1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第26卷 第3期气象科学Vol.26,No.32006年6月SCIEN TIA METEOROLOGICA SINICAJune,2006碳循环及对气候变化和人类生存环境的影响张佳华1,2 卞林根1 延晓冬2 姚凤梅2(1中国气象科学研究院,北京100081)(2中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境国家重点实验室,北京100029)摘 要 碳循环及全球变暖已成为影响气候变化、人类生存环境和经济共同发展和安全的重大问
2、题,引起了全球科学、政治、外交政策等部门的重视。本文着重探讨碳循环的由来、生态系统与碳循环的科学相关、在碳循环方面,中国需要解决的问题和科学技术方法以及碳循环系统的科学研究方法和改进等问题。关键词 碳循环 气候变化 生态系统 人类生存环境 分类号 P48 文献标识码 A收稿日期:2004208215;修改稿日期:2004211203基金项目:本文得到国家自然科学基金项目(编号:30370814)、科技部平台项目(编号:2003D1B4J144)、中国科学院知识创新工程重大项目(编号:KZCX12SW201211)以及教育部留学回国基金项目共同资助第一作者简介:张佳华(19662),男(汉),内
3、蒙古,研究员,博士,现在中国气象科学研究院,主要从事气候变化、生态环境与碳循环、遥感与陆面模式研究.E2mail:zhangjh 引 言全球变化的气候问题,已经引起了各国科学界、政府的高度重视。1997年 气候变化框架公约:京都议定书(Kyoto Protocol)规定了发达国家和经济转轨国家在2008年到2012年的承诺期内将6种温室气体(包括:CO2,CH4,N2O,HFCs,PFCs,SF6)的排放总量在1990年的基础上平均减少5.2%,同时还规定发达国家之间可以“联合履行”宏观减排指标1。2001年7月23日波恩气候会议上186个国家就“京都议定书”达成一致意见,38个工业化国家许诺
4、实现减少本国温室气体的约束目标。欧盟正在着手将此协议变成个会员国的法律,强制各国到2010年把温室气体排放量在1990年的基础上减少8%。工业化国家将通过培植和维护森林,改变耕作方式等方法减少大气中CO2含量。2002年9月,我国领导人在南非召开的可持续发展世界首脑会上,代表中国政府正式宣布核准了 京都议定书,为在全世界推动该议定书的实施发挥了重要作用,亦将加速我国对CO2浓度、碳通量、碳循环的监测和研究工作步伐,以兑现我国政府的承诺。1 碳循环的主要科学问题碳元素主要存储在岩石和沉积物中,只有小部分以变化的形式存在于大气、海洋、土壤和陆地生物圈中2。大气中主要的含碳化学成分有CO2、CO和C
5、H4;其中,CO2是大气中最重要的含碳成分,其总量约为2.51012t。就物质循环来说,碳循环的主要环节是CO2的循环3,4。CO2是光合成的基本成分,同时它数量的多少对气候和生物圈间有重要的影响。占大气总量98%的N2,O2,Ar不吸收红外辐射,而CO2,水汽,CH4则吸收来自地面的长波辐射,加热大气同时向下发射长波辐射加热地面。正是此物理过程才使地球保持了目前的温度2,4,5。通过对过去4105a万年间气候极端事件的研究表明,在此期间地球经历了冰期和间冰期的巨大气候变化,但是大气中的CO2的变化量始终在平均值的240g/g的上下20%范围内变化2。取自冰芯和深海沉积物的记录显示最近几十万年
6、以来冰期-间冰期气候激烈变化的同时伴随着温室气体(CO2,CH4,N2O等)浓度的变化。虽然对引起第四纪冰期-间冰期气候变化的机制尚没有确切的结论,但 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/是很多的研究者认为大气的温室气体的变化会对气候变化产生重要的反馈作用,而其中CO2的作用显得尤其重要2,6。夏威夷Mauna Loa火山(20N,156W)和南极冰芯(Vostok)的观测纪录的结果表明,目前CO2和CH4气体的含量比过去的极大值分别增加了31%和250%左
