全球增温与碳循环

全球变暖是地球系统科学领域的热点问题。全面深入地理解全球碳循环的规律,并有助于客观地认识全球增温的原因。系统地分析了全球碳循环的基本规律,评述了各个方面的研究进展,指出了研究当中应当注意的关键性问题,并且提出了目前探索和研究的重点课题。     

气候驱动的中国陆地生态系统碳循环研究进展

近年来,碳循环问题日益成为全球变化与地球科学研究领域的前沿与热点问题,其中,陆地生态系统碳循环又是全球碳循环中最复杂、受人类活动影响最大的部分.本文主要对气候驱动的中国陆地生态系统碳循环研究进展做了综述,介绍了陆地生态系统中植被和土壤两个主要碳库以及陆地生态系统碳循环的基本过程,总结了陆地碳汇的形成机制、研究进展及气候变化对碳失汇的影响,提出了对陆地生态系统碳循环的研究应采用多尺度的研究方法,并简要叙述了中国陆地生态系统碳循环的研究展望.     

陆地生态系统的碳循环机理研究

碳循环在生态系统中具有十分重要的地位,是全球气候变化研究中的重要组分,其中陆地生态系统的碳循环是最复杂且受人类活动影响最大的部分.笔者简要介绍了各种类型的陆地生态系统在碳循环中的作用,探讨了影响陆地系统碳循环的关键因素,从空间尺度上对碳循环的模型研究做了对比分析,并对今后陆地生态系统碳循环的研究提出了几点建议.     

全球变化背景下森林生态系统碳循环及其管理

森林生态系统碳循环及其管理是全球变化研究的重要主题,同时也是人类维持全球生态系统的物质、能量平衡和自然资源循环再生的一个重要生态学途径。笔者在分析森林碳循环的基本特征及其与全球变化相互联系的基础上,阐述了碳循环及其管理在全球变化研究中的地位和作用,并提出了森林生态系统碳循环管理的内容、方法、措施及途径。     

化学风化研究的进展

化学风化是联系陆地与海洋、流域与湖泊、反演气候及环境的重要纽带.硅酸盐岩化学风化过程中造成的大气CO2净消耗在物质的地球化学循环尤其是地球长期碳循环中发挥着极其重要的作用.本文综述了化学风化作用与全球碳循环的研究现状,着重介绍了化学风化作用与碳循环的特征之间的相互作用关系,详细阐明了在二者的影响下国内外河流水化学的研究成果.提出了化学风化作用影响的长期碳循环将可能是未来的研究热点.     

湖泊碳循环模型研究的进展

对国际、国内湖泊碳循环模型的研究进行了回顾与总结，结果表明湖泊碳循环模型和其他物质循环模型一样，也经历了由简单的静态、均匀混合黑箱模型，向动态、多维非均匀混合白箱模型发展的过程.目前模型正向耦合物理、化学、生物过程及放映生态系统结构和群落演变综合机理模式发展.随着可信数据大量积累，湖泊碳循环模型将在湖泊环境演变机理揭示及全球碳平衡与气候变化研究领域发挥重大作用.     

海洋微型生物碳泵——从微型生物生态过程到碳循环机制效应

微型生物是海洋生态系统中"看不见的主角",在资源环境以及全球变化中扮演着举足轻重的角色.本研究通过方法创新和大量现场调查,从一类特殊微型生物类群——好氧不产氧光合异养细菌(AAPB)入手,展开了微型生物生态过程与机制的系统研究,修正了国际同行AAPB计数方法的误差,获得了全球海洋AAPB的分布规律,解释了以往现场实测结果的分歧,澄清了以往理论上的偏颇认识;建立了包括不产氧光能利用途径的上层海洋碳循环模型,并通过大量现场实测揭示:细菌光能利用关系到海区碳循环的"源""汇"格局;在这些研究基础上探讨了新的海洋碳循环机制,提出了"微型生物碳泵"理论框架,为全面认识海洋储碳机制、促进学科交叉、研发海洋碳汇奠定了基础.     

