第5講溫室氣體排放和大氣溫室氣體濃度的變化PPT課件

1、第第5 5講講 溫室氣體排放溫室氣體排放和大氣溫室氣體濃度的變化和大氣溫室氣體濃度的變化目錄目錄 溫室氣體的排放與排放情景溫室氣體的排放與排放情景 碳循環(huán)與大氣溫室氣體濃度的變化碳循環(huán)與大氣溫室氣體濃度的變化 海洋和陸地的碳收支海洋和陸地的碳收支溫室氣體的排放與排放情景溫室氣體的排放與排放情景溫室氣體種類(lèi)和作用種類(lèi)增溫效應(yīng)(%)生命期(年)二氧化碳（CO2）6350200甲烷（CH4）151217氧化亞氮（N2O）4120氫氟碳化物（HFCS）全氟化碳（PFCS）1113.350000六氟化硫（SF6）及其它7？排放溫室氣體的人類(lèi)活動(dòng)（一）化石能源燃燒活動(dòng)（二氧化碳等）化石能源開(kāi)采過(guò)程中的排放

2、和泄漏（二氧化碳和甲烷）部分工業(yè)生產(chǎn) 過(guò)程(如水泥生產(chǎn))（二氧化碳）排放溫室氣體的人類(lèi)活動(dòng)（二） 農(nóng)業(yè)(如水稻) （甲烷） 畜牧業(yè)(如牛等反芻動(dòng)物消化) （甲烷） 廢棄物處理 （甲烷和二氧化碳） 土地利用變化減少對(duì)二氧化碳的吸收（如森 林砍伐）排放情景排放情景 排放情景是指為了制作未來(lái)全球和區(qū)域氣候變化排放情景是指為了制作未來(lái)全球和區(qū)域氣候變化的預(yù)測(cè)，根據(jù)一系列驅(qū)動(dòng)因子（包括人口增長(zhǎng)、的預(yù)測(cè)，根據(jù)一系列驅(qū)動(dòng)因子（包括人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步、環(huán)境條件、全球化、公平經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步、環(huán)境條件、全球化、公平原則等）的假設(shè)得出的未來(lái)溫室氣體和硫化物氣原則等）的假設(shè)得出的未來(lái)溫室氣體和硫化物氣溶

3、膠排放的情況。溶膠排放的情況。 早期的模式預(yù)測(cè)并沒(méi)有特定的排放情景，主要進(jìn)早期的模式預(yù)測(cè)并沒(méi)有特定的排放情景，主要進(jìn)行的是行的是CO2CO2加倍平衡試驗(yàn)（加倍平衡試驗(yàn)（IPCCIPCC，19901990）。此后先）。此后先后發(fā)展了兩套溫室氣體和氣溶膠排放情景，即后發(fā)展了兩套溫室氣體和氣溶膠排放情景，即IS92IS92和和SRESSRES。 區(qū)域性區(qū)域性全球化全球化 A2多元化社會(huì)模式多元化社會(huì)模式 A1A1高速增長(zhǎng)社會(huì)模式高速增長(zhǎng)社會(huì)模式 B2地區(qū)共存型社會(huì)模式地區(qū)共存型社會(huì)模式 B1持續(xù)發(fā)展型社會(huì)模式持續(xù)發(fā)展型社會(huì)模式經(jīng)濟(jì)優(yōu)先經(jīng)濟(jì)優(yōu)先環(huán)境優(yōu)先環(huán)境優(yōu)先 IS92IS92排放情景于排放情景于19

4、921992年提出（年提出（IPCCIPCC，19921992），主要用于），主要用于SARSAR中氣候模式的預(yù)測(cè)。中氣候模式的預(yù)測(cè)。IS92IS92包含了六種不同的排放情景（包含了六種不同的排放情景（IS92aIS92a到到IS92fIS92f），分別代表未來(lái)世界不同的社會(huì)、），分別代表未來(lái)世界不同的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境條件。經(jīng)濟(jì)和環(huán)境條件。 SRESSRES排放情景于排放情景于20002000年提年提（IPCC 2001IPCC 2001），），主要用于替代主要用于替代IS92IS92用于用于TARTAR的氣候預(yù)測(cè)。的氣候預(yù)測(cè)。SRESSRES排放情景主要由四個(gè)框架組成：排放情景主要由四個(gè)框架

5、組成： A1A1框架和情景系列框架和情景系列 描述的是一個(gè)描述的是一個(gè)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，全球人口峰值出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，全球人口峰值出現(xiàn)在在2121世紀(jì)中葉、隨后開(kāi)始減少，新的和更高效的世紀(jì)中葉、隨后開(kāi)始減少，新的和更高效的技術(shù)迅速出現(xiàn)的未來(lái)世界。技術(shù)迅速出現(xiàn)的未來(lái)世界。其基本內(nèi)容是其基本內(nèi)容是強(qiáng)調(diào)地強(qiáng)調(diào)地區(qū)間的趨同發(fā)展、能力建設(shè)、不斷增強(qiáng)的文化和區(qū)間的趨同發(fā)展、能力建設(shè)、不斷增強(qiáng)的文化和社會(huì)的相互作用、地區(qū)間人均收入差距的持續(xù)減社會(huì)的相互作用、地區(qū)間人均收入差距的持續(xù)減少。少。A1A1情景系列劃分為情景系列劃分為3 3個(gè)群組，分別描述了能源個(gè)群組，分別描述了能源系統(tǒng)技術(shù)變化的不同發(fā)展方向，以技術(shù)重

6、點(diǎn)來(lái)區(qū)系統(tǒng)技術(shù)變化的不同發(fā)展方向，以技術(shù)重點(diǎn)來(lái)區(qū)分這三個(gè)分這三個(gè)A1A1情景組：化石密集（情景組：化石密集（A1FIA1FI）、非化石）、非化石能源（能源（A1TA1T）、各種能源資源均衡（）、各種能源資源均衡（A1BA1B）（此處）（此處的均衡定義為，在假設(shè)各種能源供應(yīng)和利用技術(shù)的均衡定義為，在假設(shè)各種能源供應(yīng)和利用技術(shù)發(fā)展速度相當(dāng)?shù)臈l件下，不過(guò)分依賴(lài)于某一特定發(fā)展速度相當(dāng)?shù)臈l件下，不過(guò)分依賴(lài)于某一特定的能源資源）。的能源資源）。A2A2框架和情景系列框架和情景系列 描述的是一個(gè)描述的是一個(gè)極其非均衡發(fā)展的世界極其非均衡發(fā)展的世界。其。其基本點(diǎn)是自給自足和地方保護(hù)主義，地區(qū)基本點(diǎn)是自給自足和

7、地方保護(hù)主義，地區(qū)間的人口出生率很不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致持續(xù)的人間的人口出生率很不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致持續(xù)的人口增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要以區(qū)域經(jīng)濟(jì)為主，口增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要以區(qū)域經(jīng)濟(jì)為主，人均經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與技術(shù)變化越來(lái)越分離，低人均經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與技術(shù)變化越來(lái)越分離，低于其它框架的發(fā)展速度。于其它框架的發(fā)展速度。 B1 B1框架和情景系列框架和情景系列 描述的是一個(gè)描述的是一個(gè)均衡發(fā)展的世界均衡發(fā)展的世界，與，與A1A1描述描述具有相同的人口，人口峰值出現(xiàn)在世紀(jì)中具有相同的人口，人口峰值出現(xiàn)在世紀(jì)中葉，隨后開(kāi)始減少。不同的是，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)葉，隨后開(kāi)始減少。不同的是，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)向服務(wù)和信息經(jīng)濟(jì)方向快速調(diào)整，材料密向服務(wù)和信息經(jīng)濟(jì)方向快速

8、調(diào)整，材料密度降低，引入清潔、能源效率高的技術(shù)。度降低，引入清潔、能源效率高的技術(shù)。其基本點(diǎn)是其基本點(diǎn)是在不采取氣候行動(dòng)計(jì)劃的條件在不采取氣候行動(dòng)計(jì)劃的條件下，更加公平地在全球范圍實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社下，更加公平地在全球范圍實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。 B2B2框架和情景系列框架和情景系列 描述的世界描述的世界強(qiáng)調(diào)區(qū)域性的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)強(qiáng)調(diào)區(qū)域性的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。境的可持續(xù)發(fā)展。全球人口以低于全球人口以低于A(yíng)2A2的增的增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于中等水平，長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于中等水平，技術(shù)變化速率與技術(shù)變化速率與A1A1、B1B1相比趨緩、發(fā)展方相比趨

