碳循环与全球气候变暖研究综述

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date碳循环与全球气候变暖研究综述全球变化课程论文要求碳循环与全球气候变暖研究综述李镜尧*（华东师范大学资源与环境科学学院地理系，上海 200062）摘 要：九十年代以来，大量观测和研究表明全球气候逐渐变暖，并同时导致其他一系列的全球变化问题。CO2作为主要的温室气体之一，越来越受到人们的重视，碳循环也成为了国际全球变化研究的重要主题。笔者总结了当前国际上有关碳循环与全球气候变暖研究的主要内容和研究方法。主要包括：(1)人类活动对碳排放的影响；(2)森林生态系统的碳循环与管理；(3)河流碳循环对全球变化的影响；(4)土壤呼吸作用和全球碳循环。在总结了碳循环与全球气候变化研究动态的同时，提出了今后研究中应该重视的问题。关键词：碳循环；全球变化；人类活动0 引言气候变暖近年来一直是全球变化领域研究热点和国际环境谈判的焦点1。IPCC第四次评估报告表明：19062005年，地表平均温度已经上升了0.742；世界气象组织评估认为，2010年为全球有记录以来最热年份，比19611990年间平均气温高了0.53，中国2010年平均气温较常年偏高0.7，是 1961年以来第十个最暖年，也是第十四个连续气温偏高年3。全球气候变暖的主要原因有人为因素也有自然因素，虽然究竟哪类因素起主导作用任然存在争议，但这不属于本文讨论范围，笔者认为人类活动与温室效应的影响是导致气候变暖的主要原因。地球温室效应是由于人类在长期生产和生活叶，不断向大气层大量排放各种各样有害气体而造成的。在这些有害气体中，最主要的是二氧化碳。此外，还有氟、氯化碳、臭氧、甲烷、氢氧化物、氯化物等40多种微量气体。二氧化碳等有害气体不能吸收太阳短波辐射，而让太阳热辐射顺利通过大气层到达地而，而且它们能够吸收大部分地面长波辐射，而使地面辐射热无法散发到外层间去，像温室的作用一样，从而导致地面和低层大气温度逐渐升高4。这就是地球温室效应。因气温效应的气体称为温室效应气体。人类活动通过化石燃料的燃烧以及将森林、草原转换成农业或其它低生物量的生态系统，将岩石、有机体以及土壤中的有机碳以CO2的形式释放到大气中从而增加大气中CO2的含量。从上世纪 70年代后期开始全球碳循环研究受到人类的普遍关注，特别是几十年到几百年尺度上的人类活动如化石燃料(煤、石油和天然气等) 的燃烧和非持续土地利用 (砍伐森林、开垦草地、 改造沼泽等) 对碳排放的影响。进入20世纪90年代以来，全球变化研究领域日益加强了对全球碳循环的研究5。在大气中，二氧化碳是含碳的主要气体，也是碳参与物质循环的主要形式。在生物库中，森林是碳的主要吸收者，它固定的碳相当于其他植被类型的2倍。森林又是生物库中碳的主要贮存者，贮存量大约为4.821011 t,相当于目前大气含碳量的2/3。在水圈中以多种形式存在生物库中则存在着几百种被生物合成的有机物。这些物质的存在形式受到各种因素的调节。河流连接陆地生态系统和海洋两大活动碳库，构成全球碳循环的一个关键环节。河流碳的输出及循环过程与近岸水域环境、海洋碳库变动及全球气候系统紧密相关。有机碳在全球碳循环系统中处于核心地位。了解河流有机碳通量及性质变化是目前河流碳循环研究的重要内容之一。土壤呼吸作用是全球碳循环中一_*作者简介：李镜尧，男，1989，在读硕士（学号51110801052），地图学与地理信息系统专业温室气体反演方向。E-mail：kuntaljy个主要的流通途径，导致土壤碳以CO2形式流向大气圈。全球土壤中碳贮存量的增加有助于缓和人为CO2的进一步释放，而土壤CO2的流失则显著地加剧大气CO2的升高和增强温室效应6。1人类活动与碳排放人类燃烧矿物燃料以获得能量时，产生大量的二氧化碳。从1949年到1969年，由于燃烧矿物燃料以及其他工业活动，二氧化碳的生成量估计每年增加4.8%。