碳循环是地球上最大的生物地球化学循环，它通过植物的光合作用，将大气中的C0₂固定为有机质，将太阳能转化成化学能，从而成为人类生产和生活中最基本的物质资料和能量来源．当生物圈与大气系统处于动态平衡时，碳循环也处于动态平衡之中，即生物圈从大气圈中吸收的C0₂，又几乎等量地释放到大气中．但近百年来，人类大量使用化石燃料，加之土地利用的改变，使得大气中的C0₂浓度显著增加，打破了生物圈一大气圈之间原有的碳平衡，并引发了全球温暖化、海平面上升等一系列重大环境问题．

    尽管化石燃料排放被认为是大气C0₂浓度增加的主要原因，但大气CO₂浓度的上升速率明显低于人为C0₂排放的增加速率，两者的年际变化也并非一一对应.这些差异的最主要根源可能来自陆地和海洋生态系统的碳汇作用及其年际变化．这个由20世纪70年代提出的问题，一直被视作“科学之谜”，吸引着不同学科的科学家展开研究。．

    最近研究表明，人类活动排放的CO₂有一半以上被陆地和海洋生态系统所吸收，但其大小和分布存在显著的不确定性，且年际差异巨大(图1(A))，进一步研究发现，全球生态系统碳源汇的时空不确定性主要来自陆地(图1(B))，因为相对于较为均一的海洋，陆地生态系统更为复杂多样。

    因此，明确陆地碳源汇的时空不确定性便成为目前全球碳循环研究的关键问题．区域碳收支是全球碳循环的基础，只有搞清楚区域碳源汇的空间特征，才能准确和全面认识全球碳循环的强度、过程和机制．为此，人们对区域碳循环的研究十分重视，先后实施了北美碳计划(NACarbon)、欧洲碳计划(EuroCarbon)和非洲碳计划(carbonAfrica)。通过这些碳计划的实施，各地相继发表了一些综合性的评估结果(http：／／www．Globalcarbonpr.org／carbontrends).

    东亚地区地处欧亚大陆的东缘、太平洋的西海岸，包括中国、日本、韩国、朝鲜和蒙古5个国家，面积约1176万平方公里，人口超过15亿。无论从气候特征、物种和生态系统的多样性程度以及以碳氮元素生物地球化学循环为代表的区域生态过程，还是从人类活动对区域生态格局和过程的影响深度和广度来讲，与欧美等地区相比，该地区都是重要和独特的，其碳循环研究的重要性绝不逊于前者．但是，该地区碳循环的研究水平整体上相当落后，更缺乏统一性和综合性．至少在3年前，东亚地区尚没有类似于欧美那样的综合性研究。

    在此背景下，由中曰韩三国政府基金机构共同支持的、旨在阐明东亚地区碳源汇大小、分布及其机制的中日韩前瞻合作项目(A3 Foresight Program)于2007年正式启动。3年来，在三国科研人员的努力下，该地区碳收支的研究取得了一些重要进展，缩小了与欧美国家的差距，并为培养后备研究力量起到了重要作用。

    那么，东亚地区的碳循环研究为什么重要?这由其自身的特点所决定。

    第一，东亚地区处于季风气候下，是全球气候变化最为显著的地区之一．例如，在过去20多年里，该地区的平均气温增加1．0℃以上，高于全球平均水平；降水格局也发生了显著改变。这些气候变化对生态系统格局和过程(包括碳循环)都将产生显著影响。

    第二，东亚地区几乎涵盖了地球上所有的生态系统类型(图2)。这里分布着从热带到寒温带、从湿润到极端干旱的多样化的气候类型，从而造就了丰富的生态系统类型：从南部的雨林季雨林、常绿阔叶林，到北方的常绿或落叶针叶林(这种南北连续分布的森林景观在日本列岛发育得尤为完整)；从绵延千里的东部大平原(长江中下游平原、华北平原、东北平原)到高耸入云的西部青藏高地；从茫茫的蒙古草原到赤地千里的戈壁荒漠。此外，亚热带／暖温带常绿阔叶林成为地球上的独特植被景观。这些多样的生态系统类型为验证生态系统碳循环对环境变化的响应以及与大气系统的相互作用提供了独特的区域。

    第三，该地区人口众多，人口密度高；不到8％的全球陆地养育着占全球21％的人口。东亚地区历史悠久，农业等生产活动对自然系统的影响巨大而深远。特别是该地区农业植被分布面积广，集约经营的农业生产活动显著影响着土壤有机碳的变化，但其数据极度缺乏。这些都使得该地区成为探讨土地利用变化对碳循环影响的独具特色的研究区域。

