寻找失去的陆地碳汇

全球碳循环是指碳元素在地球表层各圈层中的积累和流动的过程。由于人类活动的影响，从表观上看，现代的全球碳循环处于不平衡状态，即人类燃烧化石燃料和热带毁林所排放的一部分CO2不知去向，这被称为“CO2失汇”。研究表明，北半球的陆地生态系统主要吸收了这部分去向不明的CO2。本文对“CO2失汇”的由来、陆地碳汇的基本特征及其影响因素，以及中国陆地碳汇的大小等进行了评述。     

封面说明

<正>深部碳循环对于探索地球内部演化、全球气候变化和资源战略勘探等都具有重大意义.由于地壳再循环作用可以将大量地球表层碳带到地球深部,所以地壳再循环在地球深部碳循环中起着非常重要的作用.起源于上地幔或者更深处的碱性玄武岩可以记录地球深部地质演化的重要信息.橄榄石斑晶所捕获的熔体包裹体可以有效地记录原始岩浆的物理化学信息.对山东杨庄碱性玄武岩中橄榄石斑晶内的     

基于大气CO_2浓度和生态碳通量模型的土壤碳库优化方法

在碳循环过程中,土壤有机碳库的大小和分布对于基于过程的生态系统模型至关重要.由于全球地表土壤有机碳含量直接观测数据分辨率极为稀疏,基于这些数据所得的区域土壤有机碳库分布存在极大的误差.大气二氧化碳(CO2)浓度和土壤有机碳库是生态碳循环的重要组成部分,利用CO2浓度和生态碳循环模型修正土壤有机碳库,是改进碳库估计的新途径.本文通过大气CO2传输模型和陆地生态碳通量模型,建立CO2浓度和土壤有机碳库之间的关系,获得了修正土壤有机碳库的方法.应用实例分析结果表明:该方法可以有效修正土壤有机碳库,明显改进陆地生态通量模型模拟效果.     

深时气候演变和板块运动

<正>碳在地球各个圈层中的流动和转化过程称为地球的碳循环.地球的碳循环过程可以划分为表层和深部碳循环.两个碳循环过程密不可分,以不同的时间变率相互交织共同维持着地球上气候平衡.古气候指标数据显示,新生代以来大气中的二氧化碳浓度(pCO₂)与地球表面温度之间存在着显著的正相关关系,即当二氧化碳浓度上升时,地球表面的温度也会随之升高^[1,2](图1(a)).     

喜马拉雅山脉和藏南高原:大气CO_2的储藏地

正对全球气候变化施以重大影响的喜马拉雅山脉和青藏高原,在全球碳循环过程中究竟扮演何种角色?它究竟是向大气排放CO_2的"碳源",还是大量吸收大气CO_2的"碳汇"?当前一种主流观点认为:大气二氧化碳(CO_2)浓度的快速增加会产生温室效应,给人类的生存与发展带来极为严重的负面影响。一些影视作品,如《后天》、《2012》等以艺术形式将此观点进一步发扬光大,"全球变化"因此成为现代社会一个颇受关注的"热点"议题。深入认识地球历史时期大气圈CO_2浓度及其变化规律,无疑是理解现今大气圈CO_2浓度及其未来变化规律     

碳循环对气候变化历史责任归因的影响

全球碳循环是气候变化的根本问题,其长期演变决定了人类导致的气候变化的速度和程度,也决定了稳定大气CO2浓度的减缓政策的制定和减排技术的施行.本研究利用2个参与了第5次耦合模式比较计划的耦合了碳循环过程的地球系统模式CESM和BNU-ESM,模拟研究了工业革命以来碳循环对气候变化历史责任归因的影响.模拟结果表明,以大气CO2浓度的升高为衡量指标,相比通常研究中以累积排放量为指标,发达国家碳排放的历史责任减小了6%~10%,发展中国家增大了6%~10%.这是由于历史时期(1850~2005年)发达国家占主导的工业碳排放对这一时期海洋和陆地固碳量的增加贡献了61%~68%和61%~64%,而发展中国家贡献了32%~39%和36%~39%.因此发达国家排放情景下,相对较大的全球碳汇固碳量减小了发达国家碳排放的历史责任,但也由于海洋吸收了更多的碳,使得发达国家对全球海洋的酸化负主要责任(68%).而且发达国家的高排放降低了全球碳汇的固碳效率,可能影响未来长期的固碳量,加剧全球增暖的程度.因此未来在制定减排方案时,需要进一步考虑到碳循环过程对减排方案的响应和影响.     

