第4章 全球碳循环.ppt
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1、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.全球碳收支第一节第一节 碳循环与气候变化碳循环与气候变化n n碳以二氧化碳碳以二氧化碳(CO(CO2 2)、碳酸盐及有机化合物等形式在不同、碳酸盐及有机化合物等形式在不同的源的源大气、海洋、陆地生物界和海洋生物界大气、海洋、陆地生物界和海洋生物界之间之间循环。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间的循环(图图8.1)8.1)。CO2循环及相关过程循环及相关过程1.1.大气中的大气中的COCO2 2量量由于大气中的由于大气中的COCO2 2浓度可以相当精确地测定,
2、因此,大气中储存浓度可以相当精确地测定,因此,大气中储存的的COCO2 2量(大气碳库)也可以比较精确的计算得到。计算式为:量(大气碳库)也可以比较精确的计算得到。计算式为:式中,碳原子量为式中,碳原子量为1212,大气平均相对分子质量为,大气平均相对分子质量为2929,空气平均,空气平均质量为质量为1.03 kg1.03 kgcmcm2 2,地球的表面积为,地球的表面积为5.15.110108 8 kmkm2 2.2.2.生物圈的生物量及生产力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由于森林约占陆地植被生物量的9090,因此,森林植被生物,因此,森林植被生物量的准确估算对估算全球陆
3、地植被碳库是关键的。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,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(即者之间的比值(即换算系数换算系数),再利用换算系数来反推国家),再利用换算系数来反推国家区域全球的森林生产力。区域全球的森林生产力。方精云等(方精云等(19981998)用下列关系式刻画了换算系数与林分大
4、)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。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。们的生物量。k k:换算系数:换算系数a a,b b:常量:常量XvolXvol:林分材积:林分材积草地生物量(草地生物量(1-1-鲜草含水量)鲜草含水量)(1-1-风干草含水量)风干草含水量)鲜草重鲜草重农作物生物量(农作物生物量(1-1-谷物含水量)谷物含水量)谷物产量经济系数谷物产量经济系数3.3.土壤有机碳库土壤有机碳库方精云(方精云(199
5、61996)利用土壤剖面的理化性质的测定资料和土类的)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86.2cm86.2cm的土壤总的土壤总C C量为量为186PgC186PgC,约占全球土壤总碳库的,约占全球土壤总碳库的12.512.5。土壤碳量土类总面积土壤碳量土类总面积土壤平均深度土壤平均深度土壤平均容重土壤平均容重平均平均 有机碳含量有机碳含量4.4.土壤呼吸土壤呼吸土壤呼吸是指土壤释放土壤呼吸是指土壤释放COCO2 2的过程,主要包括植物根的呼吸、的过程,主要包括植物根的呼吸、微生物
6、的分解作用和菌根呼吸。微生物的分解作用和菌根呼吸。土土 壤壤 呼呼 吸吸 (gCm-2a-1)NPP(gCm-2a-1)图图 九个陆地植被生物圈年平均净初级生产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gCm-2a-1.(Raich,1992)土壤呼吸土壤呼吸(gCm
7、-2a-1)年平均温度年平均温度()图图1.2 土壤呼吸与年平均气温之间的关系土壤呼吸与年平均气温之间的关系 土壤呼吸土壤呼吸(gCm-2a-1)年平均降雨量年平均降雨量(mm)图图1.3 土壤呼吸与年平均降雨量之间的关系,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)Q10n n在土壤呼吸测定中,在土壤呼吸测定中,Q Q1010定律非常重要,它表示温度每升高定律非常重要,它表示温度每升高1010,土壤呼吸增加的倍数。,土壤呼吸增加的倍数。式中,式中,k k2 2和和k k1 1分别为温度为分别为温度为T T2 2和和T T1 1的呼吸速率。的呼
8、吸速率。n n一般来说,一般来说,Q Q1010 2 2,即温度每升高,即温度每升高10 10 ,土壤呼吸速率,土壤呼吸速率增加增加2 2倍。倍。n n研究表明,研究表明,Q Q1010值受温度的强烈影响,随着温度的升高,值受温度的强烈影响,随着温度的升高,Q Q1010逐渐减小(见逐渐减小(见 下图);下图);n n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,即率比在高温地区要高得多,即寒冷地区的温暖化会导致更寒冷
9、地区的温暖化会导致更多的有机碳分解向大气释放多的有机碳分解向大气释放。土壤呼吸速率的Q10值与温度的关系5.5.化石燃料燃烧释放化石燃料燃烧释放A.A.化石燃料燃烧释放化石燃料燃烧释放CO2CO2的计算的计算B.B.燃烧煤的计算燃烧煤的计算:C.C.碳量耗煤量碳量耗煤量有效氧化分数(有效氧化分数(0.9820.982)每吨标准煤含碳每吨标准煤含碳量(量(0.732570.73257)D.D.燃油的计算燃油的计算:E.E.碳量标准煤当量碳量标准煤当量有效氧化分数有效氧化分数每吨标准煤含碳量每吨标准煤含碳量0.8130.813F.F.注:注:0.8130.813为在获得相同热能的情况下,石油释放为