中国东北样带碳循环研究进展

近年来,以中国东北样带为研究对象的陆地碳循环研究取得了较大进展,不仅建立了用于模型发展与比较研究的不同时间和空间尺度的中国东北样带陆地碳循环数据集,分析了自然与人为干扰下草原生态系统土壤呼吸作用的日、季动态,而且从机理上探讨了影响土壤呼吸作用的主导影响因子,发展了叶片-冠层尺度耦合的羊草草原生态系统动态模型和基于林窗原理的森林生态系统动态模型.在此基础上,指出了当前陆地碳循环研究的不足,进而针对我国作为发展中国家,财力有限的特点,提出了未来中国东北样带陆地碳循环研究的发展趋势与研究重点,以增进对陆地碳循环的理解及准确地评估陆地碳收支.     

俯冲和岩浆过程中的地球深部碳循环

地球表层短周期的地表碳循环影响全球气候变化和地球宜居环境，而地球上90%以上的碳存在于地球内部，地球内部长周期的深部碳循环对地表碳循环产生重要影响。介绍了汇聚板块边界、离散板块边界、板块内部和新型海山等不同构造背景深部碳循环的研究现状，并阐述将来需要深入研究的科学问题，包括俯冲带脱碳机制及其效率、碳在地幔中的存在形式等。     

硅酸盐岩风化碳汇与我国热带季风区花岗岩流域碳循环*

为探讨岩石风化碳汇在环境变化过程中的作用,阐明硅酸盐岩风化作为地质时间尺度净碳汇在全球碳循环过程中的重要意义。综述了岩石化学风化与环境变化之间的关系,总结了岩石风化领域的研究进展,重点论述了有关玄武岩和花岗岩地区碳汇速率的研究成果。结果表明,学者对玄武岩流域的研究开展较早,涉及玄武岩台地、火山岛屿及大陆边缘火山带等代表区域,但由于其在陆壳硅酸盐岩面积比例较低,当综合评价全球硅酸盐岩的碳汇能力时,花岗岩地区更具代表性。有关花岗岩地区的研究集中在北美洲和欧洲地区,学者对亚洲季风区,尤其是热带季风地区关注较少。事实上,热带地区花岗岩风化速率为10.05~44.3 t·km~(-2)·y~(-1),平均碳汇能力达5.25×10~5mol·km~(-2)·y~(-1),与国内外已有成果相比,中国热带季风区花岗岩正经历快速风化和较高的CO_2吸收通量,加上区域内特殊的河流碳输送规律,该区域在全球碳循环研究中意义重大。然而,目前中国花岗岩流域碳循环研究主要在温带及亚热带地区展开,无疑,对于中国热带季风区花岗岩流域碳循环的研究应是学者未来关注的重点。     

森林生态系统的固碳功能和碳储量研究进展

森林是陆地生态系统的重要组成部分,充分发挥森林的固碳能力关系到能否降低大气CO2浓度和抑制全球变暖趋势.本文在回顾森林固碳作用和碳储量研究进展的基础上,对未来研究提出粗浅看法:探知全球森林生态系统的碳储量和碳通量是调控碳循环过程的必要环节和最大难题之一,样地清查、遥感分析和模型模拟等方法的综合运用将是解决这一问题的根本途径;森林生态系统的固碳和生物多样性保护等生态功能与采伐森林资源不存在绝对对立关系,以演替理论指导森林管理有利于发挥森林生态系统的固碳作用和生物多样性保护功能,同时能够实现对森林资源的适度经济利用;应重视和加强对中高纬度森林枯落物碳库的研究.     