9、緩、發(fā)展方向多樣。同時(shí)，該情景所描述的世界也朝向多樣。同時(shí)，該情景所描述的世界也朝著環(huán)境保護(hù)和社會(huì)公平的方向發(fā)展，但所著環(huán)境保護(hù)和社會(huì)公平的方向發(fā)展，但所考慮的重點(diǎn)僅僅局限于地方和區(qū)域一級(jí)?？紤]的重點(diǎn)僅僅局限于地方和區(qū)域一級(jí)。SRESSRES以及以及IS92aIS92a主要溫室氣體和主要溫室氣體和SOSO2 2的排放情景的排放情景 圖2碳循環(huán)與溫室氣體濃度的變化碳循環(huán)與溫室氣體濃度的變化 碳循環(huán)之所以重要，是因?yàn)樗佳h(huán)之所以重要，是因?yàn)樗{(diào)節(jié)著兩種最重調(diào)節(jié)著兩種最重要的溫室氣體要的溫室氣體COCO2 2與與CHCH4 4的大氣濃度。的大氣濃度。碳循環(huán)比較復(fù)碳循環(huán)比較復(fù)雜，它具有多種不同化學(xué)物

10、質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)換。而水循雜，它具有多種不同化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)換。而水循環(huán)中不同庫(kù)間的交換過(guò)程涉及到相變，但只有一個(gè)環(huán)中不同庫(kù)間的交換過(guò)程涉及到相變，但只有一個(gè)化學(xué)物質(zhì)化學(xué)物質(zhì)H H2 2O O的輸送。在全球碳循環(huán)中有的輸送。在全球碳循環(huán)中有四個(gè)大的碳四個(gè)大的碳庫(kù)：大氣、生物圈（濕地與海洋）、地殼（含地幔）庫(kù)：大氣、生物圈（濕地與海洋）、地殼（含地幔）和海洋碳庫(kù)。和海洋碳庫(kù)。大氣大氣COCO2 2庫(kù)的大小在活躍的生物圈庫(kù)庫(kù)的大小在活躍的生物圈庫(kù)（綠色植物，浮游生物，與整個(gè)食物鏈）和巨大的（綠色植物，浮游生物，與整個(gè)食物鏈）和巨大的地殼碳庫(kù)之間，進(jìn)出小庫(kù)的交換率比進(jìn)出大庫(kù)的要地殼碳庫(kù)之間，進(jìn)出小庫(kù)的交換

11、率比進(jìn)出大庫(kù)的要快幾個(gè)量級(jí)?？鞄讉€(gè)量級(jí)。 幾百萬(wàn)年來(lái)，通過(guò)硅酸鹽巖石的風(fēng)化作用和由幾百萬(wàn)年來(lái)，通過(guò)硅酸鹽巖石的風(fēng)化作用和由海洋植物固碳作用而埋藏于海洋沉積物中，海洋植物固碳作用而埋藏于海洋沉積物中，COCO2 2由大由大氣中被清除。而化石燃料的燃燒又把地球在地質(zhì)時(shí)氣中被清除。而化石燃料的燃燒又把地球在地質(zhì)時(shí)期捕獲的碳重新釋放到大氣中。新的冰芯資料表明，期捕獲的碳重新釋放到大氣中。新的冰芯資料表明，地球系統(tǒng)至少在過(guò)去地球系統(tǒng)至少在過(guò)去6565萬(wàn)年內(nèi)（萬(wàn)年內(nèi)（6 6次冰期次冰期間冰期循間冰期循環(huán)）沒(méi)有達(dá)到目前大氣環(huán)）沒(méi)有達(dá)到目前大氣COCO2 2或或CHCH4 4的濃度值。的濃度值。在那個(gè)在那個(gè)時(shí)

12、期，大氣時(shí)期，大氣COCO2 2濃度一直在濃度一直在180ppm180ppm（冰期最盛時(shí)期）（冰期最盛時(shí)期）和和300ppm300ppm（暖的間冰期）。一般認(rèn)為，在冰期盛期，（暖的間冰期）。一般認(rèn)為，在冰期盛期，由大氣中清除的由大氣中清除的COCO2 2被儲(chǔ)存于海洋中，并提出了一些被儲(chǔ)存于海洋中，并提出了一些因果的機(jī)理，它們把天文變化，氣候，因果的機(jī)理，它們把天文變化，氣候，COCO2 2和其它溫和其它溫室氣體，海洋環(huán)流與溫度，生物生產(chǎn)力和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)室氣體，海洋環(huán)流與溫度，生物生產(chǎn)力和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)與海洋沉積物之相互作用聯(lián)系起來(lái)。與海洋沉積物之相互作用聯(lián)系起來(lái)。 在在17501750年之前，年之前，C

13、OCO2 2的大氣濃度穩(wěn)定在的大氣濃度穩(wěn)定在260-280ppm260-280ppm已達(dá)已達(dá)1010萬(wàn)年。相對(duì)于自然變化，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)的擾動(dòng)是不明萬(wàn)年。相對(duì)于自然變化，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)的擾動(dòng)是不明顯的。顯的。17501750年之后，大氣中年之后，大氣中COCO2 2濃度以增長(zhǎng)的速率由濃度以增長(zhǎng)的速率由280ppm280ppm上升到上升到20052005年近年近380ppm380ppm。這種增加主要產(chǎn)生自人類(lèi)活動(dòng)：主這種增加主要產(chǎn)生自人類(lèi)活動(dòng)：主要是化石燃料燃燒和毀林，也由于水泥生產(chǎn)，土地利用和管要是化石燃料燃燒和毀林，也由于水泥生產(chǎn)，土地利用和管理的變化（生物質(zhì)燃燒，作物生產(chǎn)，草地變農(nóng)用等

14、）。其中理的變化（生物質(zhì)燃燒，作物生產(chǎn)，草地變農(nóng)用等）。其中人類(lèi)活動(dòng)造成的人類(lèi)活動(dòng)造成的COCO2 2排放是單一的對(duì)氣候變化貢獻(xiàn)最大的人排放是單一的對(duì)氣候變化貢獻(xiàn)最大的人類(lèi)活動(dòng)因子。甲烷濃度從類(lèi)活動(dòng)因子。甲烷濃度從17501750年的年的700ppb700ppb類(lèi)似的上升到類(lèi)似的上升到20052005年的年的1775ppb1775ppb，其排放源有：化石燃料，填埋廢棄物處理，其排放源有：化石燃料，填埋廢棄物處理，泥地泥地/ /濕地，反芻動(dòng)物和稻米生產(chǎn)。濕地，反芻動(dòng)物和稻米生產(chǎn)。CHCH4 4輻射強(qiáng)迫的增加量略輻射強(qiáng)迫的增加量略小于小于COCO2 2的三分之一，是第二個(gè)重要的溫室氣體。的三分之一

15、，是第二個(gè)重要的溫室氣體。 無(wú)論是無(wú)論是COCO2 2和和CHCH4 4在自然碳循環(huán)中都起著重要的在自然碳循環(huán)中都起著重要的作用。它們?cè)陉懙厣锶?，海洋和大氣之間連續(xù)地作用。它們?cè)陉懙厣锶?，海洋和大氣之間連續(xù)地大量流動(dòng)，在近十萬(wàn)年到大量流動(dòng)，在近十萬(wàn)年到17501750年維持著穩(wěn)定的大氣年維持著穩(wěn)定的大氣COCO2 2和和CHCH4 4濃度。通過(guò)光合作用，碳被轉(zhuǎn)換成植物生濃度。通過(guò)光合作用，碳被轉(zhuǎn)換成植物生物質(zhì)。陸地植物由大氣中捕獲物質(zhì)。陸地植物由大氣中捕獲COCO2 2；植物，土地和動(dòng)；植物，土地和動(dòng)物呼吸（包括死亡，生物質(zhì)分解），在厭氧條件下物呼吸（包括死亡，生物質(zhì)分解），在厭氧條件下把