    第四，最近几十年里，东亚地区的人工造林和森林恢复显著，森林面积快速增加，使该地区的森林成为一个显著的碳汇。但另一方面，无论东亚各国还是整个区域，其反映区域植被生长的均一化值被指数(NDVI)并未显著增加，并且日本和韩国整体的植被覆盖在最近10多年里有下降的趋势(图3)。这种似乎相互矛盾的现象有待阐明。此外，如同世界上其他地区一样，对该地区的土壤在碳循环中的作用知之甚微，不同国家间的研究方法也有待统一和标准化。

    第五，目前的东亚地区不仅经济规模巨大，而且发展迅速，是世界上经济活动最为活跃的区域之一；快速推进的工业化和城市化过程消耗了大量的化石能源，从而向大气中排放了大量的C0₂，影响着区域和全球的碳循环，并引起了国际社会的高度关注．显然，阐明这类的人类活动对大气系统的影响将十分重要。

    最后，也是最具挑战的方面，就是该地区的政治和经济体制对包括碳循环在内的生态格局和过程产生着重要的影响。该地区的政治和经济体制是独特的和多元的：从经济最发达的日本，到欠发达的朝鲜和蒙古，以及正在实现经济转型的中国和介于日本与中国之间的韩国。一个有趣的现象是，在东亚地区，一个国家的经济体制与其碳收支有着密切的关联：伴随着经济的发展以及工业化和城市化的推进，工业源(化石燃料)CO₂大量排放，环境受到污染，紧接其后的却是植被的快速恢复和碳汇功能的增强．如果把这类生态状况向良性方向发展的现象称为“生态转变”(ecological transition)的话，东亚地区的“生态转变”是与经济发展紧密相联的。“生态转变”首先发生在日本(大约自20世纪50年代起)，之后转向韩国(20世纪60～70年代起)，然后发生在中国(自20世纪80年代起)。“生态转变”将来也会发生在朝鲜和蒙古.“生态转变”的发生时间与国家经济体制的密切关联，与经济发展必将导致生态恶化的传统认识是相违背的。“生态转变”对东亚地区碳循环的影响是一个有趣和重要的问题，值得深思和探究。

    针对上述特点的碳循环研究，不仅可以回答东亚地区碳源汇的大小、分布和自然因素的作用，还可以理解人文和政策因素与碳循环问题的关联，促进碳循环研究与人文学科的交叉。本专辑部分地反映了这些研究成果。

    本专辑包括14篇文章，分属4个部分。第一部分主要评述区域碳储量及其变化特征．方精云等人对中国草地碳平衡进行了较为全面地评述，得出了中国草地生态系统基本上属于中性碳汇的结论；黄耀等人讨论了中国土壤碳储量及其变化，认为中国土壤的碳储量在增加；徐冰等人分析了未来中国森林生物量碳储量的变化，认为中国森林未来是一个较大的碳汇；Choi等人模拟了气候变化下韩国森林植被格局的变化。第二部分主要报道不同地带森林生态系统的碳源汇变化，包括山地热带雨林1281、亚热带常绿阔叶林及温带森林等。第三部分主要讨论草地和农田生态系统的碳储量及其变化。马文红等人报道了中国北方草地生物量在过去25年中的变化；王亮等人分析了温带草地地上-地下生物量的分配格局；覃章才等人1341基于模型估算了中国农田土壤的固碳潜力；王成己等人基于长期施肥资料，分析了中国农田表土有机碳的动态变化。第四部分主要报道新方法在碳循环研究等方面的应用。Kim等人和Kwak等人利用航片和LiDAR数据估算了韩国某些森林类型的生物量碳储量和植物叶面积的变化。

本专辑主要由中日韩A3前瞻合作项目(A3 Foresight Program)资助．A3前瞻合作项目由中国国家自然科学基金委员会(NSFC)、日本学术振兴会(JSPS)和韩国国家研究财团(NRF)共同资助，各方项目的负责人分别为北京大学方精云教授、曰本岐阜大学Muraoka Hiroyuki教授和韩国高丽大学Son Yowhan教授。感谢中国国家自然科学基金委员会国际合作局常青先生、张英兰女士和张海涛博士在中方项目执行期间给予的指导和帮助；感谢王少鹏、朱江玲、岳超、赵霞在数据处理和文字校对等方面的帮助；感谢《中国科学：生命科学》主编王大成先生和编辑部在编辑出版过程中给予的支持和帮助。

方精云，唐艳鸿，SON YOWhan

(①北京大学城市与环境学院生态学系，北京大学地表过程分析模拟教育部重点实验室，北京,  100871; ②National Institute for Environmental Studies，Tsukuba，Ibaraki 305-8569，Japan；③Division ofEnvironmental Science andEcological Engineering，Korea University，Seoul 136-701，Korea)

中国科学：生命科学2010年第40卷第7期：561—565