二氧化碳（CO2）作為全球主要溫室氣體之一，其濃度正以每年2-3ppm的速度迅速上升，近年來更是達到前所未有的水平。隨著CO2濃度持續上升，全球氣候變暖程度逐漸加劇。截至2019年，全球平均氣溫水平相比于工業革命前已上升1.1℃，《巴黎協定》敦促各國政府將全球平均氣溫上升限制在遠低于工業革命前水平的2.0℃，并努力將其限制在1.5℃。如何削減二氧化碳帶來的溫室效應是當下人類社會面臨的重要難題，而減少區域碳排放量或人均碳排放量被認為是有效的碳減排途徑。中國政府在2020年聯合國大會第75屆會議上宣布了“雙碳”目標，力爭在2030年前實現碳排放達峰，2060年前實現碳中和，以促進生態保護和實現可持續發展目標。中國作為全球最大的人工林和天然林資源擁有國，當前正通過森林生態系統的恢復、自然擴張和可持續管理等策略，有效地吸收和儲存大量二氧化碳。相關研究表明，中國森林在吸收和固定大氣碳等方面發揮了顯著作用，在應對氣候變化方面具有積極影響。為了準確量化森林碳固存潛力，科學家們正在不斷建立更多實地監測站點并生成綜合數據集，以評估、模擬并預測不同尺度生態系統碳收支狀況。渦度相關方法提供了長期連續的碳通量計算，為模型建立和校準提供了科學基礎數據，在城市地區、農田、草地、森林和水體等多種生態系統中得到廣泛應用。
青藏高原被稱為“世界水塔”，水分被大量的冰川、積雪、湖泊和河流儲存并運送到周邊地區，滋潤涵養了廣闊的亞洲地區民眾。多站點氣象數據表明，半個世紀以來，青藏高原經歷了持續變暖，特別是青藏高原東部變得更加溫暖濕潤。在全球氣候變化日漸加劇的背景下，青藏高原越來越受到其它地區的深刻影響，深入了解氣候變化背景下的高寒生態系統碳動態有助于人們更深刻地理解區域可持續發展、生物多樣性保護和水土資源保持等重要議題。陸地蒸散量（Evapotranspiration，ET）表征了氣候、植被、土壤和地理的復雜相互作用，同時充當連接植被、土壤和氣候的紐帶，是水循環和能量平衡中不可或缺的重要組成部分。區域蒸散量可直觀展現一定地理空間內的傳統氣候類型和濕度狀況，揭示該地區干濕的時空演變特征和變化規律。蒸散不僅通過參與生態系統水分循環影響地區氣候，同時也被多個環境因素共同決定，對于森林生態系統的蒸散，目前公認的決定因素有太陽輻射與地面輻射、土壤水分、空氣溫濕度、飽和水汽壓差等，鑒于區域差異與生態系統多樣化，各個環境因子對蒸散的貢獻度各有不同，因此，多因子影響下的森林生態系統水分散失原理更需要去深入研究了解。
碳循環與蒸散、能量平衡之間存在密切聯系，構成了生態系統中復雜而相互依存的過程。植物通過光合作用將二氧化碳轉化為有機碳，并將其存儲在植物體內，隨著植物蒸騰進行，水分以水蒸氣的形式被釋放到大氣中，同時釋放一定量氣態碳，部分最終以二氧化碳的形式返回大氣，這均將導致地球表面氣體組成發生變化，進而影響地球能量平衡。能量平衡受太陽輻射、大氣和地表之間相互作用影響，而碳循環變化可以通過影響溫室氣體濃度，從而調節大氣中能量傳遞和輻射平衡。因此，碳循環、蒸散和能量平衡相互聯系，共同維持了地球生態系統的穩定性和氣候平衡。
本系列研究工作以西藏自治區三江并流核心區為研究區，該區海拔變化明顯，山區地形復雜多樣，是從中國西南部進入青藏高原的“門戶”，也是研究區域生物多樣性、山地生態系統功能和服務、植被恢復和重建以及其它重大生態科學問題的熱點地區。盡管青藏高原涵蓋了分布相當廣泛的高寒森林，但以往利用渦度相關法開展青藏高原東部森林碳-水-熱動態狀況的研究并不多見，這些森林的碳-水-熱動態在目前以及氣候變化背景下將如何變化仍不明確。用于研究青藏高原森林碳水循環與能量交換的監測數據并不多，目前還存在相當大的數據空白。基于此，本研究設置位于亞高山生態系統的通量監測站點，進行了為期三年的持續監測，并同步測量了周圍的微氣象環境因子。