其结果是大气中二氧化碳浓度升高。这样就破坏了自然界原有的平衡，可能导致气候异常。矿物燃料燃烧生成并排入大气的二氧化碳有一小部分可被海水溶解，但海水中溶解态二氧化碳的增加又会引起海水中酸碱平衡和碳酸盐溶解平衡的变化。目前全球碳循环研究已经确定的与人类活动有关的3个主要源是：化石燃料燃烧、水泥生产和土地利用变化。关于人类经济活动与碳排放的研究主要集中在以下四个方面：1.1能源消费与碳排放化石燃料燃烧是目前大气中碳含量增加的首要原因，每年大约向大气中排放6.06.5 PgC，约占大气中碳排放总量的70%左右，而世界能源需求的80%85% 来源于化石燃料。因此，如何通过能源消费结构的改变、能源利用率的提高、能源利用技术的改进减少碳排放是当前各国科学家研究的重点之一5。能源消费量与碳排放密切相关。20 世纪人类的能源消耗量增加了16倍，同期CO2的排放量超过了10倍7。在大部分高碳排放的亚洲国家里CO2排放量的增加与能源消费的增加几乎一致。因此，降低能源消费的增加速度肯定能减少CO2的排放量。然而，在经济继续增长的情况下，世界能源消耗量还将继续增加，不可能只通过减少能源消费量实现大气中CO2平衡。这就需要提高能源利用率并寻求新型的、低碳能源代替高碳能源，即能源结构问题。减少化石燃料能源消费, 增加核能以及生物能源、风能、水能、太阳能等可更新能源的使用是减少大气中CO2排放的重要措施。然而，必须对减少化石燃料能源消费的可行性进行研究，包括土地资源供应、基础设施转换、新型能源技术等。1.2经济发展与碳排放主要研究不同经济发展阶段、经济结构、经济发展速度等对碳循环的影响。因为不同的经济发展阶段、经济结构、 以及经济发展速度对能源需求量及能源转换效率不同。首先，全球CO2排放量的增加大部分源于经济发达地区。1990 年38个经济发达的工业化国家占全球CO2排放量的份额为67%，其余161个发展中国家和地区仅占33%。其次，不同经济发展阶段，由于经济结构不同，碳排放与经济增长的关系有所差异。对于工业化后期向信息化社会转换的国家， 经济增长主要靠高新技术和第三产业的拉动，此能源消费的增长明显低于GDP 增长；而对于正处在工业化发展阶段的国家来讲，第二产业的增长是经济增长的主要组成部分GDP增长的速度几乎与能源消费的增长一致，甚至低于能源消费的增长。图1显示出1980年到1996年亚洲一些国家GDP增长与能源消费增长的关系。由图1可以看出，日本的GDP增长快于能源消费的增长，其他亚洲大部分国家的GDP增长小于能源消费的增长。图1 能源消费与GDP增长Fig.1 Energy and GDP growth rates1.3农业生产与碳循环农业生产在全球温室气体（包括CO2、CH4、N2O）循环中占有重要地位。在过去200年里 由于农业土地利用的变化，即由自然生态系统向人类管理生态系统的转换，已经导致了大约相当于同期化石燃料燃烧向大气中排放的CO2。20世纪20年代以前农业一直是大气中碳排放的主要来源。在19世纪，农业的快速扩张导致植被和土壤中的有机碳流失。18世纪中叶以来，大气中CH4浓度增加了一倍多，其中约有70%是人类活动的结果，如水稻种植、生物燃烧、牲畜数量的快速增长等。农业生产对碳循环的影响具有“双刃剑”的作用。它既是碳“源”又是碳“汇”。在历史时期农业生产通过将自然生态系统特别是热带森林转换成农业土地利用，增加了大气中CO2排放。尽管如此，农业也可以通过土地利用的变化、土地整治等增加碳“汇”减少CO2的排放。从而使农业生产由碳“源”变为碳“汇”。2森林生态系统的碳循环森林生态系统在碳循环中的作用从人类认识到温室气体尤其是二氧化碳浓度的升高会使全球气温变暖，从而带来一系列严重生态环境问题时，就展开了对碳素循环的研究。而森林生态系统作为吸收二氧化碳释放氧气的一个大碳汇，在碳循环中起着非常重要的作用。