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《现代自然地理》董云社中国科学院地理科学与资源研究所dongys@igsnrr.ac.cn第四讲陆地表层环境生物地球化学循环目录1.相关基础理论2.国内外研究现状和发展趋势3.科学问题与国家目标4.地表温室气体生物地球化学循环理论5.研究实践？?1.1环境生物地球化学定义z环境生物地球化学是陆地地球系统自然和文化景观中人—地相互作用发生的普遍地学现象和主要的生物地球化学和化学地理过程，是一门具有高度综合性的交叉学科，它包括大气层、海洋、地壳内矿物以及有机体所发生的各种化学反应，以及在生命物质直接参与下地球表面的土壤、沉积岩、大气圈及水圈中的化学元素的迁移和转化。重点研究化学元素及其化合物（主要是污染物质）在地表环境中的形态、分布、迁移、转化、循环和归宿规律；自然和人文因素对这些过程的作用；不同过程和作用引起的环境、生物、健康效应以及防治对策。环境生物地球化学循环研究主要在局部生态系统和生物圈水平上进行的？，其中生态系统包括自然生态系统（如森林生态系统、草地生态系统等）和人工生态系统。生态系统的物质循环（circulationofmaterials）又称为生物地球化学循环（biogeochemicalcycle），是指地球上各种化学元素，从周围的环境到生物体，再从生物体回到周围环境的周期性循环。能量流动和物质循环是生态系统的两个基本过程，它们使生态系统各个营养级之间和各种组成成分之间组织为一个完整的功能单位。但是能量流动和物质循环的性质不同，能量流经生态系统最终以热的形式消散，能量流动是单方向的，因此生态系统必须不断地从外界获得能量；而物质的流动是循环式的，各种物质都能以可被植物利用的形式重返环境。同时两者又是密切相关不可分割的。生物地球化学循环可以用库和流通率两个概念加以描述。库（pools）是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的。这些库借助于有关物质在库与库之间的转移而彼此相互联系，物质在生态系统单位面积（或体积）和单位时间的移动量就称为流通率（fluxrates）。一个库的流通率（单位/天）和该库中的营养物质总量之比即周转率（turnoverrates），周转率的倒数为周转时间（turnovertimes）。如草原生态系统中土壤是元素贮存的一个库，凋落物也是元素贮存的一个库。根据元素循环的属性，环境生物地球化学循环可以分为三种主要的类型，即水循环、以O、C、N为代表的气态循环和以P、K、Ca、Mg为代表的沉积循环。其中，O、C、N等元素的贮库主要是大气和海洋，气态循环紧密地把大气和海洋联接起来，具有明显的全球性循环性质。1.1环境生物地球化学定义z环境生物地球化学循环研究也是黄秉维院士（1913-2000）提出的自然地理学三个新方向之一（1953年）。（地理学综合研究——黄秉维文集，商务印书馆，2003）？ChineseEcosystemResearchNetworkStationsThestationsrepresentingdiversetypicalecosystemsacrossthecountryAgro13Forest9Grassland2Dersertification6Lake2Gulf3Wetland1WarmtemperatezoneTemperatezoneTropicalzoneSub-tropicalzoneColdTemperatezoneSub-tropicalzoneAltiplanoclimatezone中国气候分类1.2环境生物地球化学科学意义①由于全球变化的10至100年时间尺度的地理环境变化主要是由物理气候和生物地球化学循环两个系统而调控，因此环境生物地球化学循环是当今地球系统科学研究的国际热点和地球科学与生命科学交叉研究的前沿领域，在推动地球系统科学研究、环境保护研究等方面都具有重要的学术地位，具有明显的社会、经济、环境效益。