16、碳作為把碳作為COCO2 2和和CHCH4 4又可返回到大氣中。在年尺度上，又可返回到大氣中。在年尺度上，植被火災(zāi)可能是植被火災(zāi)可能是COCO2 2與與CHCH4 4的重要源。但如果植被再的重要源。但如果植被再生，在年代時(shí)間尺度大量生，在年代時(shí)間尺度大量COCO2 2又可被陸地生物圈再度又可被陸地生物圈再度捕獲。捕獲。 在大氣與海洋間在大氣與海洋間COCO2 2被連續(xù)地交換，進(jìn)入洋面的被連續(xù)地交換，進(jìn)入洋面的COCO2 2立即與水形成重碳酸鹽（立即與水形成重碳酸鹽（HCOHCO3 3- -）和碳酸鹽（）和碳酸鹽（COCO3 32-2-）離子，離子，COCO2 2，HCOHCO3 3- -和和C

17、OCO3 32-2-一起被稱(chēng)作溶解性無(wú)機(jī)碳一起被稱(chēng)作溶解性無(wú)機(jī)碳（DICDIC）。相對(duì)于大氣和其下海洋中層的物理交換）。相對(duì)于大氣和其下海洋中層的物理交換COCO2 2在表層洋面作為在表層洋面作為DICDIC的存留時(shí)間不到的存留時(shí)間不到1010年。冬季，年。冬季，高緯的冷水，重且富有高緯的冷水，重且富有COCO2 2（作為（作為DICDIC）由于溶解性）由于溶解性高）從表層下沉到深層，這種局地的下沉與高）從表層下沉到深層，這種局地的下沉與MOCMOC（經(jīng)（經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流）有關(guān)，被稱(chēng)作向翻轉(zhuǎn)環(huán)流）有關(guān)，被稱(chēng)作“溶解泵溶解泵”。長(zhǎng)時(shí)期看，長(zhǎng)時(shí)期看，它被分布式向上擴(kuò)散到暖表層水的它被分布式向上擴(kuò)散到暖

18、表層水的DICDIC輸送大致相平輸送大致相平衡。衡。 浮游生物通過(guò)光合作用攝取碳，以后作為死亡浮游生物通過(guò)光合作用攝取碳，以后作為死亡的有機(jī)物與顆粒，其中一些又從表層下沉（生物泵）的有機(jī)物與顆粒，其中一些又從表層下沉（生物泵）或轉(zhuǎn)變成溶解有機(jī)碳（或轉(zhuǎn)變成溶解有機(jī)碳（DOCDOC）。大部分下沉顆粒中的）。大部分下沉顆粒中的碳在表層通過(guò)細(xì)菌的作用又被氧化，并最終作為碳在表層通過(guò)細(xì)菌的作用又被氧化，并最終作為DICDIC再循環(huán)到海表。其余的顆粒通量到達(dá)深海區(qū)再循環(huán)到海表。其余的顆粒通量到達(dá)深海區(qū)（2000-6000m2000-6000m），一小部分到達(dá)深海沉積物，其中），一小部分到達(dá)深海沉積物，其中

19、一些又重新懸浮起來(lái)，一些被埋存。中層海水以幾一些又重新懸浮起來(lái)，一些被埋存。中層海水以幾十年十年幾百年時(shí)間尺度混合，而深層水混合是千年幾百年時(shí)間尺度混合，而深層水混合是千年時(shí)間尺度，需要一些混合時(shí)間以使海洋達(dá)到其充分時(shí)間尺度，需要一些混合時(shí)間以使海洋達(dá)到其充分的緩沖能力。溶解和生物泵一起維持的緩沖能力。溶解和生物泵一起維持COCO2 2在洋面（低在洋面（低值）到深層海洋（高值）的垂直梯度（作為值）到深層海洋（高值）的垂直梯度（作為DICDIC），），因而調(diào)節(jié)著因而調(diào)節(jié)著COCO2 2在大氣與海洋間的交換。在大氣與海洋間的交換。 從全球看，從全球看，溶解泵的濃度依賴(lài)于溶解泵的濃度依賴(lài)于MOCMO

20、C的強(qiáng)度，的強(qiáng)度，洋面溫度，洋面溫度，鹽分，層結(jié)和冰蓋。生物泵的效率依賴(lài)于光合作用中由表層鹽分，層結(jié)和冰蓋。生物泵的效率依賴(lài)于光合作用中由表層海洋作為下沉顆粒物輸出的那一部分，它受到海洋環(huán)流，營(yíng)海洋作為下沉顆粒物輸出的那一部分，它受到海洋環(huán)流，營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)和浮游生物群組成和生理作用的影響。養(yǎng)供應(yīng)和浮游生物群組成和生理作用的影響。 下圖中，黑箭頭是海洋，大氣和陸地生物圈間的自然或下圖中，黑箭頭是海洋，大氣和陸地生物圈間的自然或未擾動(dòng)碳交換?？偟年懙厣锶εc大氣以及海洋與大氣間的未擾動(dòng)碳交換?？偟年懙厣锶εc大氣以及海洋與大氣間的通量分別是通量分別是120120與與90GtC/yr90GtC/yr（約

21、（約19951995年）。只有不到年）。只有不到1GtC/yr1GtC/yr碳從陸地通過(guò)河流輸入到海洋中。這些通量在長(zhǎng)時(shí)期平均是碳從陸地通過(guò)河流輸入到海洋中。這些通量在長(zhǎng)時(shí)期平均是平衡的。對(duì)于長(zhǎng)期地質(zhì)年代具有重要性的，另外自然通量包平衡的。對(duì)于長(zhǎng)期地質(zhì)年代具有重要性的，另外自然通量包括由陸地植物的有機(jī)物質(zhì)向土壤中慣性有機(jī)碳的不穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，括由陸地植物的有機(jī)物質(zhì)向土壤中慣性有機(jī)碳的不穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，巖石風(fēng)化和沉積物積累（反風(fēng)化作用）與火山活動(dòng)釋放，它巖石風(fēng)化和沉積物積累（反風(fēng)化作用）與火山活動(dòng)釋放，它們的量值總體上是小的。在們的量值總體上是小的。在17501750年前的年前的1 1萬(wàn)年中凈通量不到萬(wàn)年中

22、凈通量不到0.1GtC/yr0.1GtC/yr。地球系統(tǒng)不同碳庫(kù)間的碳循環(huán)地球系統(tǒng)不同碳庫(kù)間的碳循環(huán)大氣與海洋地殼生物圈地幔層光合作用呼吸與衰亡埋藏俯沖海床擴(kuò)張風(fēng)化作用火山活動(dòng)圖3圖中給出的是年平均碳通量（Gtc/yr）。黑箭頭：工業(yè)化前自然通量；紅箭頭：人類(lèi)活動(dòng)通量。凈的陸地?fù)p失（-39Gtc）由累積化石燃料排放減大氣增加再減海洋儲(chǔ)存倒算得到。-140Gtc代表土地利用變化造成的累積排放，并要求101Gtc的陸地生物圈匯。GPP是年平均總陸地初級(jí)生產(chǎn)力。19901990年代全球碳循環(huán)示意圖年代全球碳循環(huán)示意圖圖4 海洋和陸地的碳收支海洋和陸地的碳收支海洋中碳以三種形式存在：海洋中碳以三種形式

23、存在：（1 1）溶解的）溶解的COCO2 2或或H H2 2COCO3 3（碳酸）（碳酸）（2 2）與）與CaCa2+2+與與MgMg2+2+及其它金屬陽(yáng)離子偶對(duì)的及其它金屬陽(yáng)離子偶對(duì)的碳酸鹽粒子（碳酸鹽粒子（COCO2 2-3-3）（3 3）重碳酸鹽離子，這是海洋碳庫(kù)含量最大）重碳酸鹽離子，這是海洋碳庫(kù)含量最大的。的。 陸地生態(tài)系統(tǒng)：陸地生態(tài)系統(tǒng)：總碳含量比海洋低很多，總碳含量比海洋低很多，1818世紀(jì)中的估計(jì)表明總碳庫(kù)容量為世紀(jì)中的估計(jì)表明總碳庫(kù)容量為2300GtC2300GtC，其中其中80%80%在土壤和地表廢棄物中，其余在地在土壤和地表廢棄物中，其余在地上植被中：凈初級(jí)生產(chǎn)力（上植被