全球森林面积为41.61亿公顷，其中热带、温带、寒带分别占32.9%、24.9%和42.1%。全球陆地生态系统地上部的碳为562Gt，森林生态系统地上部的含碳量为483Gt，占了86%。全球陆地生态系统地下部含碳量为1 272Gt，而森林地下部含碳约927Gt，占整个世界土壤含碳量的73%。2.1森林生态系统的碳固定森林生态系统中的碳最终被固定于森林植被碳库和森林土壤碳库中。森林植被碳贮量为359766Gt，汇聚着全球植被碳库的86。森林植被的碳库是研究森林生态系统向大气吸收和排放CO2的关键因子。森林土壤碳库占全球土壤碳库的73，它受人类活动的影响较大，内部组成和各种反馈机制极为复杂，在减少陆地生态系统碳收支不平衡中起着关键作用。总之，森林生态系统碳库贮存的总碳量为8541505Gt，每年固定的碳约占整个陆地生态系统的2/3。它是陆地上最重要的碳库，不仅在维护区域生态环境上起着重要作用，而且在全球碳平衡中也有着巨大的贡献。2.2森林生态系统的碳释放森林生态系统碳释放包括森林植被碳释放和森林土壤碳释放。植物光合作用形成的碳库，通过森林植被碳释放（自养呼吸）和土壤及枯枝落叶层中有机质的腐烂（异养呼吸）归还大气。但由于森林生物个体及其不同器官均以不同的速率进行着呼吸作用，森林植被碳释放随着森林本身的生物学特征（年龄、生长状况等）和环境因子（气象、土壤、季节等）存在着显著的时空变异。森林土壤的碳释放通过土壤呼吸进行，土壤呼吸主要由根呼吸和微生物呼吸构成，根呼吸对土壤呼吸的贡献率为1090，另有极少部分来自于土壤动物的呼吸、化学氧化和枯枝落叶层呼吸。森林通过植被和土壤的碳释放形成了大气森林植被森林土壤大气整个森林生态系统的碳循环8。森林生态系统碳循环可比喻成一个生物泵。2.3森林生态系统的碳平衡森林生态系统的净碳收支是一个碳获得过程（光合作用、树木生长、林龄增长、碳在土壤中积累）与碳释放过程（生物呼吸、树木的死亡、凋落物的微生物分解和土壤碳的氧化、降解及扰动）之间的差值，称之为碳平衡，如为负值表现为碳源，为正值则表现为碳汇。森林的生物量贮存着大量的碳，按植物生物量的含碳量为4550计，则整个森林生态系统的生物量近一半是碳素含量；植物碎屑的含碳量在整个森林生态系统中占的比例不大，但也是一个不容忽略的碳库，减缓它的沉淀和分解对于森林生态系统的固碳量起着重要的作用；森林土壤汇集了全球土壤碳库73的碳，是森林生态系统中的最大碳库。在全球碳循环的过程中，森林往往是一个巨大的碳汇，但由于森林破坏和退化的加剧以及一些人为干扰的影响，森林植物呼吸和森林土壤呼吸释放到大气中的碳素量增加，森林生态系统就可能成为碳源，可能会加剧全球的温室效应，并导致全球生态环境的恶化。因此，森林生态系统碳平衡具有极大的不确定性。森林生态系统碳循环管理在全球变化科学中处于重要的核心地位旧。3河流碳循环与全球变化河流碳主要以四种形式存在，包括颗粒有机碳(POC)、溶解有机碳(DOC)、颗粒无机碳(PIC)和溶解无机碳(DIC)。实际上，在天然水体中颗粒大小的分布是连续的，颗粒态与溶解态的划分也是相对的。依据来源的不同可以将河流碳分为自源和异源两类，流域陆地侵蚀产物构成河流异源碳的主体9。河流碳循环研究以流域为基本单元，主要探讨河流中以各种不同形式存在的碳的通量、组分、来源、归宿及其理化性质的变异等。目前，对有机碳的研究远较无机碳广泛深入，除了确定通量，还进一步探究其不同组分的来源及特性。另外，流域间的比较和数据外推也很普遍。3.1河流有机碳的研究有机碳在全球碳循环系统中处于核心地位。了解河流有机碳通量及性质对于确定人类和自然因素对生态系统及养分循环的扰动，或认识全球元素生物地球化学循环的长期趋势具有重要意义。POC和DOC是河流有机碳的基本赋存形式。在从陆向海的输移过程中二者发生相互转化，河流流程长短及流速快慢等因素影响转化的量及方向。通常河流向海洋的碳输移，在较大的河流中以DOC为主，在较小的河流中以POC为主，长江、黄河例外，其POC/DOC比值分别为3和75。