中元古代海洋生物碳泵:有机质来源、降解与富集

碳循环是生命改造地球的最主要途径.海洋是地球上最大的活跃碳库,其储碳-释碳的异常波动对地球表层系统演化具有革命性影响.然而,中元古代无机碳同位素的相对稳定表明,地球碳循环达到了一个相对平衡的状态.因此,研究中元古代海洋中由微生物主导的碳循环对于我们认识地球宜居演化具有重要意义.本文从有机质来源、降解与富集等方面论证了中元古代海洋生物碳泵的主要地球化学过程,提出初始有机质来自以蓝细菌为主的多源生物,有机质降解有反硝化细菌、铁还原菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等多种微生物参与.以中元古界下马岭组为例,定量分析了受初级生产水平和水体氧化还原程度控制的微生物降解作用及降解程度,估算14亿年前的海洋惰性可溶碳库增储可能达1000×10¹²～2500×10¹²t,仅燕辽盆地埋藏的有机碳就达6000×10⁸t.最后,本文讨论了磷、铁供给对海洋碳循环的重要控制作用,提出未来开展高精度沉积地球化学解析和多元素循环精细建模研究的必要性.     

中国不同生态型竹子植硅体固碳

<正>目前,全球大气中CO2的浓度已经达到了391μL L-1,并且在未来CO2浓度的升高速度有越来越快的趋势.将大气中的CO2移除或固定在陆地生物圈中或许是降低大气中CO2浓度最有效的方法之一.植硅体固定碳是最有前景的生物地球化学固碳机制之一,在全球碳循环及气候控制与调节中起到重要作用.     

照亮地球深部的“明灯”——高温高压实验

地球是人类赖以生存和发展的家园,相对于其表层系统(大气圈、水圈、生物圈),人类对地球深部的认识仍然非常有限。地质学/地球化学方法通过研究地表出露的来自地球深部的岩石矿物和来自外太空宇宙的陨石等样品,来推测地球内部物质的性质。地球物理方法则利用地震波来探测地球内部的结构。半个多世纪以来兴起的高温高压技术,使得科学家能够在实验室中模拟地球内部的极端压力和温度环境,同时结合各种现代化分析测试手段,对岩石和矿物在极端高温高压条件下的性质状态进行原位研究,极大地促进了我们对地球内部的物质组成和结构的认识。因此,高温高压实验技术已经成为人类探索地球深部结构和物质组成的“明灯”。     

冰期旋回中热带西太平洋碳源汇过程、机理与效应

冰期旋回是第四纪地球气候变化最显著的特征,热带西太平洋通过水文循环控制全球气候演化,这是“气候演变低纬驱动”理论的核心内容.由于现代热带西太平洋CO₂总体上处于海-气平衡,因此基于“将今论古”的思想,长期以来学术界认为热带西太平洋相对于南大洋等高纬海区在大气CO₂分压(pCO₂)冰期旋回中的作用并没那么重要,从而低估了热带西太平洋通过碳源汇演替调控全球气候的作用.在综合分析上新世以来冰期旋回中热带西太平洋碳源汇过程与机制的基础上,总结出了其气候效应模式,发现冰期时海平面降低导致更多的河流营养物进入海洋,致使近海表层有机碳生产和海底有机碳埋藏加强;同时,远洋为了“补偿”陆架珊瑚礁等钙质生物碳酸盐生产的减少,引起其深部[CO₃^2-]和碱度增加,致使远洋深部碳库增强;另外,开放洋区大型硅藻勃发等有机碳生产演化事件在大洋深部形成呼吸碳库,进一步“放大”了上述增强的深部碳库.这些碳循环过程表明冰期热带西太平洋扮演碳汇角色.间冰期时上述碳循环过程发生的方向或强度与冰期相反,但目前还没有证据...     