24、中：凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPPNPP）每年把約）每年把約120GtC/y120GtC/y碳通過(guò)光合作用吸收到生態(tài)系統(tǒng)碳通過(guò)光合作用吸收到生態(tài)系統(tǒng)中，而呼吸與生物質(zhì)燃燒中，而呼吸與生物質(zhì)燃燒/ /衰亡又把同樣的衰亡又把同樣的碳量返到大氣中。碳量返到大氣中。 （光合作用：（光合作用： COCO2 2+H+H2 2O CHO CH2 2O+OO+O2 2; ; 呼吸與衰亡：呼吸與衰亡： CHCH2 2O+OO+O2 2 CO CO2 2+H+H2 2O O； 即使有機(jī)物質(zhì)氧化）即使有機(jī)物質(zhì)氧化） 大氣碳庫(kù)主要由大氣碳庫(kù)主要由COCO2 2和和CHCH4 4構(gòu)成，工業(yè)化前的大氣構(gòu)成，工業(yè)化前的大氣COCO2

25、 2濃度濃度280ppm280ppm相當(dāng)于約相當(dāng)于約600GtC600GtC的碳庫(kù)。大氣與其的碳庫(kù)。大氣與其它碳庫(kù)間的年通量為它碳庫(kù)間的年通量為130GtC130GtC，這表明，這表明大氣中碳的大氣中碳的更新十分迅速，每更新十分迅速，每4-54-5年一次。年一次。4242或或6565萬(wàn)年前南極萬(wàn)年前南極冰芯資料表明，冰芯資料表明，COCO2 2和和CHCH4 4濃度變化與南極溫度是濃度變化與南極溫度是非常緊密的耦合在一起（冰期：非常緊密的耦合在一起（冰期：180-220ppm180-220ppm，間，間冰期：冰期：280-300ppm280-300ppm）。冰期與間冰期循環(huán)可能由）。冰期與間冰

26、期循環(huán)可能由地球軌道參數(shù)變化引起或啟動(dòng)（它改變地球上太地球軌道參數(shù)變化引起或啟動(dòng)（它改變地球上太陽(yáng)輻射的數(shù)量和分布），但這種初始的氣候變化陽(yáng)輻射的數(shù)量和分布），但這種初始的氣候變化引起了大氣與其它碳庫(kù)間引起了大氣與其它碳庫(kù)間COCO2 2通量的明顯變化（主通量的明顯變化（主要是海洋）。之后引起大氣要是海洋）。之后引起大氣COCO2 2濃度的變化以及溫濃度的變化以及溫室強(qiáng)迫強(qiáng)度的變化。這種重要的反饋?zhàn)饔眉s為冰室強(qiáng)迫強(qiáng)度的變化。這種重要的反饋?zhàn)饔眉s為冰期期間冰期循環(huán)振幅的間冰期循環(huán)振幅的50%50%左右。左右。 過(guò)去過(guò)去1 1萬(wàn)年萬(wàn)年COCO2 2濃度只在濃度只在260-280ppm260-280

27、ppm很小范圍變很小范圍變化。大氣化。大氣COCO2 2濃度變化是大氣與其它碳庫(kù)間碳凈通量濃度變化是大氣與其它碳庫(kù)間碳凈通量的一種度量。這表明，進(jìn)出大氣通量間的凈年收支，的一種度量。這表明，進(jìn)出大氣通量間的凈年收支，對(duì)于全新世大部分時(shí)期約為零。直到過(guò)去對(duì)于全新世大部分時(shí)期約為零。直到過(guò)去200200年才發(fā)年才發(fā)生了變化。生了變化。 另外，不到另外，不到1GtC/y1GtC/y的碳通過(guò)河流由陸地輸送到的碳通過(guò)河流由陸地輸送到海洋（溶解或懸浮的顆粒物）。還有海洋（溶解或懸浮的顆粒物）。還有0.1GtC/y0.1GtC/y來(lái)自來(lái)自火山活動(dòng)和由陸地植物向惰性有機(jī)碳（土壤，巖石火山活動(dòng)和由陸地植物向惰性

28、有機(jī)碳（土壤，巖石風(fēng)化和沉積物累積（反風(fēng)化作用）不穩(wěn)定有機(jī)物風(fēng)化和沉積物累積（反風(fēng)化作用）不穩(wěn)定有機(jī)物轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。 地殼中的有機(jī)與無(wú)機(jī)碳庫(kù)都很巨大，進(jìn)出這些地殼中的有機(jī)與無(wú)機(jī)碳庫(kù)都很巨大，進(jìn)出這些庫(kù)的交換很慢（化石燃料燃燒除外），居留時(shí)間在庫(kù)的交換很慢（化石燃料燃燒除外），居留時(shí)間在幾百萬(wàn)年的量級(jí)。碳進(jìn)入這些庫(kù)是通過(guò)生物圈，尤幾百萬(wàn)年的量級(jí)。碳進(jìn)入這些庫(kù)是通過(guò)生物圈，尤其是無(wú)機(jī)碳庫(kù)主要由碳酸鈣組成，幾乎完全由海洋其是無(wú)機(jī)碳庫(kù)主要由碳酸鈣組成，幾乎完全由海洋生物圈產(chǎn)生。有機(jī)碳庫(kù)表現(xiàn)為天然氣、煤、石油和生物圈產(chǎn)生。有機(jī)碳庫(kù)表現(xiàn)為天然氣、煤、石油和油頁(yè)巖等。風(fēng)化作用使沉積巖中的有機(jī)碳暴露于大油頁(yè)巖等

29、。風(fēng)化作用使沉積巖中的有機(jī)碳暴露于大氣中，允許它氧化，以此完成長(zhǎng)期無(wú)機(jī)碳循環(huán)中的氣中，允許它氧化，以此完成長(zhǎng)期無(wú)機(jī)碳循環(huán)中的一環(huán)。目前一環(huán)。目前化石燃料燃燒僅在一年中就把幾萬(wàn)年，化石燃料燃燒僅在一年中就把幾萬(wàn)年，幾十萬(wàn)年中風(fēng)化作用所能產(chǎn)生的幾十萬(wàn)年中風(fēng)化作用所能產(chǎn)生的COCO2 2返回到大氣中。返回到大氣中。 在幾億到幾十億年時(shí)間尺度，板塊構(gòu)造和火山在幾億到幾十億年時(shí)間尺度，板塊構(gòu)造和火山活動(dòng)在產(chǎn)生大氣活動(dòng)在產(chǎn)生大氣COCO2 2中起著基本作用，無(wú)機(jī)碳循環(huán)涉中起著基本作用，無(wú)機(jī)碳循環(huán)涉及俯沖，變質(zhì)作用和風(fēng)化作用。海床上的石灰?guī)r沉及俯沖，變質(zhì)作用和風(fēng)化作用。海床上的石灰?guī)r沉積物，沿板塊邊界俯沖入

30、地幔中，結(jié)果大陸板塊位積物，沿板塊邊界俯沖入地幔中，結(jié)果大陸板塊位于更密實(shí)的海洋板塊之上。在地幔的高溫條件下，于更密實(shí)的海洋板塊之上。在地幔的高溫條件下，石灰?guī)r轉(zhuǎn)化為變質(zhì)巖，即：石灰?guī)r轉(zhuǎn)化為變質(zhì)巖，即：CaCOCaCO3 3+SiO+SiO2 2 CaSiOCaSiO3 3+CO+CO2 2通過(guò)火山爆發(fā)，由此化學(xué)反應(yīng)釋放的通過(guò)火山爆發(fā)，由此化學(xué)反應(yīng)釋放的COCO2 2最終回到大最終回到大氣中。與硅酸鹽化學(xué)組合中，含鈣的變質(zhì)巖以新形氣中。與硅酸鹽化學(xué)組合中，含鈣的變質(zhì)巖以新形成的地殼形式再循環(huán)。成的地殼形式再循環(huán)。變質(zhì)反應(yīng)，組合風(fēng)化作用和變質(zhì)反應(yīng)，組合風(fēng)化作用和碳酸形成反應(yīng)，就形成了一個(gè)閉合回路

