全球碳循環(huán)包含了三個(gè)子系統(tǒng)：大氣海洋陸地碳循環(huán)

1、DTZ 低碳空間 該資料來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，僅供學(xué)術(shù)交流氣候系統(tǒng)內(nèi)的碳循環(huán)第八小組摘要：全球碳循環(huán)包含了三個(gè)子系統(tǒng)：大氣碳循環(huán)，海洋碳循環(huán)和陸地碳循環(huán)。這些系統(tǒng)里最重要的過(guò)程，適應(yīng)的時(shí)間尺度，碳交換通量和氣候的反饋都在本章的第一部分有所描述。陸地生物圈（包括土壤）中碳的總量只占海洋的1/15，然而它對(duì)自然和人為的干擾是最敏感的，為了估計(jì)這種外在干擾的影響，法蘭克福生物圈模型（FBM）在過(guò)去的幾年中發(fā)展起來(lái)。在本章的第二部分將會(huì)描述這個(gè)面向過(guò)程的，有預(yù)測(cè)性的陸地生物圈模型。作為一個(gè)例子，F(xiàn)BM模型被用于模擬德國(guó)森林對(duì)于氣候條件的改變和大氣CO2濃度的變化所產(chǎn)生的反應(yīng)。最終得出結(jié)論：德國(guó)森林的每年碳衰退量將

2、由1990年的約3Mt C/yr降至2090年的0.350.15Mt C/yr。這主要是由于森林年齡級(jí)結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的。全球碳循環(huán)包含了三個(gè)子系統(tǒng)：大氣，海洋和陸地碳循環(huán)。這些系統(tǒng)里最重要的過(guò)程，適應(yīng)的時(shí)間尺度，碳交換通量和氣候的反饋都在本章的第一部分有所描述。陸地生物圈（包括土壤）中儲(chǔ)存的碳的總量只占海洋的1/15。與碳的總量相比，它對(duì)于自然和人為的干擾最為敏感，為了估計(jì)這種外在擾動(dòng)的影響，法蘭克福生物圈模型（FBM）在過(guò)去的幾年中發(fā)展起來(lái)。這個(gè)模型可以用來(lái)模擬大氣和陸地生物間的碳交換（碳流），從而來(lái)估計(jì)全球尺度上的陸地植物生長(zhǎng)的改變所帶來(lái)的影響，在本章的第二部分將會(huì)描述這個(gè)面向過(guò)程的陸地生物

3、圈預(yù)測(cè)模型。根據(jù)預(yù)期的全球變暖（參照2.1章），一個(gè)結(jié)合實(shí)際的對(duì)未來(lái)氣候發(fā)展的預(yù)先計(jì)劃顯得越來(lái)越重要。大氣中人為排放的有放射活性的氣體中， CO2是最有數(shù)量意義的。這種氣體一方面是生物地球化學(xué)中碳循環(huán)的一部分，另一方面，人類(lèi)活動(dòng)的投入如化石燃料的燃燒以及森林的大規(guī)模的砍伐，導(dǎo)致大量CO2散發(fā)到大氣圈中。大氣中CO2濃度的增加不僅僅是人為因素的結(jié)果，同時(shí)很大程度上和全球碳循環(huán)的自然組成成分的反應(yīng)有關(guān)。碳循環(huán)的組成成分包括海洋，陸地生物圈，如果考慮地質(zhì)年代這一時(shí)間尺度的話(huà)，還包括巖石圈。（圖1.5-1）（詳看2.2章）。對(duì)冰芯中CO2百分含量的測(cè)量表明大氣中CO2濃度幾乎持續(xù)了1000年未變化，直

4、到工業(yè)化的到來(lái)。可以設(shè)想這一系統(tǒng)一直處于一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)，在大氣、海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間有數(shù)量巨大的CO2交換，同時(shí)保持著動(dòng)態(tài)的平衡。而人類(lèi)活動(dòng)輸入大氣的CO2是對(duì)這一穩(wěn)定狀況的干擾。在圖1.5-1中，這些擾動(dòng)用在右邊的兩只箭頭來(lái)表示：化石燃料的燃燒，還有對(duì)熱帶雨林的濫砍濫伐。這些是大氣中CO2的最主要來(lái)源，它們對(duì)立于一個(gè)相對(duì)較弱的碳匯，這一狀況也是由于人類(lèi)的影響造成的。北半球的人工林正處于一個(gè)再生的階段，這一階段CO2在樹(shù)以及土壤生物中的累積，超過(guò)了由于管理慣例所造成的損失。由于人類(lèi)活動(dòng)的直接影響，系統(tǒng)做出了反饋?zhàn)匀惶冀粨Q通量的改變。由于大氣中CO2濃度的增加，大氣和海洋間的交換變成了海洋對(duì)