10、在获得相同热能的情况下,石油释放CO2CO2是煤是煤释放释放CO2CO2的倍数。的倍数。1.1.燃气的计算燃气的计算:2.2.碳量标准煤当量碳量标准煤当量有效氧化分数有效氧化分数每吨标准煤含碳量每吨标准煤含碳量0.5610.5613.3.0.5610.561为在获得相同热能的情况下,燃气释放为在获得相同热能的情况下,燃气释放CO2CO2是煤释放是煤释放CO2CO2的倍数。的倍数。B.B.水泥生产排放水泥生产排放CO2CO2的计算的计算碳量水泥产量碳量水泥产量0.1360.136碳失汇(碳失汇(missing carbon sink)由由Fig.3Fig.3可知,在陆地圈,人类使用化石燃料每年向
11、大气净释放可知,在陆地圈,人类使用化石燃料每年向大气净释放CO2CO2约约5.4 PgC5.4 PgC,热带林破坏导致生物圈大气释放,热带林破坏导致生物圈大气释放1.6 PgC1.6 PgC,共,共计计7.0 PgC7.0 PgC;海洋每年从大气中净吸收;海洋每年从大气中净吸收2 PgC2 PgC,大气圈每年净增,大气圈每年净增加加3.4 PgC3.4 PgC,剩下的,剩下的1.6 PgC1.6 PgC则去向不明,这就是著名的碳失汇则去向不明,这就是著名的碳失汇现象。现象。全球变暖温室效应增强大气大气C含量含量人类活动LUCC化石能源海洋碳收支Missing C陆地生态系统岩溶过程?n n在(
12、国际地圈生物圈计划)框架下,n n(全球大气化学计划全球大气化学计划)、n n(全球陆地生态系统计划全球陆地生态系统计划)、n n(全球海洋通量联合研究计划全球海洋通量联合研究计划)、n n(海岸带陆海相互作用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等核心计划从不同角度开展观测研究.Pep Canadell,Executive Directorpep.IPO,Canberra,AustraliaThe Partnership and StakeholdersIPCCNATIONAL/POLICY GOVERNMENTNATIONAL/REGIONALCARBON PROGRAMSI
13、NTERNATIONAL PROTOCOLSObservational ProgramsIGOS-P IGCOCO2 PanelIOC-SCORIGBPWCRPIHDP3.ESSPThe Conceptual FrameworkDisturbancesEcosystemPhysiologyAtmosphericCarbonTerrestrialCarbonOcean/CoastalCarbonBiologicalPumpClimateChangeandVariabil.SolubilityPumpUnperturbed C CyclePerturbed C CycleLand UseSyste
14、msIndustryTransportSystemsOcean-useSystemsFossilCarbonPerceptionsof humanwelfareChanges ininstitutions&technol.Perception of a problemFocus 1:Patterns and Variability1995 CO2 EmissionsOcean C Storage(mol m-2)Ocean C FluxesTerrestrial NPPTakahashi et al.2002)Sabine(unpublished)Cramer et al.2000)What
15、are the geographical and temporal patterns of carbon sources and sinks?n nNPP:Net Primary Production-净初级生产量n nGPP:Gross Primary Production-总初级生产量n nR:Respiration-呼吸n nNPP=GPP-RFocus 2:Processes,Controls and InteractionsEmerging Properties of the coupled systemPaleo Naturally dynamicsLand Use ChangeI
16、nstitutional ResponsesWhat are the controls and feedback mechanisms both anthropogenic and non-anthropogenic that determine the dynamics of the carbon cycle on scales of years to millennia?CO2 fertilizationCarbon StorageNew Biospheric ResponsesFossil Fuel EmissionsFocus 3:Future Dynamics of the Carb
17、on CycleTerrestrial Biosphere C SinkCramer et al.2000IPCC 2001What are the likely dynamics of the global carbon cycle into the future?生物地球化学循环生物地球化学循环n n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、