31、，在其中碳碳酸形成反應(yīng)，就形成了一個(gè)閉合回路，在其中碳原子在大氣原子在大氣COCO2 2庫(kù)，地殼中的無(wú)機(jī)碳庫(kù)來(lái)回循環(huán)，其庫(kù)，地殼中的無(wú)機(jī)碳庫(kù)來(lái)回循環(huán)，其時(shí)間尺度幾千年到幾百萬(wàn)年。時(shí)間尺度幾千年到幾百萬(wàn)年。地殼和大氣的碳交換地殼和大氣的碳交換 通過(guò)硅酸鈣巖石的風(fēng)化作用可產(chǎn)生離子通過(guò)硅酸鈣巖石的風(fēng)化作用可產(chǎn)生離子：CaSiOCaSiO3 3+H+H2 2COCO3 3CaCa2+2+2HCO+2HCO3 3- -+SiO+SiO2 2+H+H2 2O O （1 1）鈣離子與重碳酸鹽離子被海洋有機(jī)體相結(jié)合到它們鈣離子與重碳酸鹽離子被海洋有機(jī)體相結(jié)合到它們的外殼和骨骼中的外殼和骨骼中CaCa2+2+2

32、HCO+2HCO3 3- - CaCO CaCO3 3+SiO+SiO2 2 （2 2）（1 1）與（）與（2 2）合并，）合并，CaSiOCaSiO3 3+CO+CO2 2 CaCO CaCO3 3+SiO+SiO2 2 （3 3） 故通過(guò)化學(xué)反應(yīng)從大氣和海洋中捕獲故通過(guò)化學(xué)反應(yīng)從大氣和海洋中捕獲COCO2 2，將它，將它溶入更大的碳源中，即地殼的無(wú)機(jī)碳沉積巖中。溶入更大的碳源中，即地殼的無(wú)機(jī)碳沉積巖中。 另一方面，通過(guò)板塊運(yùn)動(dòng)和火山運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生另一方面，通過(guò)板塊運(yùn)動(dòng)和火山運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生COCO2 2，補(bǔ)充大氣中的補(bǔ)充大氣中的COCO2 2。海底的石灰石沉積沿著板塊邊緣。海底的石灰石沉積沿著板塊邊

33、緣俯沖到地幔中，由于地幔中溫度較高，石灰石通過(guò)俯沖到地幔中，由于地幔中溫度較高，石灰石通過(guò)化學(xué)反應(yīng)變成變質(zhì)巖?；瘜W(xué)反應(yīng)變成變質(zhì)巖。CaCOCaCO3 3+SiO+SiO3 3 CaSiO CaSiO3 3+CO+CO2 2 （4 4） 上述化學(xué)反應(yīng)中釋放出來(lái)的上述化學(xué)反應(yīng)中釋放出來(lái)的COCO2 2通過(guò)火山爆發(fā)又通過(guò)火山爆發(fā)又回到大氣中。（回到大氣中。（4 4）式的變質(zhì)反應(yīng)，加上風(fēng)化反應(yīng)，）式的變質(zhì)反應(yīng)，加上風(fēng)化反應(yīng)，與形成碳酸鹽的反應(yīng)（與形成碳酸鹽的反應(yīng)（3 3）就構(gòu)成了一個(gè)完整的碳循）就構(gòu)成了一個(gè)完整的碳循環(huán)，使碳原子在大氣和地殼中的無(wú)機(jī)碳源中不斷循環(huán)，使碳原子在大氣和地殼中的無(wú)機(jī)碳源中不斷

34、循環(huán)，所需時(shí)間為幾千萬(wàn)或幾億年。環(huán)，所需時(shí)間為幾千萬(wàn)或幾億年。 當(dāng)當(dāng)COCO2 2通過(guò)火山爆發(fā)進(jìn)入大氣的速度大于風(fēng)化作通過(guò)火山爆發(fā)進(jìn)入大氣的速度大于風(fēng)化作用產(chǎn)生鈣離子的速度時(shí)，大氣中的用產(chǎn)生鈣離子的速度時(shí)，大氣中的COCO2 2濃度就會(huì)增加，濃度就會(huì)增加，反之亦然。反之亦然。COCO2 2進(jìn)入大氣的速度取決碳酸鹽巖石變質(zhì)進(jìn)入大氣的速度取決碳酸鹽巖石變質(zhì)反應(yīng)的速度，而變質(zhì)反應(yīng)的速度又依賴(lài)于板塊聚集反應(yīng)的速度，而變質(zhì)反應(yīng)的速度又依賴(lài)于板塊聚集運(yùn)動(dòng)的速度。運(yùn)動(dòng)的速度。而風(fēng)化作用的速度則跟大氣中的水汽而風(fēng)化作用的速度則跟大氣中的水汽循環(huán)速度有關(guān)，它隨溫度的升高而增加。風(fēng)化過(guò)程循環(huán)速度有關(guān)，它隨溫度的升

35、高而增加。風(fēng)化過(guò)程包含化學(xué)反應(yīng)使這種依賴(lài)溫度的關(guān)系更為明顯。因包含化學(xué)反應(yīng)使這種依賴(lài)溫度的關(guān)系更為明顯。因此，較高的環(huán)境溫度和較慢板塊運(yùn)動(dòng)將有益于降低此，較高的環(huán)境溫度和較慢板塊運(yùn)動(dòng)將有益于降低大氣中大氣中COCO2 2濃度，反之會(huì)增加其濃度。在上千萬(wàn)年的濃度，反之會(huì)增加其濃度。在上千萬(wàn)年的時(shí)間里，（時(shí)間里，（3 3）與（）與（4 4）式的不平衡將會(huì)改變大氣中）式的不平衡將會(huì)改變大氣中COCO2 2的濃度，這已是不爭(zhēng)的事實(shí)。的濃度，這已是不爭(zhēng)的事實(shí)。大氣海洋石灰?guī)r碳WM石灰?guī)r離子變質(zhì)巖石英MWMW長(zhǎng)期無(wú)機(jī)碳循環(huán)，或碳酸硅酸循環(huán)。S：沉積；M：變質(zhì)作用；W：風(fēng)化作用鈣硅圖5 在火山爆發(fā)把在火山爆

36、發(fā)把COCO2 2噴射入大氣的速率超過(guò)由噴射入大氣的速率超過(guò)由風(fēng)化作用產(chǎn)生的鈣離子速率時(shí)，大氣風(fēng)化作用產(chǎn)生的鈣離子速率時(shí)，大氣COCO2 2濃濃度增加，反之也然。噴發(fā)率決定于碳酸巖度增加，反之也然。噴發(fā)率決定于碳酸巖變質(zhì)率，后者又取決于沿輻合邊緣出現(xiàn)俯變質(zhì)率，后者又取決于沿輻合邊緣出現(xiàn)俯沖時(shí)板塊運(yùn)動(dòng)的速度。但風(fēng)化作用正比于沖時(shí)板塊運(yùn)動(dòng)的速度。但風(fēng)化作用正比于水循環(huán)大氣分支中水循環(huán)速度。后者是水循環(huán)大氣分支中水循環(huán)速度。后者是隨隨溫度增加而增加。溫度增加而增加。風(fēng)化作用涉及化學(xué)反應(yīng)風(fēng)化作用涉及化學(xué)反應(yīng)的事實(shí)使對(duì)溫度的依賴(lài)性甚至更強(qiáng)。的事實(shí)使對(duì)溫度的依賴(lài)性甚至更強(qiáng)。海洋中碳的化學(xué)過(guò)程海洋中碳的化學(xué)