5、CO2的凈吸收（圖1.5-1左邊）。大氣CO2濃度的增加對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)所造成的影響更為復(fù)雜。一方面，由于大氣氣體組成的改變導(dǎo)致的生物物質(zhì)產(chǎn)量的刺激作用可能出現(xiàn)，并且大氣中CO2百分含量的增加也會(huì)造成一種富集效應(yīng)（CO2的直接影響），另一方面，可以預(yù)期CO2的大量排放是溫暖氣候里的較高呼吸作用速率的結(jié)果（CO2間接影響）。海洋沉積之后海洋是最大的碳池。儲(chǔ)存在海洋中的碳差不多有大氣中的50倍，生物圈的15倍。海洋生物圈含有相對(duì)較少的碳（30 Gt C），最大的部分存在于無(wú)機(jī)化合物中（約37,500 Gt C）。另外，這也有溶解的碳和有機(jī)碳（約1,000 Gt C）。海洋大致可以分為以下幾層：充分混

6、合的表層（50100m深），其可以與大氣進(jìn)行長(zhǎng)久的相互作用，其下一層溫度陡降被稱(chēng)作溫躍層（到1000m深），再往下是中間水以及深海。在時(shí)間尺度上深海中的相互作用完全不同于上幾層中的過(guò)程，深海和表層海之間的一次完全交換可以持續(xù)5001000年。這里有三種過(guò)程參與海洋中的碳的儲(chǔ)藏?；瘜W(xué)平衡：CO2在表層溶解與水反應(yīng)生成碳酸氫鹽和碳酸鹽。生物泵：被海洋的浮游植物群落吸收固定。物理泵：表層富含CO2的寒冷海水下沉，同時(shí)深海中CO2含量低的海水上涌。陸地生物圈雖然人們對(duì)海洋和大氣之間的碳交換通量的量級(jí)已經(jīng)了解得很清楚，但對(duì)大氣和陸地生物圈之間的碳流動(dòng)的比率仍不確定。表1.5-1對(duì)碳的源和匯作了總結(jié)，對(duì)熱

7、帶森林的亂砍濫伐是大氣最重要的源。每年有15-20百萬(wàn)公頃的熱帶森林被砍伐，釋放出1.61.0Gt C/yr的CO2。越來(lái)越多的跡象表明砍伐熱帶森林的活動(dòng)在減少，加拿大和西伯利亞北部的森林得到了越來(lái)越多的重視，估計(jì)砍伐量降至2-5百萬(wàn)公頃每年。不考慮這對(duì)當(dāng)?shù)氐闹匾裕蚝虲O2 平衡有關(guān)的空氣污染影響相對(duì)小了。增長(zhǎng)的草原燃燒被認(rèn)為是個(gè)小的碳匯，草原生態(tài)系統(tǒng)的部分植被燃燒轉(zhuǎn)化為難以分解的碳化物（炭），幾年內(nèi)植物會(huì)再生長(zhǎng)出來(lái)。正如前面提到的人為排放的CO2和氮化物會(huì)支持植物的生長(zhǎng)。CO2的施肥效應(yīng)對(duì)不同的生物群系和生態(tài)系統(tǒng)有多種影響，因?yàn)楹送敲傅姆磻?yīng)速率是羧化加氧酶的1.5倍。假定土壤中有充足