18、大气圈、水圈和生物圈中的传输转换过程。温室效应温室效应vs.温室效应增强温室效应增强n n温室效应温室效应温室效应温室效应,又称,又称“花房效应花房效应”,是大气保温效应的俗称。大气能使太阳,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,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,故名室,故名温室效应温室效应温室效应温室效应。如果大气不存在这种效应,那么地表温度将会下。如果大气不存在这种效应,那么地表温度将会
19、下降约降约3333或更多。或更多。n n温室效应增强温室效应增强温室效应增强温室效应增强研究历史研究历史一、一、碳库和碳通量碳库和碳通量碳库:C pool 碳源:C source碳汇:C sink 碳通量:C fluxn n全球碳的含量为1023gC,除一小部分外,绝大部分以有机化合物(1.561022gC)和碳酸盐(6.51022gC)的形式埋藏在沉积岩中。n n全球近地表活动碳源中的总含碳量约为401018gC,可开采的化石燃料含碳量约41018gC,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)。五个碳库五个碳库大气碳库大气碳库n n如表如表1 1
20、所示所示,大气碳库的大小约为大气碳库的大小约为720720(1(1=110=1101515)左右左右,在几大碳库中是最小的在几大碳库中是最小的,但它但它却是联系海洋与陆地生态系统碳库的纽带和桥却是联系海洋与陆地生态系统碳库的纽带和桥梁梁,大气中的碳含量多少直接影响整个地球系统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。的物质循环和能量流动。n n大气中含碳气体主要有大气中含碳气体主要有2 2、4 4和等和等,通过测定这些气体在大气中的含量即可推算出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大气碳库的大小,因此因此,相对于海洋和陆地生态相对于海洋和陆地生态系统来说系统
21、来说,大气中的碳量是最容易计算的大气中的碳量是最容易计算的,而且而且也是最准确的。由于在这些气体中也是最准确的。由于在这些气体中2 2含量最含量最大大,也最为重要也最为重要,因此大气中的因此大气中的2 2浓度往往可浓度往往可以看作大气中碳含量的一个重要指标。以看作大气中碳含量的一个重要指标。海洋碳库海洋碳库n n海洋具有贮存和吸收大气中海洋具有贮存和吸收大气中2 2的能力的能力,其可溶性其可溶性无机碳无机碳()含量约为含量约为3740037400(表表1),1),是大气中含碳量是大气中含碳量的的5050多倍多倍,在全球碳循环中的作用十分重要。在全球碳循环中的作用十分重要。n n从千年尺度上看从
22、千年尺度上看,海洋决定着大气中的海洋决定着大气中的2 2浓度。浓度。n n大气中的大气中的2 2不断与海洋表层进行着交换不断与海洋表层进行着交换,这一交换量这一交换量在各个方向上可以达到在各个方向上可以达到9090/yr,/yr,从而使得大气与海洋表从而使得大气与海洋表层之间迅速达到平衡。层之间迅速达到平衡。n n由于人类活动导致的碳排放中约由于人类活动导致的碳排放中约303050%50%将被海洋吸收将被海洋吸收,但海洋缓冲大气中但海洋缓冲大气中2 2浓度变化的能力不是无限的浓度变化的能力不是无限的,这这种能力的大小取决于岩石侵蚀所能形成的阳离子数量。种能力的大小取决于岩石侵蚀所能形成的阳离子
23、数量。n n一般来讲一般来讲,海洋碳的周转时间往往要几百年甚至上千年海洋碳的周转时间往往要几百年甚至上千年,可可以说海洋碳库基本上不依赖于人类的活动。以说海洋碳库基本上不依赖于人类的活动。陆地生态系统碳库陆地生态系统碳库n n据估算据估算,陆地生态系统蓄积的碳量约为陆地生态系统蓄积的碳量约为20002000左左右右(见表见表1)1)。n n其中土壤有机碳库蓄积的碳量约是植被碳库的其中土壤有机碳库蓄积的碳量约是植被碳库的2 2倍倍左右左右(从热带森林的从热带森林的1 1 1 1到北部森林的到北部森林的5 5 1 1不等。不等。n n无论是对植被碳库还是土壤碳库无论是对植被碳库还是土壤碳库,各估算
24、值之间都各估算值之间都有很大差异有很大差异,这主要是由于不同估算方法之间的差这主要是由于不同估算方法之间的差异异(假设条件、各类参数取值、测定的土壤深度、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调查的土壤类型、植被类型全面与否等)以及估算以及估算中的各种不确定性造成的。中的各种不确定性造成的。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,1999.177185.C源源vs.C汇(以大气为对象)汇(以大气为对象)n n固体地球:火山爆发喷射CO2以及某些岩石风化产物通过河流输送到海洋参与海洋碳循环而释放出CO2;n n海洋:高纬度地区海水
25、温度较低,海洋从大气吸收CO2;低纬度地区海洋向大气释放CO2。n n海气CO2交换通量具有很大的空间变率,。主要取决于表层海水的温度、盐度和碱度、表层海水和深层海水的交换速率、洋流情况和海洋生物的分布。n n1.1.在海洋内部,可能存在一个大气在海洋内部,可能存在一个大气COCO2 2的汇。在某些海域,表层海的汇。在某些海域,表层海水中富含植物生长所需要的养分,在那里存在一些与陆地植物类水中富含植物生长所需要的养分,在那里存在一些与陆地植物类似的水生植物,吸收大气似的水生植物,吸收大气COCO2 2进行光合作用。水生生物死亡后,进行光合作用。水生生物死亡后,生物体的腐败过程一方面产生气相生物
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