岩石风化碳汇研究的最新进展和展望

自气候变化的岩石风化控制学说提出至今,学界普遍认为,是硅酸盐的化学风化碳汇作用在控制着长时间尺度的气候变化,而在短时间尺度上硅酸盐风化碳汇与碳酸盐风化碳汇也是旗鼓相当的.然而,最新的研究发现,碳酸盐溶解的快速动力学和硅酸盐岩流域中微量碳酸盐矿物的风化在控制该流域溶解无机碳(DIC)浓度和碳汇上的重要性,使得碳酸盐风化碳汇占整个岩石风化碳汇的94%,而硅酸盐风化仅占6%左右.另一方面,水生光合生物对DIC的利用及其形成的有机质(内源有机碳)的埋藏,使得碳酸盐风化碳汇在任何时间尺度气候变化的控制上可能都是重要的.此外,岩石风化碳汇研究的另一重要进展是发现了碳汇随全球变暖和土地利用变化显著增加,即形成了气候变化的负反馈机制.未来应通过岩石风化碳捕获和储存过程及其控制机理的进一步研究,揭示岩石风化碳汇过程及其气候和土地利用调控潜力,以服务于各国应对气候变化的国家政策制定.重点研究:①岩石风化碳汇过程及其物理、化学和生物控制机理;②硅酸盐岩流域中微量碳酸盐矿物的风化在控制流域DIC浓度及其碳汇上的重要性;③陆地水生光合生物利用DIC产生内源有机碳的效率;④气候变化和土地利用调控岩石风化碳汇的潜力.     

神秘的金星

金星是地球的近邻“姐妹行星”,它们的大小和质量相当。早先曾推想金星有类似于地球的生机环境,甚至存在生物。但近半个世纪的探测表明,金星是跟地球差异甚多的神秘奇特世界。例如,金星与地球的自转方向相反(逆向自转),且特缓慢,金星的一昼夜相当于116.75(地球)日,不到两昼夜就度过一金星年--“度日（昼夜）如年”;它被浓密的大气和云层笼罩,难见表面的“庐山真面貌”,表面气压达93 bar(1 bar=100 kPa),强烈的温室效应使表面气温达467 ℃,酷热而干燥的环境显然不会存在生物;60%表面高程差不超过500 m,仅5%表面高出2 km;跟有古老而严重陨击的月球和水星不同,金星整个表面似乎都是地质上年轻的,陨击坑少,而火山地貌占主导,平均年龄可能不超过5亿年,几乎90%的表面是固结的玄武岩浆,到处有熔岩流和各种火山,断裂和断层交割景观,但没有地球那样的板块构造特征,也没有海洋和河流。金星的很多秘密还需要进一步探测研究。     

岩浆与岩浆岩：地球深部“探针”与演化记录

岩浆是在地下形成的含挥发分的高温粘稠的硅酸盐或碳酸盐熔融体,由岩浆凝固而成的岩石称为岩浆岩或火成岩。用科学的方法来观察和解释它们,它们就不是一堆死气沉沉、枯燥无味的石头,而是一部引人入胜的“无字天书”。地球系统是一个整体,它是由从地心到地表的多个层圈构成的。岩浆是地球各层圈之间相互作用的产物,是地球各层圈之间物质和能量交换的重要使者。研究岩浆作用与岩浆岩有三个方面的意义：①岩浆岩及其所携带的深源岩石包体可以被称作探测地球深部的“探针”（lithoprobe）和“窗口”(window)。②岩浆岩也是板块运动与大地构造事件的记录,通过岩浆岩的研究,可以恢复古板块构造格局,追溯大地构造演化历史。③归根到底,是服务于人类社会对于合理利用资源,改善环境,减轻自然灾害的需求。     