河流DOC通量主要受控于径流深度、流域坡度和土壤有机碳储量。一般地，流量越大、地形越平、土壤有机碳储量越高，DOC通量就越大。POC的输移则主要依赖于控制沉积动力的物理过程和微生物降解，尤其受洪水影响，其通量、组分的季节变异远比DOC显著。POC分性质活跃的、性质稳定的和化石碳三类，性质活跃的组分在输移过程中易发生变化，被氧化消失在河流、河口和海洋中；性质稳定的组分主要源于土壤侵蚀，已经高度降解，稳定汇人海洋，是海底沉积物中有机碳的一个重要来源；化石碳源自陆地岩石的机械侵蚀，性质极其稳定。3.2流域比较研究评价人类活动效应的最好方法是进行流域(不同尺度、海拔、气候、岩性、人类扰动程度)间的比较研究。小流域与大流域在陆架沉积过程，悬移质输出和海岸带沉积间的耦合过程等方面也存在巨大差异。大型河流系统由于流程长、流域面积广。物质在输移过程中不断发生沉积。其POC人海通量在总有机碳(TOC)通量中的比重不大，陆地沉积可能在有机碳预算中扮演重要角色。以往的研究多集中在较大的流域，然而，已有资料表明，山地小流域的沉积物产出量约为9.5Gt/a，按照1.2的含C量计算，将产出0.11GtC/a，占到全球河流POC(0.173Gt/a)产出的64。高全洲等对季风流域与非季风流域河流碳输移的差异进行了比较指出亚洲季风区河流碳通量研究的迫切性。在1980s执行的“Transport of Carbon and Minerals in Major World Rivers”研究计划中，虽然对南亚的一些大河作过较详细的研究，但对我国境内湿热流域的研究却几乎是空白。4土壤呼吸作用与全球碳循环全球土壤呼吸作用的碳的估计量为68 Pg /a至l00 Pg /a，约是输入土壤表层新鲜岩屑数量的2. 33. 3倍，仅次于全球陆地总初级生产力(GPP)的估算值l00l20Pg /a而高于净初级生产力(NPP)的量值5060 Pg /a，是全球碳循环中一个主要流通途径(图2)。图2 全球碳循环（据Sch1esinger l997修订）Fig.1 The global carbon cycle4.1大气CO2和全球温度升高对土壤呼吸的影响若其他变量保持不变，大气中CO2的增高（增强植物生长）将会导致更多的植物碎片进入土壤，其中小部分未被分解使土壤成为大气CO2的一个汇。另一方面，大部分土壤中的微生物群落是受有机物的可利用量所控制的。在加利福尼亚州一块暴露于升高的CO2浓度下3a的草地群落的实验中，可以观测到地下微生物群落活动的增强，来自土壤表层的CO2通量碳从323gm-2a-1增加到440 gm-2a-1。这就是说，高的CO2浓度下的植物生长可以增加土壤中额外的碳。但是其中的大部分很可能通过微生物的分解作用（异养呼吸）又以CO2返回到大气圈。然而，在寒冷地带，例如北方森林，低温大大抑制了分解作用，有利于大量的有机碎片聚积在土壤中。如果地球温度因温室效应而上升，全球土壤也随之变得更热，特别是高纬度地区，除了一些沙漠地区外，土壤呼吸随温度升高而增强。根呼吸对温度升高尤其敏感，几乎所有全球气候变化模型都预示全球变暖将会导致土壤中碳的下降。4.2碳截留和免耕作用地球土壤含有大约l 500 Pg 的碳，是地表陆地上最大的碳库，比地球植被中贮存的碳含量约大l.7倍。全球的作物农业（即不包括放牧地）面积约为l7亿hm2，其土壤碳储量为l70Pg，约占世界土壤碳总储量的11%。全球土地利用变化资料表明，在过去2个世纪里，陆地生态系统排放的碳量占人类活动释放CO2总量的一半6。在农业土壤中，减少CO2净释放和增加土壤碳贮存是同等意义的，这一过程称作碳截留。增加土壤的碳贮存意味着要增加碳输入量和（或）减少土壤异养呼吸作用。我们已认识到能使农业土壤中碳含量增高的机制，土壤碳含量的高低受植物残留体的碳输入与主要由分解作用引起的碳流失之间的平衡关系的控制。