37、過(guò)程COCO2 2+H+H2 2OHOH2 2O O3 3 （1 1）碳酸以后分解形成重碳酸離子和氫離子碳酸以后分解形成重碳酸離子和氫離子H H2 2COCO3 3 H H+ + +HCO+HCO3 3- - （2 2）以此使海水變得更酸，增加的以此使海水變得更酸，增加的H+H+離子把碳酸鹽與重離子把碳酸鹽與重碳酸鹽間的平衡碳酸鹽間的平衡HCOHCO3 3- - H H+ + +CO+CO3 32-2- （3 3）移向左邊，其反向反應(yīng)為移向左邊，其反向反應(yīng)為COCO2 2+CO+CO3 32-2-+H+H2 2O 2HCOO 2HCO3 3- - （4 4）這把加入的碳送入重碳酸鹽庫(kù)中，而海洋

38、酸度并無(wú)這把加入的碳送入重碳酸鹽庫(kù)中，而海洋酸度并無(wú)增加，海洋以這種方式吸收和緩沖增加，海洋以這種方式吸收和緩沖COCO2 2的能力受到碳的能力受到碳酸鹽庫(kù)中離子多少的限制。酸鹽庫(kù)中離子多少的限制。CaCa2+2+2HCO+2HCO3 3- -CaCOCaCO3 3+H+H2 2COCO3 3 （5 5）以此產(chǎn)生的碳酸鈣鹽沉入到海床上，形成石灰?guī)r沉積以此產(chǎn)生的碳酸鈣鹽沉入到海床上，形成石灰?guī)r沉積物，而其余的通過(guò)逆過(guò)積溶解掉。物，而其余的通過(guò)逆過(guò)積溶解掉。CaCOCaCO3 3+HCO+HCO3 3 Ca Ca2+2+2HCO+2HCO3 3- - （6 6）石灰?guī)r沉積物趨于集中在熱帶淺海下方的

39、大陸架中。石灰?guī)r沉積物趨于集中在熱帶淺海下方的大陸架中。它們是有利于珊瑚生長(zhǎng)，在海洋的這些層中，水的酸它們是有利于珊瑚生長(zhǎng)，在海洋的這些層中，水的酸性很低，因而沉積于海床上的殼類(lèi)和骨骼并不溶解。性很低，因而沉積于海床上的殼類(lèi)和骨骼并不溶解。海洋有機(jī)物把吸收到它們的貝殼中，它是通過(guò)巖石的海洋有機(jī)物把吸收到它們的貝殼中，它是通過(guò)巖石的風(fēng)蝕作用，由河中帶入到海洋中，某些離子可由鈣風(fēng)蝕作用，由河中帶入到海洋中，某些離子可由鈣硅巖石的風(fēng)化形成。硅巖石的風(fēng)化形成。CaSiOCaSiO3 3+H+H2 2COCO3 3CaCa2+2+2HCO+2HCO3 3- -+SiO+SiO2 2+H+H2 2O O

40、（7 7）組合（組合（1 1）后，（）后，（5 5）與（）與（7 7）式的凈作用是：）式的凈作用是：CaSiOCaSiO3 3+CO+CO2 2CaCOCaCO3 3+SiO+SiO2 2 （8 8）工業(yè)化前的碳循環(huán)工業(yè)化前的碳循環(huán) 沉積巖和礦物沉積物在百萬(wàn)年尺度上，蘊(yùn)沉積巖和礦物沉積物在百萬(wàn)年尺度上，蘊(yùn)藏著大量的碳。這種碳庫(kù)的自然變化一般很小，藏著大量的碳。這種碳庫(kù)的自然變化一般很小，它們一般不參與百年尺度及更短時(shí)間尺度的碳它們一般不參與百年尺度及更短時(shí)間尺度的碳通量變化。幾百萬(wàn)年的地質(zhì)時(shí)期，通量變化。幾百萬(wàn)年的地質(zhì)時(shí)期，COCO2 2通過(guò)兩通過(guò)兩種過(guò)程由大氣中除去：硅酸鹽巖石的風(fēng)化作用種過(guò)

41、程由大氣中除去：硅酸鹽巖石的風(fēng)化作用與沉入到由海洋植物固碳作用形成的海洋沉積與沉入到由海洋植物固碳作用形成的海洋沉積物中。物中。例外是海床下凍結(jié)水合物對(duì)甲烷的突然例外是海床下凍結(jié)水合物對(duì)甲烷的突然釋放，這會(huì)造成災(zāi)難性結(jié)果。這種百年氣候變釋放，這會(huì)造成災(zāi)難性結(jié)果。這種百年氣候變化的尺度可能是未來(lái)幾個(gè)世紀(jì)甲烷大氣濃度演化的尺度可能是未來(lái)幾個(gè)世紀(jì)甲烷大氣濃度演變的一個(gè)重要因子。變的一個(gè)重要因子。 另一方面，作為活躍碳循環(huán)的各個(gè)部分，海洋、另一方面，作為活躍碳循環(huán)的各個(gè)部分，海洋、湖泊沉積物、陸地土壤、廢棄物和地上生物質(zhì)等，湖泊沉積物、陸地土壤、廢棄物和地上生物質(zhì)等，在數(shù)天到數(shù)百年時(shí)間尺度上處于常通量

42、狀態(tài)下，它在數(shù)天到數(shù)百年時(shí)間尺度上處于常通量狀態(tài)下，它們的作用：們的作用： 海洋是活躍碳循環(huán)中的最大碳庫(kù)。海洋是活躍碳循環(huán)中的最大碳庫(kù)。工業(yè)化前，中工業(yè)化前，中層和深海（包括海床沉積物）有層和深海（包括海床沉積物）有37100GtC37100GtC碳。最上碳。最上層層100m100m有有900GtC900GtC碳。因?yàn)樯詈：Ｋh(huán)到海表速度碳。因?yàn)樯詈：Ｋh(huán)到海表速度很慢（通風(fēng)作用與上翻作用）（很慢（通風(fēng)作用與上翻作用）（10001000年），故大年），故大多數(shù)深海的碳可隔離在深海幾百年而不參加全球碳多數(shù)深海的碳可隔離在深海幾百年而不參加全球碳循環(huán)。海洋碳庫(kù)對(duì)大氣循環(huán)。海洋碳庫(kù)對(duì)大氣COCO

43、2 2變化的調(diào)整時(shí)間尺度取決變化的調(diào)整時(shí)間尺度取決于深海通風(fēng)時(shí)間（約幾百年）。海表水每年平均與于深海通風(fēng)時(shí)間（約幾百年）。海表水每年平均與大氣之間吸收和釋放約大氣之間吸收和釋放約70GtC70GtC。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然碳循環(huán)的影響人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然碳循環(huán)的影響由人類(lèi)活動(dòng)另外增加到大氣中的由人類(lèi)活動(dòng)另外增加到大氣中的COCO2 2稱(chēng)作人類(lèi)產(chǎn)生的稱(chēng)作人類(lèi)產(chǎn)生的COCO2 2, , 它引起目前全球碳循環(huán)的擾動(dòng)。人類(lèi)排放由兩它引起目前全球碳循環(huán)的擾動(dòng)。人類(lèi)排放由兩部分組成：（部分組成：（1 1）來(lái)自）來(lái)自化石燃料燃燒和水泥生產(chǎn)化石燃料燃燒和水泥生產(chǎn)的的COCO2 2。前者是由地質(zhì)年代幾億年以來(lái)儲(chǔ)存的碳被重新。

44、前者是由地質(zhì)年代幾億年以來(lái)儲(chǔ)存的碳被重新釋放出來(lái)；（釋放出來(lái)；（2 2）來(lái)自）來(lái)自毀林和農(nóng)業(yè)發(fā)展毀林和農(nóng)業(yè)發(fā)展的的COCO2 2，這些，這些COCO2 2已儲(chǔ)存了幾十到幾百年。亞洲人類(lèi)活動(dòng)影響全球已儲(chǔ)存了幾十到幾百年。亞洲人類(lèi)活動(dòng)影響全球碳循環(huán)的開(kāi)始時(shí)間在全新世早期，是由農(nóng)耕導(dǎo)致的碳循環(huán)的開(kāi)始時(shí)間在全新世早期，是由農(nóng)耕導(dǎo)致的人類(lèi)定居為起點(diǎn)的。雖然年平均排放量很小，但緩人類(lèi)定居為起點(diǎn)的。雖然年平均排放量很小，但緩慢的累積結(jié)果造成了陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳通量慢的累積結(jié)果造成了陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳通量的微小不平衡，這使大氣的微小不平衡，這使大氣COCO2 2濃度有微小的增加。在濃度有微小的增加。在

