全球變化專題

全球變化專題第一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二我們的家園：空氣水食物

……第二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二一、全球變化的概念工業(yè)革命帶來了人類社會的快速發(fā)展，但同時也加快了地球表層系統(tǒng)的各種環(huán)境變化：全球變暖、生態(tài)系統(tǒng)退化、植被帶遷移、生物多樣性喪失、荒漠化擴展等，人類社會面臨前所未有的資源、環(huán)境和發(fā)展的嚴峻挑戰(zhàn)。1、人類活動對地球表層系統(tǒng)的影響第三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二1、人類活動對地球表層系統(tǒng)的影響人類活動對地球系統(tǒng)的影響，成為現(xiàn)代生態(tài)學和現(xiàn)代社會發(fā)展的重要科學命題和研究焦點。如何保證地球成為適合人類生存并持續(xù)發(fā)展的生命支持系統(tǒng)成為當前亟待解決的根本問題。而科學、全面的認識地球生態(tài)系統(tǒng)過程發(fā)生的各種變化，是確定科學對策的關鍵。第四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2、全球變化的定義該詞出現(xiàn)于20世紀70年代，“全球變化”表達了整個人類社會、經濟、政治體系的不穩(wěn)定狀態(tài)。20世紀80年代，隨著環(huán)境問題的突出，自然科學家將原來的定義擴展到整個地球環(huán)境系統(tǒng)的變化。全球變化：是指由于自然和人為的因素而引起的全球性的環(huán)境變化，包括氣候變化、大氣組成變化、土地利用變化、生物多樣性變化、荒漠化。第五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2.2當代主要的全球變化全球變化相互影響，人口增長是主要驅動因子2、全球變化的定義第六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二人口呈指數(shù)級數(shù)增長：1850年10億；1999年60億每增加10億需要的時間越來越短第七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二工業(yè)革命后，人口增長的速率與溫度升高、CO2增加、N增加趨勢基本一致人類的改造能力迅速增加第八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二二、主要的全球變化及其成因第九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二證據二1.大氣成分變化：CO2CO2對全球溫暖化的貢獻率60%。工業(yè)革命后CO2濃度呈指數(shù)增長，工業(yè)革命前280umol.mol-1，1958-2010：315~385umol.mol-1。第十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二溫室氣體工業(yè)化前濃度(1750)1999年濃度增加速率(%/a)貢獻率(%)CO22803500.560CH40.81.71.015~30N2O0.2880.310.25CH4N2O1.大氣成分變化：CH4、N2O第十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二1.大氣成分變化：臭氧（Ozone）和氟氯化碳（CFCs）第十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二化石燃料和水泥生產土地利用變化1.大氣成分變化：CO2的來源1980-1989:55億噸/年；2000-2007:75億噸碳/年1980-1989:16億噸/年；2000-2007:15億噸碳/年第十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二碳源/匯1980to19891989to1998(1)化石燃料燃燒和水泥生產5.5±0.56.3±0.6(2)土地利用的凈釋放1.6±0.81.6±0.8(3)大氣CO2濃度的增加3.2±0.23.3±0.2(4)海洋吸收2.0±0.82.3±0.8(5)陸地吸收=[(1)+(2)]–[(3)+(4)]1.9±1.32.3±1.3AverageannualbudgetofCO2for1980to1989andfor1989to1998,expressedinGtCyr–2000：1980-1998年全球碳預算第十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二三個原因：

工業(yè)化后CO2增加歸因于化石燃料燃燒（1）南極和格林蘭冰芯記錄：大氣中CO2開始增加的時間與同期化石燃料消耗的增長率相近。（2）北半球大氣CO2濃度比南半球的高，因為大多數(shù)最強的排放源位于北半球。（3）大氣中氧含量每年減少3ppm，這與大氣中CO2增加是相對應的，因為CO2是燃燒的一種產品。第十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二工業(yè)化（1750年）以來，大氣中溫室氣體明顯增加。年100012001400160018002000280300320340360(ppmv)CO2南極冰芯資料顯示近1000年大氣CO2濃度（2001）第十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二土地利用變化引起的碳排放

土地利用變化大約占全球CO2釋放量的15-20%，作用僅次于化石燃料的燃燒。

1850-1998年間,土地利用變化引起的全球碳排放達136±55Gt,其中毀林占87%,草地開墾占13%；同期化石燃料燃燒和水泥生產的碳排放量為270±30Gt。森林采伐：森林減少而少了地上生物量(吸收大氣CO2)；殘留植物的腐爛和土壤有機物質自然分解而放出大量CO2。Gt(十億噸,109ton)第十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二森林破壞：森林轉化為農田，土壤碳損失25%-40%，0-20cm耕作層損失最大(40%)。森林轉化為草地或者輪種地，土壤碳損失20%-27%。熱帶森林土地利用變化凈碳損失0.47GtC.a-1(植物0.31，土壤0.16)土地利用變化引起的碳排放第二十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二草原破壞：草原的碳庫90%以上在土壤中，影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化的土地利用主要是開墾和過度放牧。開墾：開墾后的燒荒使植被中的碳都釋放到大氣中；開墾促進土壤呼吸，加快土壤有機質分解；多年生草本被作物替代后，固定的初級生產量(C)分配到土壤中比例降低，一大部分被收割走損失。開墾后，土壤中的碳損失30-50%。過度放牧：初級生產力降低，家畜采食減少了向土壤中輸入的碳。加快土壤呼吸。內蒙古錫林河流域羊草草原的研究顯示，過度放牧使表層土壤碳減少12%。土地利用變化引起的碳排放第二十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二熱帶毀林導致的CO2排放急劇上升第二十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二干擾穩(wěn)定森林采伐后的碳庫動態(tài)：土壤、死有機物碳釋放第二十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二全球變暖降水格局改變氣候災害事件增加厄爾尼諾現(xiàn)象2.氣候變化第二十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2.氣候變暖1860年以來，全球表面溫度平均上升0.6°C，僅過去40年就增加0.2-0.3°C。第二十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2.氣候變暖第二十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二20世紀是過去2000年中最溫暖的100年。近兩千年全球地表平均氣溫變化（相對于1961-1990年30年氣候平均）