植物功能生態與重大工程區鄉土植被恢復創新團隊的聯合培養碩士研究生朱牛同學（甘肅農業大學）在王金牛副研究員指導下，依托西藏芒康野外生態監測站（已列入首批自治區野外科學觀測研究站，我所為共建單位）的紅拉山滇金絲猴國家自然保護區渦度通量森林研究位點開展了碳-水-熱通量研究（圖1）。結果表明，亞高山森林具有明顯的季節性碳動態，夏季和秋季CO2交換率高，冬季和春季低，秋季是亞高山森林碳固持的高峰期。分析顯示，光合有效輻射（PAR）是驅動凈生態系統CO2交換（NEE）的主要環境因素，顯著影響森林和碳吸收，相對濕度（RH）增加降低了碳固定。在年尺度上，亞高山森林作為較大的碳匯，其平均凈生態系統交換量為?332至?351g C/m2（2020-2023年）。本研究還探討了青藏高原不同高寒生態系統碳固持貢獻，發現植被覆蓋度高的生態系統表現出更高的年累積碳固持量，在這些生態系統中，森林顯示出最高的碳固持潛力，平均每年達到368g C/m2。不同生態系統的碳固持潛力為：森林>草地>草原>灌叢。研究表明濕地是二氧化碳的重要來源。根據現有結果，在區域范圍上海拔的增加可能導致碳吸收減少，較高的年均溫度顯著增加了碳吸收，年均降水量對凈生態系統CO2交換的影響相對較弱。在水循環方面，亞高山森林水分散失過程主要包括地表蒸發和植被蒸騰作用，以各月半小時相同時刻測量數據為依據，得到各月份蒸散日內變化平均值（圖6）。蒸散通量表現出明顯的月份差異及“U”形曲線特征。極端天氣更可能在冬春季節引起不規則的變化。夏秋季節降水相對較多，環境更適合植物生長，蒸散的日變化幅度在生長季大于非生長季，生長季與非生長季存在顯著差異。亞高山森林生態系統中蒸散變化受多種因素影響（圖7）。凈輻射對蒸散影響最大，而相對濕度影響最小。除了相對濕度外，所有環境因素都與蒸散呈正相關。森林蒸散對飽和水汽壓差的響應最為敏感。
階段性系列成果以朱牛為第一作者，王金牛副研究員為通訊作者分別以“三江并流核心區亞高山森林非生長季凈生態系統CO2交換量及其影響因素”（原文鏈接1），“Unveiling evapotranspiration patterns and energy balance in a subalpine forest of the Qinghai–Tibet Plateau: observations”（原文鏈接2），“Using Eddy Covariance Observations to Determine the Carbon Sequestration Characteristics of Subalpine Forests in the Qinghai-Tibet Plateau”（原文鏈接3）為題，發表于國內外主流學術期刊《生態學報》，Journal of Forestry Research，Biogeosciences（歐洲地學聯合會EGU旗艦刊）。本研究得到中國科學院成都生物研究所吳寧研究員，西北生態環境資源研究院羅棟梁研究員、王旭峰研究員等諸位同行的大力幫助與指導。研究成果受到中國科學院西部之光西部青年學者項目（2021XBZG-XBQNXZ-A-007），中國國家自然科學基金項目（31971436），西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室開放基金（SKLCS-OP-2021-06）的聯合支持。
圖1 紅拉山滇金絲猴國家自然保護區亞高山森林通量站點（圖1-1：研究樣地在三江并流的地理位置；圖1-2渦度通量塔及植被背景特寫；圖1-3：研究樣地亞高山森林景觀圖）
圖2 2020年11月—2022年10月亞高山森林生態系統的月平均碳通量變化
圖3 亞高山森林生態系統的碳凈交換量與主要環境因子的關系
圖4 青藏高原通量研究站點及其生態系統碳交換潛力匯總分析
圖5 研究樣點亞高山森林生態系統的碳通量與蒸散的年際對比
圖6 亞高山森林生態系統的月平均蒸散動態（2020年11月—2021年10月）
圖7 亞高山森林生態系統的蒸散與主要環境因素的關系
附圖
附圖1?西藏自治區芒康生態監測臺站“一站多點”圖示
附圖2?院士專家團與自治區領導考察指導紅拉山亞高山森林監測站點工作
注：西藏自治區生態環境廳為了長期有效監測西藏生態安全屏障的功能發展態勢，依照《西藏生態安全屏障保護與建設規劃》（2008-2030年）設立西藏生態安全屏障生態監測站網(Tibet Ecological Security Monitor Network,TESMN)，共計11個站，吸納了國內院所校技術支撐單位。芒康野外生態監測站為我所與西藏自治區生態環境廳共建臺站，站點覆蓋芒康（總站）、左貢、八宿三縣域共計10處監測樣點。2023年入選首批西藏自治區野外科學觀測研究站。