在国际上IGBP、IPCC、UNDP、SCOPE？等许多国际组织和许多国家都已经把环境生物地球化学和生物地球化学研究列为科学发展战略规划的主要项目之一。1.1环境生物地球化学科学意义②当今人类居住的行星已进入人文时期，地球表层系统人类（包括生物）的地球化学过程无处无时不在。揭示和应用这种规律是协调人－地（自然）关系关键所在，能够为防治环境污染、生态破坏、环境灾害，建设生态环境，发展工农业生产提供广泛而深远的理论依据和有效手段与途径。这也成为环境生物地球化学的时代任务。③科学发展到今天，其特点是学科的界限越来越模糊，学科的生长点常常在其交叉中萌发并孕育和推动新学科的发展。环境生物地球化学是当前地学、生物学、化学和环境科学等交叉中发展的活跃领域，是发展我国新兴科学战略的一部分。地球系统科学二十世纪地球科学的重大进展•板块构造理论•揭示了人类活动正以多种方式显著地影响着地球系统•全球观测系统和地球模拟系统的建立与应用地球系统科学是近代新兴的复杂而综合的新兴科学地球科学+物理学+化学+生物学+数学+信息科学+对地和空间观测+宇宙和行星科学的相关领域Partnership:IGBP-IHDP-WCRP-DIVERSITAS联合板块构造理论大陆漂移-海底扩张-板块学说三部曲：极大地推动了对了地球岩石圈宏观运动规律的认识，被称为地球科学的革命。板块构造理论是固体地球科学有史以来最重要的学术成就，被誉为地球科学一次全新的革命，其特点是全球化的演化史，改变了许多传统的概念和认识。全球被划分为欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印度洋板块和南极板块等6大板块；其间还有一些小板块，如可可板块、智利板块等o揭示了人类活动正以多种方式显著地影响着地球系统的运行；o人类造成的变化可以清晰地辨识出来，并超过了自然变率，其范围和影响可与许多大的自然强迫相提并论。揭示了人类活动正以多种方式显著地影响地球系统20世纪是14世纪以来最暖的世纪，全球平均温度升高了0.60C+/-0.2。90年代是本世纪最暖的十年Nature1920'so卫星遥感技术，提供了对整个地球系统行为进行长期、立体监测的能力；o计算机技术的发展为收集处理分析地球系统变化的庞大信息、发展复杂的地球系统的数学模式提供了工具。全球观测系统和地球模拟系统的建立与应用HowWeThinkAboutEarthSystemScienceForcesActingontheEarthSystemEarthSystemResponse第二节国内外研究现状和发展趋势2.1发展趋势环境生物地球化学是近20多年来发展起来的新兴学科。在地表环境（地理环境）进入人文时期，人类改造利用的生物圈向智慧圈演化，为协调人－地关系和促进可持续发展，生物地球化学经过半个世纪的发展已进入环境生物地球化学新阶段。它是把地表（地理环境）的化学、生物和人文过程（在一定程度上的物理过程）的相互关系和相互作用交叉、融合成地表的环境生物地球化学过程。正是这些基本原理和化学地理学（景观地球化学）为六十年代蔓延的、日益严重的环境问题提供了研究环境污染规律，维护生物圈秩序和生态平衡，改善环境质量的理论和方法，从而又丰富了环境生物地球化学的内涵，促进了它的发展。2.2主要科学进展1)从过去研究C、N、P、S的生物地球化学循环的地理景观（或生态系统）水平扩大到全球系统的范围，重视研究人类活动的影响，并初步阐明人类活动与全球变化、臭氧层耗损、酸雨和水体富营养化（包括赤潮）的成因和防治对策。2)在一定程度上阐明了汞、镉、铅、铬、砷、稀土元素等重金属元素，以及农药、多环芳烃等有机污染物在环境中迁移转化的生物地球化学规律，特别是在食物链中迁移、累积规律及其生物和健康效应。2.2主要科学进展3)创新地提出了智慧圈中人类地球化学作用的一系列学术思想和概念，如技术发生学、元素的技术迁移、元素的亲技术性、人源地球化学异常和分散晕等，并强调生物圈自组织性和生物地球化学循环性的重要。