黑碳气溶胶研究新进展

黑碳气溶胶是气溶胶的重要组成部分,在大气物理、大气化学、大气光学、大气光化学等过程中具有重要作用。近年来研究表明,黑碳气溶胶对于全球变暖、区域气候变化有重要贡献,黑碳气溶胶可能是影响全球变暖的第二大重要因子,其作用仅次于CO2。因此,应控制黑碳的排放。考虑到黑碳气溶胶在全球变暖、区域气候、环境与健康等方面的作用,研究和评价黑碳气溶胶的作用已十分必要和迫切。     

气候暖化对台湾水文环境的冲击

自十九世纪中期起就开始发展的全球暖化现象,已使北半球平均气温上升的幅度接近摄氏一度.而伴随全球暖化的结果之一就是全球气候及水文循环正在急遽的改变,各地降雨的强度及分布型态因应气温的上升及气候极端变化而有明显的变化.以台湾地区为例,回顾百年来台湾降雨型态的变化趋势,讨论气候暖化对近五十年来台湾水文环境(地表水、地下水)所造成的影响.其中最显著的趋势为:南北降雨的差异性扩大,降雨型态朝极端化发展.这些变化趋势对未来水资源的调配与运用产生不利的影响.     

气候变化对森林的影响与多尺度适应性管理研究进展

森林作为陆地生态系统的主体和全球气候系统的重要组成部分,对调节全球碳平衡和减缓气候变化具有不可替代的作用。目前的研究表明,气候变化已经对全球各类森林产生了不同程度的影响,而且全球气候变暖的加剧将对森林产生毁灭性的影响。森林管理是一项缓解气候变化影响的关键因子,为应对全球气候变化,森林经营管理必须做出相应的调整以适应和减轻气候变化的消极影响。本文系统总结了全球气候变化对森林及树木分布、生理生态和物候、森林生产力、碳循环、生物多样性、森林水文、森林灾害等产生的现实和潜在的影响,并针对气候变化下的可能影响,从基因、物种、森林生态系统、流域和生物圈多个尺度阐述了适应性管理的对策,以提高各生命系统适应气候变化的能力,实现森林的可持续经营和生物圈的可持续发展。     

Numerical simulation of the sensitivity of the Pacific subtropical-tropical meridional cell to global warming

Sensitivity of the Pacific subtropical-tropical meridional cell to global warming is examined by using a global ocean-atmosphere coupled model developed at LASG/IAP. Results indicate that associated with the increasing of atmospheric carbon dioxide, the most prominent signals of global warming locate at high latitudes, and the change of middle and low latitudes, in particular the surface wind, is relatively weak, which leads to a weak response of the Pacific subtropical-tropical meridional cell. At the time of atmospheric carbon dioxide doubling, the change of the meridional cell strength is smaller than the amplitude of natural variability.     

红树林碳埋藏过程对海平面上升、气候变化和人类活动的响应

红树林具有很高的初级生产力和沉积速率,能够在沉积过程中埋藏封存大量有机碳,在全球碳循环中扮演着重要角色。本文总结有关红树林碳埋藏特征和沉积过程对气候变化、海平面上升和人类活动响应的相关文献研究。红树林土壤碳埋藏储量主要取决于红树林根系分布深度,碳埋藏速率则主要受沉积速率控制。全球变暖导致亚热带冬季低温事件减少,以及降雨量的增多,都会促进红树林扩张,有利于红树林碳埋藏。在短期内,海平面上升可以通过增加滩面沉积速率和有机碳含量的方式,达到保持或提高红树林碳埋藏速率的效果。但是从长期来看,不断增加的海平面上升速率会对泥沙供应较少或潮差较小地区的红树林造成严重威胁。人类的不合理活动则会造成红树林面积和碳埋藏储量的大幅减少。因此,为保护红树林并发挥其碳库潜力,应采取有效措施保证红树林沉积的物源供给,以维持红树林滩面高程增加速率,并在适宜地区进行人工红树林栽种。     