这样，有关碳截留（增加碳）的土壤管理过程就可直接理解为增加残留物输入量和（或）减少分解速率（即异养呼吸）。降低农业土壤中CO2释放量的管理措施之一是减少或免除土壤耕作。土壤扰动最小的耕作实践是免耕作，也称为零耕作或直接播种。传统耕作（使用犁）有损于土壤构造，增加团聚体被破坏的敏感性。研究资料表明，当将传统耕作转变为免耕作之后，土壤团聚体的数量和稳定性有明显增加，从而减少了团聚体内部有机质的分解作用。5 小结（1）不仅要重视碳循环的自然过程，更要重视人类活动对碳循环的影响。调整能源消耗、农业生产以及经济发展结构。收集整理结构人类活动与碳循环的资料与数据，建立综合分析模型，以便为定量化的研究打下基础，加强说服力。（2）从不同尺度上加强森林生态系统的碳循环管理：生态系统内部碳循环管理，包括森林植被及森林土壤碳过程管理；森林土壤森林植物大气系统水循环系统的碳交换过程管理；以森林生态系统碳循环为核心的生物地球化学循环管理；区域或国家尺度上森林生态系统的碳循环过程管理。（3）从不同的角度评价河流在全球碳循环中的重要性：纵向上以河流输移入海物质通量及其特征的准确数据作支撑；横向上，河流下游及河口近岸带还发生水气界面CO2气体垂直交换；微观上，元素在不同粒径颗粒物及胶体表面的吸附、分解反应的活跃程度各不相同；宏观上，河流碳循环受气候、水文、地表植被覆盖和地质构造等自然环境因素及人类活动的双重控制和影响。（4）土壤呼吸是全球碳循环中重要的流通途径，土壤呼吸的变化将显著影响大气 CO2的浓度，控制土壤呼吸将能有效缓和大气CO2的升高和温室效应；大气CO2和全球温度升高的联合作用使土壤呼吸加剧，加快了碳从土壤中的释放；大量实践证明，实行免耕作将有利于延长碳的平均滞留时间，减少有机质流失，能有效缓和大气CO2的升高和温室效应。参考文献：1 齐玉春, 董云社. 中国能源领域温室气体排放现状及减排对策研究J. 地理科学, 2004,24(5):528-533.2 张志强, 曲建升, 曾静静. 温室气体排放评估指标及其定量分析J. 地理科学, 2008,63(7):693-702.3 张乐勤, 许信旺. 气候变暖背景下碳足迹研究现状与展望J. 中国科技论坛, 2011,8:99-105.4 郑锦文. 浅析全球气候变暖的影响与防治措施J. 北京电力高等专科学校学报, 2011,10.5 刘慧, 成升魁, 张雷. 人类经济活动影响碳排放的国际研究动态J. 地理科学进展, 2002,21(5),420-429.6 李玉宁, 王关玉, 李伟. 土壤呼吸作用和全球碳循环J. 地学前缘(中国地质大学,北京),2002,9(2),351-356.7 McNeill J R. 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Include: (1) Human activities on the impact of carbon emissions; (2) The carbon cycle of forest ecosystems and management; (3) River carbon cycle on the impact of the global changes; (4) Soil respiration and the global carbon cycle. The author summarizes the carbon cycle and global climate change research trends, proposed the problem which should be paid attention to in future research. Key words: Carbon cycle; Global change; Human activities-