8、的養(yǎng)料，考慮這種因素，由于增加的CO2含量熱帶生態(tài)系統(tǒng)可以吸收比高緯度生物群系更多的碳素。關(guān)于額外的碳儲(chǔ)，森林生態(tài)系統(tǒng)遠(yuǎn)優(yōu)于草地，因?yàn)楣夂献饔脻撛诘男∽兓蛑饕獌羯a(chǎn)量對(duì)兩系統(tǒng)生物量的增加有相同的百分比影響。表1.5-1沒(méi)有明確表示中高緯度CO2的施肥效應(yīng)，因?yàn)槠渌淖饔闷鹆烁鼮橹饕淖饔?，如森林的協(xié)調(diào)組織和自然擾亂現(xiàn)象的變化（土地使用的變化，火的作用等等）。盡管如此，CO2的施肥效應(yīng)還是存在，并且應(yīng)該被考慮到森林再生長(zhǎng)模型中去。氣候的年變化可能會(huì)使碳的源和匯按照1.01.0Gt C/yr的順序變化，而這種作用在厄爾尼諾年會(huì)增強(qiáng)。這些描述針對(duì)的是現(xiàn)在的情況，我們需要詳細(xì)的大氣與陸地生物圈CO2

9、交換模型以描述當(dāng)前的發(fā)展特別是對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)。這個(gè)模型可以描述所有和氣候變化引起的生態(tài)系統(tǒng)反應(yīng)有關(guān)的生態(tài)生理學(xué)過(guò)程。世界生態(tài)系統(tǒng)的多樣性需要從空間的高度上去分析。通常舊的全球植被地圖可以按每11或0.50.5分為有限的表示生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的經(jīng)緯格，這些生態(tài)系統(tǒng)的顯著特征可以用重要的或至少不變的量如有效生物量，GPP（Gross Primary Production）或NPP（Net Primary Production）來(lái)表示。在這些方面上，一個(gè)面向全球過(guò)程模擬大氣與陸地生物圈之間CO2周期性交換的模型被提出了，這個(gè)模型通過(guò)對(duì)氣候變量如溫度，雨雪霜的降落，云量等的分析描述生態(tài)系統(tǒng)中不同碳池的原動(dòng)力。

10、法蘭克福生物圈模型結(jié)構(gòu)法蘭克福生物圈模型（FBM）是一個(gè)分隔模型，它將陸地生物圈的碳分隔成三部分（包括池塘，水庫(kù)）。在KINDERMANN et al.(1993), LVDEKE et al.(1994), 還有KOHLMAIER et al.(1997),中有關(guān)于這個(gè)模型的細(xì)節(jié)描述。根據(jù)每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的JANECEK et al.(1989), FMB設(shè)分隔與流動(dòng)有相同的基本模型結(jié)構(gòu)。模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.5-2?？偟幕钌锪浚˙C部分）中的碳包含部分短周轉(zhuǎn)時(shí)間的植物生長(zhǎng)（葉，供給養(yǎng)料的根，儲(chǔ)存的吸收物，總結(jié)在GC部分）和部分長(zhǎng)周轉(zhuǎn)時(shí)間的木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料（RC部分）。樹(shù)葉生物量被假定為GC部分里一

11、個(gè)不變部分。為了描述死亡生物量的化學(xué)分解，三個(gè)部分被加以區(qū)別，代表垃圾的快速和慢速分解的碳（FC部分和SC部分）以及腐殖質(zhì)中分解非常慢的碳（HC部分）。另外，土壤水部分的存在決定了土壤水的實(shí)際的利用率。水平衡和碳循環(huán)通過(guò)碳吸收作用CASS函數(shù)中的變量SW聯(lián)系起來(lái)。大氣中的CO2百分含量（AC）和水含量（AW）被正式的認(rèn)作一個(gè)模型的間隔部分，盡管它們并不穩(wěn)定。它們看作每個(gè)格子要素之上的局部大氣和被用作大氣運(yùn)輸模型的一個(gè)分界面。圖1.5-2描述了水和碳在這些分隔區(qū)和大氣間的流動(dòng)情況。這些流動(dòng)依時(shí)間而定，同時(shí)也決定于氣候變量和分隔區(qū)的重要性?；谠聲r(shí)間尺度上的全球氣候數(shù)據(jù)對(duì)于長(zhǎng)期主動(dòng)變量的平均值是可

