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第四章全球碳循环1.碳循环与气候变化2.全球碳库3.陆地碳通量4.全球碳收支第一节碳循环与气候变化碳以二氧化碳(CO2)、碳酸盐及有机化合物等形式在不同的源——大气、海洋、陆地生物界和海洋生物界——之间循环。在地历时间尺度上，碳循环还包括沉积物和岩石之间的循环(图8.1)。CO2循环及相关过程1.大气中的CO2量由于大气中的CO2浓度可以相当精确地测定，因此，大气中储存的CO2量（大气碳库）也可以比较精确的计算得到。计算式为：式中，碳原子量为12，大气平均相对分子质量为29，空气平均质量为1.03kg／cm2，地球的表面积为5.1×108km2.地球表面积空气平均质量大气平均分子量碳原子量浓度大气碳量＝CO22.生物圈的生物量及生产力由于森林约占陆地植被生物量的90％，因此，森林植被生物量的准确估算对估算全球陆地植被碳库是关键的。因为大多数国家在森林资源清查工作中只测定森林材积部分，而对枝、叶、根部分并不作测定。因此可利用森林资源清查得到的材积资料和野外实测得到的森林生物量资料，计算二者之间的比值（即换算系数），再利用换算系数来反推国家／区域／全球的森林生产力。方精云等（1998）用下列关系式刻画了换算系数与林分大小的关系，并且证实了这种关系对各种森林都是适用的。他们为中国的主要森林类型建立了换算系数，并推算了它们的生物量。k：换算系数a，b：常量Xvol：林分材积bXakvol草地生物量＝（1-鲜草含水量）×（1-风干草含水量）×鲜草重农作物生物量＝（1-谷物含水量）×谷物产量／经济系数3.土壤有机碳库方精云（1996）利用土壤剖面的理化性质的测定资料和土类的面积，提出了中国土壤碳库的推算方法，计算我国平均深度为86.2cm的土壤总C量为186PgC，约占全球土壤总碳库的12.5％。土壤碳量＝土类总面积×土壤平均深度×土壤平均容重×平均有机碳含量4.土壤呼吸土壤呼吸是指土壤释放CO2的过程，主要包括植物根的呼吸、微生物的分解作用和菌根呼吸。土壤呼吸(gC·m-2·a-1)NPP(gC·m-2·a-1)图九个陆地植被生物圈年平均净初级生产(NPP)与年平均土壤呼吸速率之间的关系A=农业用地;B=北方森林;D=沙漠灌丛;F=温带森林;G=温带草原;M=湿润的热带森林;S=热带稀疏草原和干森林;T=苔原;W=地中海森林和荒原.土壤呼吸(SR)与NPP的最小二乘方线性回归方程为:SR=1.24(NPP)+24.5(R2=0.87),所有的单位均是gC·m-2·a-1.（Raich，1992）土壤呼吸(gC·m-2·a-1)年平均温度(℃)图1.2土壤呼吸与年平均气温之间的关系土壤呼吸(gC·m-2·a-1)年平均降雨量(mm)图1.3土壤呼吸与年平均降雨量之间的关系，直线表示两个变量之间的最小二乘方关系（Raich，1992）Q10在土壤呼吸测定中，Q10定律非常重要，它表示温度每升高10℃，土壤呼吸增加的倍数。式中，k2和k1分别为温度为T2和T1的呼吸速率。一般来说，Q10＝2，即温度每升高10℃，土壤呼吸速率增加2倍。12101012kkQTT研究表明，Q10值受温度的强烈影响，随着温度的升高，Q10逐渐减小（见下图）；这一结果对于预测全球变化后土壤有机质的动态变化十分重要。在低温地域，全球温暖化造成土壤有机碳分解的速率比在高温地区要高得多，即寒冷地区的温暖化会导致更多的有机碳分解向大气释放。02468100510152025303540温度Q10土壤呼吸速率的Q10值与温度的关系5.化石燃料燃烧释放A.化石燃料燃烧释放CO2的计算燃烧煤的计算：碳量＝耗煤量×有效氧化分数（0.982）×每吨标准煤含碳量（0.73257）燃油的计算：碳量＝标准煤当量×有效氧化分数×每吨标准煤含碳量×0.813注：0.813为在获得相同热能的情况下，石油释放CO2是煤释放CO2的倍数。燃气的计算：碳量＝标准煤当量×有效氧化分数×每吨标准煤含碳量×0.5610.561为在获得相同热能的情况下，燃气释放CO2是煤释放CO2的倍数。B.水泥生产排放CO2的计算碳量＝水泥产量×0.136碳失汇（missingcarbonsink）由Fig.3可知，在陆地圈，人类使用化石燃料每年向大气净释放CO2约5.4PgC，热带林破坏导致生物圈大气释放1.6PgC，共计7.0PgC；海洋每年从大气中净吸收2PgC，大气圈每年净增加3.4PgC，剩下的1.6PgC则去向不明，这就是著名的碳失汇现象。全球变暖温室效应增强大气C含量人类活动LUCC化石能源海洋碳收支MissingC陆地生态系统岩溶过程？？？在ＩＧＢＰ(国际地圈生物圈计划)框架下,ＩＧＡＣ(全球大气化学计划)、ＧＣＴＥ(全球陆地生态系统计划)、ＪＧＯＦＳ(全球海洋通量联合研究计划)、ＬＯＩＣＺ(海岸带陆海相互作用)等核心计划从不同角度开展观测研究.@csiro.auIPO,Canberra,AustraliaThePartnershipandStakeholdersIPCCNATIONAL/POLICYGOVERNMENTNATIONAL/REGIONALCARBONPROGRAMSINTERNATIONALPROTOCOLSObservationalProgramsIGOS-P[IGCO]CO2Panel[IOC-SCOR]IGBPWCRPIHDP3.