7、右7,8。虽然CH4在大气中的浓度远小于CO2(与370此同时g/g的CO2相比,不到2g/g),但一个CH4的全球增暖潜能(GWP)是CO2的7.5倍,这种变化从工业革命开始,因“温室效应”也使大气的温度随着上升。目前中、高纬度地区气温明显升高,南极的冰雪融化等现象被认为与CO2气体的“温室效应”直接相关911。大气CO2浓度的波动取决于参与碳循环的各个碳库间碳通量的变化。海洋和陆地生态系统中碳储量分别是大气中碳储量的53倍和3.3倍2,10。观测和模拟研究表明,海洋的无机碳的溶解在增加,而森林的破坏和农业的过度开发也使碳从土壤和植物向大气中转移。在过去的1020 a中,由于化石燃料燃烧所释
8、放的CO2超过1/2已经被植被和海洋所吸收,仅有约1/2滞留在大气中,这些碳被吸收并且被存储称为CO2的汇(carbon sink)5。此外,还有一部分去向不明,被称为CO2的“失汇”(carbon missing)2,12。目前,还不能搞清碳源汇的时空变化,以及源汇存储率变化及其机制13。碳循环的主要科学问题集中在:通过大陆和邻近海盆的大气、海洋采样与大气输送模型相结合方法,更精确地估计全球碳源汇的数量和范围;通过观测实验,研究陆地碳源汇转换机制、生态系统碳储量及变化;从历史记录和遥感资料获取过去和现在土地利用变化信息,进而估计人类活动对陆地碳储量的影响;研究形成最大碳储量的管理策略,包括不
9、同管理方式下碳吸收方法的可变性、可持续性、以及对生命周期和不确定性评价;综合区域和全球碳模式中对碳循环过程新的观测结果和认识,改善对未来大气中CO2及其它温室气体浓度的预测。2 国内外研究动态国际科联(ICSU)于1986年组织了以研究全球变化为目的地圈生物圈计划(IG BP),其中7个核心计划大都包括碳循环的内容14。美国于1999年由碳和气候工作组报告的 美国碳循环研究计划(CCSP)3。1999年,在美国国家宇航局(NASA)下属的陆地生态系统观测项目支持下,启动了BigFoot项目。瑞典、德国、法国、澳大利亚、印度、日本、韩国和加拿大等国在各自的全球变化计划中均包含有碳通量和碳循环的观
10、测和研究。世界气象组织(WMO)联合有关国际组织在世界范围内建起了20多个以监测温室气体为主的大气化学本底站。国际CO2通量监测网(FLUXNET)由美洲(AMERI2FLUX)、欧洲(EURO2FLUX)、澳洲(AOFLUX)和亚洲(ASIA2FLUX)、地中海(MEDEFLU)等通量网组成,美洲和欧洲通量网1996年就使用涡动相关技术(eddy2covariance)进行CO2通量监测,EC法采用三维超声风速温度仪测定植被冠层与大气之间的湍流交换量的微气象学方法。EC法利用开路的或闭路CO2红外分析系统进行采样并分析CO2浓度脉动,利用三维超声测定垂直风速脉动,进而求得某一时刻的植被冠层与
11、大气之间的CO2通量15。在IGBP、WCRP、IHDP、GCTE和LUCC等大型国际合作项目下,这些资料已得到广泛的应用,为全球碳循环及碳收支和不同源汇对大气CO2浓度贡献的研究提供了可靠的资料,并在未来CO2增长趋势和与气候变化预测有关的研究(如IPCC)都得到了广泛的应用。目前,国际上通过碳通量观测、模拟、森林及植被遥感分析和研究认识到地球的北半球的中纬度地区存在一个巨大的碳汇16,17。但意见仍然有分歧,欧亚(包括澳洲)与美国和加拿大在碳汇方面存在分歧。主要原因在于对陆地生态系统的碳的生物地球化学循环的界面过程的模拟与事实还存在有很大的偏差。特别是原来用单一的全球模式远不能解决区域和局
12、地的问题18,19。目前,GCP研究计划(Global Carbon Project)已经开始从地球系统科学角度研究碳循环的科学问题20。我国已在包括有森林、农田、草地、荒漠、湿地等建立了中国CO2通量观测网(China Flux)和CMA-Flux通量观测系统。对我国森林植被碳储量的估算从3.726.2 PgC2124,主要原因是对蓄积量-生物量碳转换系数、森林调查资料等差异所致。对我国草地碳储量的估计为1.234.66 PgC不等21,25,我国草地碳储量主要集中在土壤层,如高寒草原95%的碳储存在土壤层。在对中国土壤碳库估算从92.42185.69PgC不等21,26。误差在于对土壤分类
13、和面积的计算出现差异。我国相继开展了利用遥感和碳循环模型的对陆地生态的研究。但目前,我国缺乏机理性、通用性、移植性强的模型;很少考虑碳循环过程中的反馈机1533期 张佳华等:碳循环及对气候变化和人类生存环境的影响 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/制;缺乏研究大气与陆地之间的各种相互作用;很少考虑人类活动对碳循环的影响。通量观测的开展对研究我国的碳源汇的分布和强度,以及解释生态系统中C、N、水循环对全球变化的响应起到重要作用,而且部分研究成果已经影响到陆地