12、以利用的。通過(guò)特別的模型方式，這些月數(shù)據(jù)中也可以加入日和時(shí)的數(shù)據(jù)。長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的偏差意味著數(shù)據(jù)可以加入到這個(gè)基本的氣候模型中來(lái)處理植物對(duì)氣候變化所產(chǎn)生的反應(yīng)。利用這種結(jié)構(gòu)，所有陸地區(qū)域的格子要素的碳平衡可通過(guò)一天內(nèi)時(shí)間的細(xì)分推算出來(lái)（本質(zhì)上甚至可以通過(guò)每小時(shí)的分解）。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于有限制性以及不變形的模型參數(shù)。模型模擬的生物圈CO2的源和匯決定于外部的氣候變量，分隔的重要性，以及具有顯著特征的參數(shù)，如同取決于植物生長(zhǎng)的地理分布。圖1.5-3說(shuō)明了模型中碳部分是如何作用于一個(gè)溫帶落葉林的格子要素。模擬了格子要素和大氣間的碳凈交換通量的碳循環(huán)是特別重要的。除了凈交換通量外，還有一部分居中的部分也是

13、可以利用的，其可于選中區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)生物量的測(cè)量或者樹(shù)葉生物量的季節(jié)性的文獻(xiàn)相比較。這對(duì)模型結(jié)果的評(píng)估是一極大的幫助，對(duì)模型的證實(shí)也具有重大作用。樹(shù)葉發(fā)芽的相對(duì)推遲，參見(jiàn)圖1.5-3，是碳循環(huán)和水循環(huán)之間的聯(lián)系所造成的，在第130天開(kāi)始，土壤水的利用率突然增加，并且開(kāi)始了碳的同化作用。例子顯示格子要素的主要凈產(chǎn)量是受水所限制的。德國(guó)法蘭克福生物圈模型的應(yīng)用 在圖1.5-4中展現(xiàn)的一個(gè)關(guān)于模型應(yīng)用的例子，例子中模擬了德國(guó)森林的生長(zhǎng)(HAGER et al. 1999)。假定的一個(gè)氣候變化的數(shù)據(jù)已經(jīng)被大氣環(huán)流模型(GCM)的結(jié)果確定。GCM 采用的氣候設(shè)想(氣溫年均升高大約 3.4 , 降雨量年均減少

14、大約 100 mm) 只是許多可能中的一種。根據(jù)這些氣候數(shù)據(jù)，就可以估計(jì)氣候變化對(duì)德國(guó)森林生長(zhǎng)的影響。應(yīng)用上述的設(shè)想并考慮CO2的施肥作用 (假定CO2atm=700ppmv)將得出氣候的改變對(duì)德國(guó)針葉林的生長(zhǎng)有害, 而混合林卻將得益于氣候的改變(包括CO2 的施肥作用)。根據(jù)最近的和預(yù)測(cè)的植物年齡級(jí)結(jié)構(gòu)的分布，可以估計(jì)每年碳的積累量(年輕的樹(shù)不斷累積碳, 而成年的樹(shù)年均碳積累量不再增加)。在圖1.5-4c中，從1990年到2090年，在氣候連續(xù)改變，2090年達(dá)到上述氣候值的條件下，生物增長(zhǎng)量 (NAI)的改變過(guò)程可以用現(xiàn)在的氣候模擬得到。根據(jù)這些模擬，德國(guó)在1990年的森林生物增長(zhǎng)量為31

15、0-4Gt C/yr 。如果在模擬中只考慮植物年齡結(jié)構(gòu)的變化(一直保持現(xiàn)在的氣候狀況), 森林2090年的年生物增長(zhǎng)量將只有大約210-4Gt C/yr 。若考慮了氣候變化和CO2的施肥作用，則2090 年的年生物增長(zhǎng)量共將為510-4Gt C/yr 。兩次模擬中碳含量的明顯減少說(shuō)明，年齡結(jié)構(gòu)的發(fā)展對(duì)未來(lái)德國(guó)森林對(duì)碳的儲(chǔ)存的影響比氣候更重要。但這個(gè)結(jié)論只有在CO2的施肥作用過(guò)度抵償了氣候變化的消極作用時(shí)才成立。必須強(qiáng)調(diào)的是,模擬得到的結(jié)果都是建立在對(duì)由碳循環(huán)和氣候所組成的耦合系統(tǒng)將來(lái)的反應(yīng)的多種假設(shè)之上的。生物圈對(duì)氣候變化可能的反應(yīng)只有在對(duì)總的系統(tǒng)做了多種不同的模擬之后才能得出結(jié)論。法蘭克福的生物圈模型最近被用于檢驗(yàn)歷史上每年交替的