45、19001900年之前土地利用變化一直是人類(lèi)引起的年之前土地利用變化一直是人類(lèi)引起的COCO2 2排放排放的主要來(lái)源。的主要來(lái)源。人類(lèi)對(duì)全球甲烷收支的影響人類(lèi)對(duì)全球甲烷收支的影響 今天，總的全球今天，總的全球CHCH4 4排放是約排放是約600Mt/600Mt/年，其中年，其中60%60%以上是人類(lèi)源。在以上是人類(lèi)源。在19801980年代大氣年代大氣CH4CH4濃度以濃度以10ppb/10ppb/年的速度上升，表明年的速度上升，表明全球收支凈的不平衡值全球收支凈的不平衡值為為30Mt/30Mt/年。年。但在但在19901990年代，年代，CHCH4 4濃度幾乎不增加。濃度幾乎不增加。研究表明

46、，對(duì)于這種增長(zhǎng)率的減少，無(wú)論是人類(lèi)排研究表明，對(duì)于這種增長(zhǎng)率的減少，無(wú)論是人類(lèi)排放的變化或大氣清除過(guò)程的增加都不能予以解釋。放的變化或大氣清除過(guò)程的增加都不能予以解釋。專(zhuān)家們認(rèn)為全球生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變異的自然影響可專(zhuān)家們認(rèn)為全球生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變異的自然影響可能是主因。在不久的將來(lái)增長(zhǎng)率可能會(huì)回到以前的能是主因。在不久的將來(lái)增長(zhǎng)率可能會(huì)回到以前的水平。水平。由南極冰芯資料重建的由南極冰芯資料重建的COCO2 2濃度（黑點(diǎn)線(xiàn)），全新世濃度（黑點(diǎn)線(xiàn)），全新世COCO2 2預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)值。這是根據(jù)上一次間冰期達(dá)到的值估計(jì)得到。可以看到在值。這是根據(jù)上一次間冰期達(dá)到的值估計(jì)得到?？梢钥吹皆?0008000年前

47、，冰芯年前，冰芯COCO2 2記錄與預(yù)測(cè)趨勢(shì)出現(xiàn)偏差。這標(biāo)志著人記錄與預(yù)測(cè)趨勢(shì)出現(xiàn)偏差。這標(biāo)志著人類(lèi)土地利用影響的開(kāi)始（類(lèi)土地利用影響的開(kāi)始（RuddimanRuddiman，20032003）。）。圖6 迅速的工業(yè)化過(guò)程使迅速的工業(yè)化過(guò)程使COCO2 2排放增加了新的源。到排放增加了新的源。到19101910年，化石燃料燃燒排放的年，化石燃料燃燒排放的COCO2 2已超過(guò)土地利用的已超過(guò)土地利用的排放。在排放。在19571957年，科學(xué)家警告了大氣年，科學(xué)家警告了大氣COCO2 2的增長(zhǎng)率。的增長(zhǎng)率。指出它可能影響全球氣候系統(tǒng)。到那時(shí)化石燃料燃指出它可能影響全球氣候系統(tǒng)。到那時(shí)化石燃料燃燒排

48、放已增加到燒排放已增加到2323億噸碳億噸碳/ /年，大氣年，大氣COCO2 2濃度濃度315ppm315ppm。已超過(guò)過(guò)去已超過(guò)過(guò)去6565萬(wàn)年的冰芯中的萬(wàn)年的冰芯中的COCO2 2值。值。2000-20052000-2005年年平均排放為平均排放為8686億噸碳億噸碳/ /年。年。 排放到大氣中的碳，約不到一半仍留在大氣中以排放到大氣中的碳，約不到一半仍留在大氣中以增加大氣中增加大氣中COCO2 2的濃度。其余部分通過(guò)光合作用和吸的濃度。其余部分通過(guò)光合作用和吸收過(guò)程清除掉，存儲(chǔ)于陸地生態(tài)收過(guò)程清除掉，存儲(chǔ)于陸地生態(tài) 系統(tǒng)和海洋庫(kù)中。系統(tǒng)和海洋庫(kù)中。清除的碳量每年變化很大，由小于清除的碳量

49、每年變化很大，由小于20%20%到大于到大于70%70%。這是因?yàn)榍宄^(guò)程對(duì)全球氣候的變化很敏感。這是因?yàn)榍宄^(guò)程對(duì)全球氣候的變化很敏感。人類(lèi)排放入大氣的人類(lèi)排放入大氣的COCO2 2逐步增加，上世紀(jì)初化石燃料排放已逐步增加，上世紀(jì)初化石燃料排放已超過(guò)土地利用變化的排放。過(guò)去超過(guò)土地利用變化的排放。過(guò)去5050年它增加了三倍（加拿大年它增加了三倍（加拿大碳匯評(píng)估，碳匯評(píng)估，20082008）（）（GtCGtC/yr/yr）19401920190002468圖7化石燃料燃燒排放的化石燃料燃燒排放的COCO2 2存儲(chǔ)于大氣部分的變化趨勢(shì)，可以存儲(chǔ)于大氣部分的變化趨勢(shì)，可以看到其年際變化很大，平均約

50、看到其年際變化很大，平均約50%50%（DanmanDanman，20072007）（a）大氣CO2濃度的年增長(zhǎng)率（IPCC,2007）（b）礦物燃料燃燒排放的CO2居留于大氣中部分的變化趨勢(shì)。通過(guò)陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋的吸收，清除50%左右。但這個(gè)量逐年變化很大。（Denman，2007）圖8 工業(yè)化后，陸地工業(yè)化后，陸地大氣與海洋大氣與海洋大氣通量明大氣通量明顯偏離平衡（不為零）（全球碳通量圖中紅線(xiàn)）。顯偏離平衡（不為零）（全球碳通量圖中紅線(xiàn)）。雖然人類(lèi)雖然人類(lèi)COCO2 2通量對(duì)于上兩種庫(kù)之間只有總自然通通量對(duì)于上兩種庫(kù)之間只有總自然通量的百分之幾，但它們?cè)斐闪斯I(yè)化以來(lái)各庫(kù)的量的百分之幾，

51、但它們?cè)斐闪斯I(yè)化以來(lái)各庫(kù)的碳含量出現(xiàn)可測(cè)量的變化（紅色數(shù)值）。碳含量出現(xiàn)可測(cè)量的變化（紅色數(shù)值）。 自然自然碳碳 循環(huán)的這些擾動(dòng)是氣候變化的主要驅(qū)動(dòng)力。循環(huán)的這些擾動(dòng)是氣候變化的主要驅(qū)動(dòng)力。據(jù)對(duì)據(jù)對(duì)COCO2 2脈動(dòng)的響應(yīng)函數(shù)計(jì)算，約脈動(dòng)的響應(yīng)函數(shù)計(jì)算，約50%50%大氣大氣COCO2 2增加增加將在將在3030年內(nèi)清除，另年內(nèi)清除，另30%30%在幾百年內(nèi)清除，其余在幾百年內(nèi)清除，其余20%20%將居留在大氣中幾千年到上萬(wàn)年。將居留在大氣中幾千年到上萬(wàn)年。 19901990年代約年代約80%80%的人類(lèi)的人類(lèi)COCO2 2排放來(lái)自礦物燃料燃排放來(lái)自礦物燃料燃燒。約燒。約20%20%來(lái)自土地

52、利用變化（主要是毀林）。幾乎來(lái)自土地利用變化（主要是毀林）。幾乎45%45%人類(lèi)排放的人類(lèi)排放的COCO2 2居留于大氣中，海洋吸收了約居留于大氣中，海洋吸收了約30%30%（11811819GtC19GtC）。如果沒(méi)有海洋環(huán)流和生物條件變）。如果沒(méi)有海洋環(huán)流和生物條件變化這個(gè)量正代表了大氣化這個(gè)量正代表了大氣COCO2 2濃度增加量。另外一部分濃度增加量。另外一部分被陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收。這是通過(guò)替代植被生長(zhǎng)，陸被陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收。這是通過(guò)替代植被生長(zhǎng)，陸地管理，升高的地管理，升高的COCO2 2施肥效應(yīng)和施肥效應(yīng)和N N沉降等過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。沉降等過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。 因因COCO2 2并不明顯限制海洋中