[ESSP]TheConceptualFrameworkDisturbancesEcosystemPhysiologyAtmosphericCarbonTerrestrialCarbonOcean/CoastalCarbonBiologicalPumpClimateChangeandVariabil.SolubilityPumpUnperturbedCCyclePerturbedCCycleLandUseSystemsIndustryTransportSystemsOcean-useSystemsFossilCarbonPerceptionsofhumanwelfareChangesininstitutions&technol.PerceptionofaproblemFocus1:PatternsandVariability1995CO2EmissionsOceanCStorage(molm-2)OceanCFluxesTerrestrialNPPTakahashietal.2002)Sabine(unpublished)Crameretal.2000)Whatarethegeographicalandtemporalpatternsofcarbonsourcesandsinks?NPP:NetPrimaryProduction-净初级生产量GPP:GrossPrimaryProduction-总初级生产量R:Respiration-呼吸NPP=GPP-RFocus2:Processes,ControlsandInteractions00.10.20.30.40.50.60.700.20.40.60.8B=biomassH=humansEmergingPropertiesofthecoupledsystemPaleoNaturallydynamicsLandUseChangeInstitutionalResponsesWhatarethecontrolsandfeedbackmechanisms–bothanthropogenicandnon-anthropogenic–thatdeterminethedynamicsofthecarboncycleonscalesofyearstomillennia?CO2fertilizationNewBiosphericResponsesFossilFuelEmissionsFocus3:FutureDynamicsoftheCarbonCycleTerrestrialBiosphereCSinkCrameretal.2000IPCC2001Whatarethelikelydynamicsoftheglobalcarboncycleintothefuture?生物地球化学循环行星的地球化学循环是进入其系统的能量流动导致的必然结果，在有生命的行星上，地球化学循环演化为生物地球化学循环。氢、氧、碳、氮、磷、硫等有机质的基本化学组分，随着元素结合成生命组织，将增加能量状态；然后随生命组织的分解而降低能级，从而形成一个封闭的循环。生物地球化学循环就是指上述元素在固体地球、大气圈、水圈和生物圈中的传输转换过程。温室效应vs.温室效应增强温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。如果大气不存在这种效应，那么地表温度将会下降约33或更多。温室效应增强研究历史一、碳库和碳通量碳库：Cpool碳源：Csource碳汇：Csink碳通量：Cflux全球碳的含量为1023gC，除一小部分外，绝大部分以有机化合物（1.56×1022gC）和碳酸盐（6.5×1022gC）的形式埋藏在沉积岩中。全球近地表活动碳源中的总含碳量约为40×1018gC，可开采的化石燃料含碳量约4×1018gC，是前工业时期大气CO2存量590Gt(C)的7-10倍（它们正在以非天然的速率被氧化）。五个碳库大气碳库如表1所示,大气碳库的大小约为720ＧｔＣ(1Ｇｔ=1×1015ｇ)左右,在几大碳库中是最小的,但它却是联系海洋与陆地生态系统碳库的纽带和桥梁,大气中的碳含量多少直接影响整个地球系统的物质循环和能量流动。大气中含碳气体主要有ＣＯ2、ＣＨ4和ＣＯ等,通过测定这些气体在大气中的含量即可推算出大气碳库的大小,因此,相对于海洋和陆地生态系统来说,大气中的碳量是最容易计算的,而且也是最准确的。由于在这些气体中ＣＯ2含量最大,也最为重要,因此大气中的ＣＯ2浓度往往可以看作大气中碳含量的一个重要指标。海洋碳库海洋具有贮存和吸收大气中ＣＯ2的能力,其可溶性无机碳(ＤＩＣ)含量约为37400Ｇｔ(表1),是大气中含碳量的50多倍,在全球碳循环中的作用十分重要。从千年尺度上看,海洋决定着大气中的ＣＯ2浓度。大气中的ＣＯ2不断与海洋表层进行着交换,这一交换量在各个方向上可以达到90Ｐｇ/yr,从而使得大气与海洋表层之间迅速达到平衡。由于人类活动导致的碳排放中约30～50%将被海洋吸收,但海洋缓冲大气中ＣＯ2浓度变化的能力不是无限的,这种能力的大小取决于岩石侵蚀所能形成的阳离子数量。一般来讲,海洋碳的周转时间往往要几百年甚至上千年,可以说海洋碳库基本上不依赖于人类的活动。陆地生态系统碳库据估算,陆地生态系统蓄积的碳量约为2000Ｇｔ左右(见表1)。其中土壤有机碳库蓄积的碳量约是植被碳库的2倍左右(从热带森林的1∶1到北部森林的5∶1不等。无论是对植被碳库还是土壤碳库,各估算值之间都有很大差异,这主要是由于不同估算方法之间的差异(假设条件、各类参数取值、测定的土壤深度、调查的土壤类型、植被类型全面与否等)以及估算中的各种不确定性造成的。海洋中层与91.6深层水体38100表层沉积物1500.2化石燃料的燃烧及水泥生产5.5466溶解的有机碳70050100海洋表层10209290750大气3海洋生物40土地利用变化1.60.560全球净初级生产力与呼吸消耗61.315806102190土壤与碎屑物植被单位X1510gC/a韩信国,李凌浩,黄建辉主编.生物地球化学概论[M].北京:高等教育出版社,1999.177～185.C源vs.C汇（以大气为对象）固体地球：火山爆发喷射CO2以及某些岩石风化