极地大气科学考察与全球变化研究

南极和北极是地球上的气候敏感地区,也是多个国际计划研究全球气候变化的关键地区。极地包含了大气、海洋、陆地、冰雪和生物等多圈层相互作用的全部过程,在全球气候的形成和变化中有重要的作用。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。到2008年初,我国自主组织了24次南极考察,2次北冰洋考察和4次北极站考察;建成了南极长城站、中山站和北极黄河站,并在南极冰盖设置了5个无人自动气象站;开展了有关极地大气科学与全球变化的研究。在南北极地区,进一步加强国际合作,继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化,提高极地气象业务水平;拓展极地气象业务和大气科学考察研究领域,积极获取气候代用资料;进一步量化和认识极地在全球变化中的作用,及其对我国天气气候和国民经济可持续发展的影响;建立完善极地大气科学研究体系,提高极地大气科学研究水平,仍是我国极地大气科学与全球变化研究的重要内容之一。     

柔性可穿戴传感器及大面积阵列制造新方法

柔性可穿戴传感器作为穿戴式电子系统的重要组成部分,在个人健康监护、人机交互体系以及人造电子皮肤等领域具有广阔的应用前景,是当下最前沿的研究领域之一。文章概要介绍了不同类型的柔性可穿戴传感器的研究现状,简略归纳了柔性传感器中的关键技术参数,同时对柔性传感器大面积阵列制造所面临的挑战及新方法进行了阐述和分析,最后展望了柔性传感器未来的发展趋势。     

低碳技术及其应用

低碳技术是各种可以使人类生产和生活过程中排出的二氧化碳减少的技术总称。近百年来,随着全球经济的迅速发展和人口增加,化石能源使用量剧增。其后果是一方面使化石能源面临枯竭,另一方面使大气中以CO2为主的温室气体快速增加并导致环境恶化、全球变暖、自然灾害频发。所以必须采用低碳技术,少用化石燃料,节能减排,开发新能源以保护环境、补充能源和改善全球变暖现况。作者论述了低碳技术的采用原因,其分类以及在中国各主要行业中的应用。     

古海洋中奇妙的微亮晶碳酸盐岩

微亮晶(臼齿构造)碳酸盐岩是一种奇妙的岩石类型,在中-新元古代的古海洋碳酸盐岩沉积中占重要地位。广泛分布在中国、北美、澳大利亚、北欧、西伯利亚、西北非、印度等元古界地层中。近年, 前寒武纪研究有了可喜的进展,特别是全球事件、地层及古大陆再造研究的深入,使微亮晶碳酸盐岩（Molar Tooth Carbonates）” 成了研究中-新元古代的火力交叉点[1]。随着700Ma以前的Varanger/Marinoan全球冰期的到来,微亮晶碳酸盐岩则突然消失。其发育和衰退关系到地球生命起源和海洋碳酸盐岩沉积地球化学的突变,是解决前寒武纪生物学和地球化学事件的关键。 因此,微亮晶碳酸盐岩已经成为探索早期地球海洋环境和生命起源以及元古代国际地层对比的重大地质事件。联合国教科文/国际地科联的IGCP447项目[2]对元古代臼齿构造碳酸盐岩和地球演化进行了较详细地研究,特别是在其成因和用于全球古大陆地层对比方面取得了突破性进展。     

地史时期古大气二氧化碳变化趋势与温室气候——以中生代白垩纪为例

中生代不仅是地球发展和生命演化的重要阶段,同时也是距离现代最近的典型温室气候期。其中,白垩纪被视为地球历史时期温室气候的最佳范例之一。通过古植物气孔参数、古土壤同位素以及地球化学模型等途径的研究,可以勾勒出白垩纪这一典型温室气候环境下古大气二氧化碳浓度变化的大致轮廓。在整个白垩纪时期大气二氧化碳水平相对较高,但在白垩纪早期较低,白垩纪中期达到最高,而白垩纪晚期逐渐降低。更重要的是,借助于这些地质参数还更精确地识别出在白垩纪关键时期出现了几次显著的古大气二氧化碳的短期快速波动变化,表明白垩纪的温室气候状态并非之前所想象的那么稳定,而是发生了几次大规模快速气候扰动事件,并伴随着二氧化碳浓度的短期波动变化。这项研究质疑了整个白垩纪期间气候温度均匀分布且呈现单一稳定温室状态的观点。