53、的光合作用，故生物并不明顯限制海洋中的光合作用，故生物泵不直接攝取和存儲(chǔ)人類(lèi)泵不直接攝取和存儲(chǔ)人類(lèi)COCO2 2。而是生物海洋碳循環(huán)。而是生物海洋碳循環(huán)在高在高COCO2 2濃度下發(fā)生變化通過(guò)以反饋過(guò)程響應(yīng)變化的濃度下發(fā)生變化通過(guò)以反饋過(guò)程響應(yīng)變化的氣候。人類(lèi)氣候。人類(lèi)COCO2 2被海洋有效吸收的速度取決于海表水被海洋有效吸收的速度取決于海表水輸入和與中、深層海水的混合速度。相當(dāng)數(shù)量的人輸入和與中、深層海水的混合速度。相當(dāng)數(shù)量的人類(lèi)類(lèi)COCO2 2能夠通過(guò)把來(lái)自表層沉積物的能夠通過(guò)把來(lái)自表層沉積物的CaCOCaCO3 3溶解于深溶解于深海的過(guò)程而緩沖或中性化。海的過(guò)程而緩沖或中性化。 大氣中

54、大氣中COCO2 2濃度和增加可稱(chēng)為人類(lèi)濃度和增加可稱(chēng)為人類(lèi)COCO2 2總排總排放量（化石燃料燃燒，水泥生產(chǎn)，凈土地利放量（化石燃料燃燒，水泥生產(chǎn)，凈土地利用通量）中的氣載部分。它具有用通量）中的氣載部分。它具有明顯的年變明顯的年變化，化，主要是由于陸地吸收年變化的效應(yīng)。第主要是由于陸地吸收年變化的效應(yīng)。第一個(gè)一個(gè)C C4 4MIPMIP表明，當(dāng)模式中包括碳循環(huán)時(shí)，所表明，當(dāng)模式中包括碳循環(huán)時(shí)，所有模式都模擬了對(duì)陸地和海洋碳循環(huán)的反饋有模式都模擬了對(duì)陸地和海洋碳循環(huán)的反饋?zhàn)饔谩Ｋ鼈冓呌谑龟懙睾秃Ｑ蟮淖饔?。它們趨于使陸地和海洋的COCO2 2吸收減少。吸收減少。從從TARTAR（2001200

55、1年）以后碳循環(huán)研究的新進(jìn)展年）以后碳循環(huán)研究的新進(jìn)展1.1. 人類(lèi)人類(lèi)COCO2 2收支的精度改進(jìn)收支的精度改進(jìn)。尤其是海洋高質(zhì)量的。尤其是海洋高質(zhì)量的碳系統(tǒng)資料用于計(jì)算可靠的人類(lèi)碳的海洋累積碳系統(tǒng)資料用于計(jì)算可靠的人類(lèi)碳的海洋累積含量與碳酸鹽系統(tǒng)的相關(guān)變化。含量與碳酸鹽系統(tǒng)的相關(guān)變化。2.2. 海表海表PHPH值正減少值正減少，說(shuō)明需了解它與變化氣候之，說(shuō)明需了解它與變化氣候之相互作用及對(duì)海洋有機(jī)物的潛在影響。相互作用及對(duì)海洋有機(jī)物的潛在影響。3.3. 對(duì)對(duì)17501750年以來(lái)土地利用及陸面與陸地生物圈與年以來(lái)土地利用及陸面與陸地生物圈與變化的氣候之相互作用使大氣變化的氣候之相互作用使大

56、氣COCO2 2增加的增加的過(guò)程與過(guò)程與機(jī)理機(jī)理有更好的了解。有更好的了解。4.4. 從全球尺度，用于推測(cè)全球碳循環(huán)重要通量的從全球尺度，用于推測(cè)全球碳循環(huán)重要通量的量值與位置的量值與位置的反演技術(shù)反演技術(shù)日益成熟。日益成熟。現(xiàn)代的碳收支現(xiàn)代的碳收支 表表1 1是全球碳收支（是全球碳收支（GtCGtC/ /年），誤差代表年），誤差代表1 1。大氣的增加由進(jìn)出大氣的凈通量決定。大氣的增加由進(jìn)出大氣的凈通量決定。正通量是進(jìn)入大氣（排放），負(fù)通量代表大正通量是進(jìn)入大氣（排放），負(fù)通量代表大氣的損失（匯）。注意：人類(lèi)產(chǎn)生的氣的損失（匯）。注意：人類(lèi)產(chǎn)生的COCO2 2總匯總匯基本是一定的（倒算出來(lái)的，

57、以平衡全球碳基本是一定的（倒算出來(lái)的，以平衡全球碳收支）。所以，海洋收支）。所以，海洋大氣通量是負(fù)相關(guān)，大氣通量是負(fù)相關(guān)，即一個(gè)變大，則另一個(gè)必須變小，反之亦然，即一個(gè)變大，則另一個(gè)必須變小，反之亦然，以此與總的匯相匹配。以此與總的匯相匹配。1980s1980s1990s1990s2000-20052000-2005TARTAR修正的修正的TARTARTARTARAR4AR4AR4AR4大氣增加大氣增加3.33.30.10.13.33.30.10.13.23.20.10.13.23.20.10.14.14.10.10.1排放（化石排放（化石+ +水泥）水泥）5.45.40.10.15.45.4

58、0.10.16.46.40.40.46.46.40.40.47.27.20.30.3凈海氣通量?jī)艉馔?1.9-1.90.60.6-1.8-1.80.80.8-1.7-1.70.50.5-2.2-2.20.40.4-2.2-2.20.50.5凈陸氣通量?jī)絷憵馔?0.2-0.20.70.7-0.3-0.30.90.9-1.4-1.40.70.7-1.0-1.00.60.6-0.9-0.90.60.6土地利用變土地利用變化通量化通量1.71.7（0.6-2.50.6-2.5）1.41.4（0.4-2.30.4-2.3）nono1.61.6（0.5-2.70.5-2.7）nono陸地匯余項(xiàng)陸地匯

59、余項(xiàng)-1.9-1.9（-3.8-3.8-0.3-0.3）-1.7-1.7（-3.4-0.2-3.4-0.2）nono-2.6-2.6（-4.3-4.3-0.9-0.9）nono表表1 1 全球碳收支（全球碳收支（IPCCIPCC)（1 1）大氣）大氣COCO2 2的增加的增加 平均年增加率見(jiàn)表平均年增加率見(jiàn)表1 1。 從從19591959到現(xiàn)在，氣載部分平均值為到現(xiàn)在，氣載部分平均值為0.550.55，每，每5 5年的平均值年的平均值變化甚小，因而過(guò)去變化甚小，因而過(guò)去4545年陸地生物圈和海洋一起除去化石燃年陸地生物圈和海洋一起除去化石燃料燃燒排放的料燃燒排放的COCO2 2的的45%45%

60、。最近更高的大氣最近更高的大氣COCO2 2增加率反應(yīng)了化石燃料燃燒排放的增加。增加率反應(yīng)了化石燃料燃燒排放的增加。大氣中大氣中COCO2 2的增加主要是由北半球排放源引起（見(jiàn)圖的增加主要是由北半球排放源引起（見(jiàn)圖2 2），比），比值為值為0.5ppm/0.5ppm/（GtCGtC/ /年）。如果沒(méi)有人類(lèi)排放，大氣中年）。如果沒(méi)有人類(lèi)排放，大氣中COCO2 2南南半球比北半球高半球比北半球高0.8ppm0.8ppm，這可能是由于海洋環(huán)流的輸送結(jié)果。，這可能是由于海洋環(huán)流的輸送結(jié)果。1990s1990s的的6.46.40.4 GtC0.4 GtC/ /年，從年，從1990s1990s到到2000