林业碳汇提升的主要原理和途径

降低大气CO₂含量、缓解气候变暖,已成为当今科学界和国际社会广泛关注的前沿热点问题。林业碳汇作为基于自然解决方案实现“碳达峰、碳中和”的一个重要途径,在应对全球气候变化方面发挥着基础性、战略性、独特的作用。林业碳汇不仅是森林碳汇,林产品碳汇也起着不可忽视的重要作用。林业碳汇潜力提升是一个森林生态系统净碳收支平衡和全产业链林产品碳汇的调控过程,主要包括无机碳的植物固定(光合过程、净生产力等)、土壤有机碳的周转与固定(动植物和微生物残体分解与黏土固定)、林产品碳的固持(林产品产量、木材转换效率、种类和使用寿命等)等3方面的调控原理。笔者从森林碳汇和林产品碳汇两个维度阐述了提升林业碳汇的主要原理、方法或途径。提升林业碳汇潜力的主要途径包括:①通过适地适树、适钙适树人工造林,以增加森林面积;②以完善森林经营措施来增加森林净生产力;③利用矿质黏土对有机碳的保护来增加森林土壤碳汇;④提升林产品产量和改进林产品用途以增加其寿命。在全球尺度上,增加森林面积或提高森林净生产力3.4%,或用可再生能源替换薪炭木材,再将薪炭木材用于制造锯材和人造板,都可以连续30 a每年增加1 Pg的碳汇量。减少全球森林火灾面积1/4或增加森林土壤有机碳含量0.23%,也可以增加碳汇1 Pg。此外,林业固碳还有巨大潜力可以挖掘。     

Ecosystem carbon storage in arctic tundra reduced by long-term nutrient fertilization

Global warming is predicted to be most pronounced at high latitudes, and observational evidence over the past 25 years suggests that this warming is already under way. One-third of the global soil carbon pool is stored in northern latitudes, so there is considerable interest in understanding how the carbon balance of northern ecosystems will respond to climate warming. Observations of controls over plant productivity in tundra and boreal ecosystems have been used to build a conceptual model of response to warming, where warmer soils and increased decomposition of plant litter increase nutrient availability, which, in turn, stimulates plant production and increases ecosystem carbon storage. Here we present the results of a long-term fertilization experiment in Alaskan tundra, in which increased nutrient availability caused a net ecosystem loss of almost 2,000 grams of carbon per square meter over 20 years. We found that annual aboveground plant production doubled during the experiment. Losses of carbon and nitrogen from deep soil layers, however, were substantial and more than offset the increased carbon and nitrogen storage in plant biomass and litter. Our study suggests that projected release of soil nutrients associated with high-latitude warming may further amplify carbon release from soils, causing a net loss of ecosystem carbon and a positive feedback to climate warming.     

Arctic hydrology during global warming at the Palaeocene/Eocene thermal maximum

The Palaeocene/Eocene thermal maximum represents a period of rapid, extreme global warming 55 million years ago, superimposed on an already warm world. This warming is associated with a severe shoaling of the ocean calcite compensation depth and a >2.5 per mil negative carbon isotope excursion in marine and soil carbonates. Together these observations indicate a massive release of 13C-depleted carbon and greenhouse-gas-induced warming. Recently, sediments were recovered from the central Arctic Ocean, providing the first opportunity to evaluate the environmental response at the North Pole at this time. Here we present stable hydrogen and carbon isotope measurements of terrestrial-plant- and aquatic-derived n-alkanes that record changes in hydrology, including surface water salinity and precipitation, and the global carbon cycle. Hydrogen isotope records are interpreted as documenting decreased rainout during moisture transport from lower latitudes and increased moisture delivery to the Arctic at the onset of the Palaeocene/Eocene thermal maximum, consistent with predictions of poleward storm track migrations during global warming. The terrestrial-plant carbon isotope excursion (about -4.5 to -6 per mil) is substantially larger than those of marine carbonates. Previously, this offset was explained by the physiological response of plants to increases in surface humidity. But this mechanism is not an effective explanation in this wet Arctic setting, leading us to hypothesize that the true magnitude of the excursion--and associated carbon input--was greater than originally surmised. Greater carbon release and strong hydrological cycle feedbacks may help explain the maintenance of this unprecedented warmth.     

全球CO2排放量与地表气温升高的因果性检验

利用Ｇｒａｎｇｅｒ因果检验与互谱分析方法研究了自１８６０年至１９８８年全球ＣＯ２排放量与全球地表平均气温变化值之间的关系．结果证实了在这段人类用仪器记录最长的历史阶段中，ＣＯ２排放量与平均地表气温均有显著增加；且有证据表明ＣＯ２排放量的增加导致地表气温增加