目前关于干旱半干旱区生态系统的碳循环机制尤其是许多细节研究都相对薄弱，碳循环研究过程中存在许多不确定性，今后研究中应有所加强。包括：植物呼吸与凋落物呼吸的定量测定、土壤不同形态碳的垂直分布规律以及非生长季（冬春季）与生长季影响机制的异同等。
（3）从整体和系统的角度研究干旱半干旱区生态系统碳循环。在已有的干旱半干旱区碳循环研究中，对植物、土壤的研究多局限于生态系统各个部分自身时空动态变化以及对周围环境因素响应，且各部分研究相对独立，而对于碳元素在大气-陆地生态系统储存库间的定量迁移转化关系涉及较少，从而缺乏整个系统的综合研究。
（4）制定统一的野外监测与试验方法，以便不同学者对研究数据、结果等进行比较与整合。目前已有的相关研究大多都相对独立进行，在观测方法、试验项目以及研究层次上均存在差异，从而使得数据间可比性较差，区域大尺度范围数据整合存在相当大困难，不利于对中国整个干旱半干旱区生态系统碳/源汇功能的综合评估。
作者：缑倩倩 屈建军 韩致文 肖建华 单位：中国科学院