2.3研究现状中国在过去四十年里，曾进行过许多有关环境生物地球化学的研究，尤其是“六五”以后，国家环保局、农业部、中国科学院、国家海洋局等单位在我国环境状况调查和研究方面进行了大量的工作，积累了丰富的资料，…。但总的来说过去的工作侧重区域和背景状况的调查研究，缺乏机理和动态方面的研究工作，对与环境生物地球化学有关的可持续发展问题还没有足够清楚的认识与把握。2.3研究现状九十年代以后，中科院等科研单位与部分大专院校相继开展了环境生物地球化学研究项目，并积极跟踪IGBP、IPCC、UNDP、IHDP等国际组织/项目的活动，越来越多的硕士和博士研究生选择这方面的研究论题。然而目前国内的有关研究工作还比较零散，研究力量不够集中，尚未形成大型的研究计划和组织架构。在国际上，最近美国“国家基金会”、“欧共体”等均文字表示将环境生物地球化学研究，特别是陆地地球系统C、N、P、S循环研究列为21世纪前十年重点优先研究领域，联合国21世纪议程第35章“科学促进可持续发展”中也充分强调生物地球化学循环研究的必要性和重要性。2.4关注的重点科学问题探索和阐明天然和人工合成排放物质全球或区域范围内的生物地球化学循环，界面间的迁移转化与环境质量变化、灾害形成和损失程度的关系。a)全球碳的生物地球化学循环与气候变化的关系，及其增温引发的全球效应和公害、灾害关系的研究。b)全球氮循环和臭氧层耗损的关系；氮、磷生物地球化学循环与水体富营养化、农业可持续发展的关系。c)硫的生物地球化学循环与酸雨成因及生态、环境效应的关系。2.4关注的重点科学问题d)重金属与稀土元素、有机农药等化学制品的生物地球化学迁移规律和环境质量损害、生物效应、人体健康的关系等。并从化学形态、状态，地球化学相，生物的大分子、细胞、个体水平，环境要素界面间，生态系统，流域、城市、生物圈和全球系统不同层次进行各种研究。第三节科学问题与国家目标物质的生物地球化学循环是地表/地理环境中的最普遍规律。其中，C、N、P等元素的环境生物地球化学循环居首要地位。当前的核心科学问题是各生源要素的环境收支平衡性及对环境变化的响应性；各生源要素之间如何相互作用；又如何影响水、气、土、生等环境介质及其界面的物质循环和能量转换；生命过程如何调控地表环境和生态系统的生源要素；如何定量表征和预测以生命过程为核心的地球系统各组成部分之间生源要素的陆－水过程、水－气过程和地－气过程及其界面动力学通量。3.1.1碳碳元素是陆地表层生命有机体的关键组成部分，是参与陆地表层生物地球化学循环最活跃的元素之一，在漫长地质时期对碳素的固定是大气中产生氧气的近乎唯一的来源，决定了整个地球环境的氧化势，通过氧化还原反应，生态系统中其他元素的循环与全球碳和氧气循环紧密相连，同时碳元素的气态化合物如CO2、CH4、CO等也是大气中备受关注的重要气体成分，对大气化学和全球气候变化产生巨大的影响。3.1.1碳自18世纪50年代JosephBlack发现空气中存在CO2开始，特别是1938年Callendar提出大气中碳源汇不平衡这一碳循环的科学问题以来，人类就一直没有停止过对碳元素的探索和研究。60多年过去了，这个问题依然是困扰当今科学界的一大难题，目前对“未知的碳汇”数量解释大约为1.3-2.1PgC/a，同时解释这一问题可能发生在陆地生态系统，而土壤和植被导致“未知的碳汇”的可能性最大。研究陆地生态系统碳过程将是解释大气中“未知的碳汇”的重要依据。还有全球增温引起永冻土区有机质分解加快（青藏高原等地区）对全球大气中CO2浓度影响也愈来愈引起注意。源汇不清楚源[化石燃烧+土地利用]5.5(±0.5)+1.6(±0.7)汇[大气增加+北方森林+海洋+丢失的汇]3.2(±0.2)+0.6(±0.6)+2.0(±0.8)+1.3(±1.1)单位：PgC(1Pg=1015g)¾如果温室气体以目前排放速率持续下去，则地球表面的气温有可能每10年上升0.2℃。全球气温升高将会导致海平面上升、气候带移动、疾病增加；碳循环是全球变化研究中的一个核心部分。全球碳循环过程不仅与气候变化有关，而且与其它自然过程