14、的碳管理和环境政策的制定,如森林保护、温室气体排放限制以及有序人类活动等。但是目前,我国CO2通量观测还处于分散,存在以项目带动观测的现状,没有从模式本身和业务的要求出发进行系统的布设和长期观测,观测标准、观测项目和仪器等都有待提高。3 生态系统与碳循环的科学相关CO2在大气圈、海洋和陆地生态系统三个主要碳库之间进行着自然交换,人类活动增加了CO2在三个碳库之间的交换变率并部分改变了交换的方向。目前,人类对于自然与生态系统对未来气候反应的预测能力十分有限。对陆地碳蓄积还缺乏一致性的估算数据(包括碳通量和净碳通量)27;全球模式比较分析中对全球净第一生产力(NPP)的估算值相差15%左右。土地利
15、用变化的时间序列以及砍伐后森林和废弃农田再生长造成的碳吸收,以及人类活动对碳循环的影响机理和未来动态变化等问题有待进一步研究2830。提高对碳循环、水循环及多圈层相互作用的认识,改善对整个气候系统的预测能力,对进行有效的生态与环境保护具有重大意义31。通过1992年启动的全球变化与陆地生态系统(GCTE)32及其他研究表明,大气中高的CO2含量不仅导致气候的变化,而且CO2的施肥效应和大气氮沉降提高陆地生态系统的NPP。因此,失汇可能为陆地生态系统吸收。目前,开展的FACE(Free2Air CO2Enrichment)实验,是在田间状态下直接通入高浓度的CO2,研究从植物到生态系统尺度的循环
16、过程对大气浓度升高的响应和适应机制31。目前全球大约有31个FACE试验项目33,为了使FACE实验中获得数据在区域尺度上可用,必须有遥感信息和区域数据以及同期的生态系统功能的估计数据之间的验证。目前我们对于陆地生态系统变化对未来气候变化将产生多大的影响,以及未来气候对生态系统将产生多大的反馈作用仍存在相当大的不确定性。未来气候条件下,生态系统的碳汇功能何时达到饱和29,或者会变成碳源34。最近的研究表明,由于温度增加导致土壤呼吸的加剧,未来陆地生态系统将由碳汇变成碳源3537。为了满足这些需要,所以有必要对生态环境系统展开进一步的观测和研究。近年来,大气-生态相互作用模式研究重点也转移到生物
17、地球化学循环和温室气体释放上来38。4 中国需要解决的问题我国地域辽阔,陆地生态系统和农作物耕作制度复杂多样以及社会经济发展的不均衡,不同区域大气温室气体分布特征及碳循环状况尚不清楚。为此,在我国大范围开展温室气体长期、系统监测,有望取得对全球和区域气候变化及陆地生态系统碳循环研究有重要价值的资料。对中国温室气体背景值和通量监测将了解我国大范围温室气体背景值、碳储存以及各种植被类型、气候条件及土地利用历史背景下的能量、水汽和碳交换过程。目前中国需要解决的与国外的共性问题依然包括:碳储量的时空变化,土地利用变化、气候变化、大气污染、大气CO2扰动、如何影响碳储量,以及边界层大气CO2浓度的时空变
18、化如何?与地形、气候带以及植被变化的关联。中国还必须集中解决如下问题:(1)在我国陆地有代表性的区域(如东北林区、长江三角洲地区、西北干旱半干旱地区、内蒙草原等地区)建立能够精确和加密测量CO2源汇的观测网点。(2)在我国的近海地区的“关键海区”建立海洋2大气CO2通量观测网点,建立我国近海海洋和陆地区域的CO2源汇的档案。(3)了解控制我国过去和目前CO2源汇的时空间分布的物理-化学过程,在未来的气候和大气化学条件下CO2的时-空间分布的可能变化。(4)定量地说明和预报大气中CO2含量的变化对我国及临近地区气候变化及对CO2输入的响应。在上述工作的基础上,发展我国碳循环过程中的突发事件的监控
19、能力及所导致CO2的迅速大量释放及不可预见现象的预测能力,为我国制定与碳源汇有关的管理政策提供科学基础。253气 象 科 学 26卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/参 考 文 献1UNEP.Kyoto protocol to the United Nations framework convention on climate change(Chinese version).In:Information unit for con2ventions.UNE
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