公元200-1980年

公元1856-1998年（根據MannandJones,2003改繪）第二十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二

近代的氣候變暖與大氣中溫室氣體的濃度大幅度上升密切相關。CO2是最主要的溫室氣體，對氣候的穩(wěn)定起著關鍵的作用。2.氣候變暖的原因第二十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二溫室氣體能夠吸收地表向外發(fā)射的長波輻射，減小地球向外空釋放能量，并通過大氣的再發(fā)射向地表傳遞熱量，使低層大氣和地面溫度上升，這一過程稱為“溫室效應”（Greenhouseeffect）。平流層對流層第二十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二自第二次工業(yè)革命以來，大氣CO2濃度顯著增加；尤其是自20世紀60年代，CO2濃度與溫度以相似的趨勢遞增。第三十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二

由上可見：(1)CO2與溫度變化總是以相同的趨勢演變，CO2是氣候變化的一個關鍵驅動力；(2)人類排放的CO2是近代氣候變化的主要驅動力；(3)如果CO2及其它溫室氣體的大氣含量增加到400-500ppm以上，地球的平均溫度至少要升高2℃以上。第三十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二用模型方法分離自然活動和人類活動對氣候的影響：結果顯示，有人類活動影響的模擬的氣候變化趨勢最接近實際情況。2.氣候變暖的原因黑線：觀測值紅色：人類變化+自然變化藍色：自然變化第三十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二海平面上升永凍土層解凍植物生長季延長動、植物分布范圍向高海拔、高緯度地區(qū)移動動植物物候節(jié)律變化：生育季節(jié)、開花時間珊瑚礁白化。。。。。。2.氣候變暖：

后果第三十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二20世紀已觀測到的氣候變化的影響第三十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二過去100年全球海平面上升10-20cm,平均每年上升1-2mm。預計到2100年平均上升50cm。海平面升高冰蓋的融化第三十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第三十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二北冰洋冰蓋的縮小冰川退縮繆爾冰川，Alaska第三十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二阿拉斯加永凍層融化永凍層融解->大量碳釋放->加劇全球變暖第三十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二生物向高緯度、高海拔遷移第三十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二溫帶森林的砍伐3.土地利用變化土地覆蓋(landcover)：土壤/植被系統(tǒng)的結構，如森林、草地、耕地等。土地利用(landuse)：人類利用土地覆蓋類型的方式,例如如何利用森林：生產木材or保持水土第四十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二森林->耕地、牧業(yè)用地：全球耕地一半以上于1900年后開墾出來。1961-1991全球土地利用變化森林減少耕地增加3.土地利用變化第四十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二改變下墊面的熱力特征（如地表反射率等），從而影響氣候系統(tǒng)。通過對陸地碳循環(huán)影響大氣組成成分（主要是溫室氣體），進而影響氣候變化。1850-1998年間,土地利用變化引起的全球碳排放達136±55Gt,其中毀林占87%，草地開墾占13%；而同期化石燃料燃燒和水泥生產的碳排放量為270±30Gt。影響生物多樣性。3.土地利用變化：影響第四十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二地表反射率

水汽流動

碳排放森林農田3.土地利用變化：影響氣候系統(tǒng)第四十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二水汽流動:植被的蒸騰蒸散熱帶森林：天然、很高的植被蒸騰農田：需要額外的水分灌溉第四十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二毀林導致的碳排放第四十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二4.荒漠化定義：由于不恰當?shù)娜藶榛顒?，導致的干旱、半干旱和半濕潤地帶的環(huán)境退化現(xiàn)象。包括氣候變異和人類活動在內的多種因素的作用下產生和發(fā)展的土壤退化、水資源減少、植被退化，生產潛力減少第四十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二我國的荒漠化形勢嚴峻達國土面積8%以2100km2/yr的速度蔓延潛在荒漠化面積占國土面積34.6%風蝕、土地沙化草場退化第四十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二目前物種滅絕速度為自然速度100-1000倍未來滅絕速度將以目前10倍的速度增加中國：擁有全球物種的10-14%，多樣性極為豐富，然而，目前：61%的野生生境喪失40%的生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化15-20%的物種瀕危5.生物多樣性喪失第四十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二5.生物多樣性喪失第四十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二多樣性->生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性

->高生產力

->重要的經濟資源多樣性喪失，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，進而影響生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。第五十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二三、國際全球變化研究計劃全球變化是一個多學科的研究領域，需要全世界的科學家聯(lián)合起來開展研究。目前，國際上已經展開了多項跨學科的交流與合作研究項目，并取得了大量研究結果，為制定科學、合理的應對全球變化政策提供了科學依據。第五十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二WCRP（世界氣候研究計劃）：1980s

(1985)IGBP（國際地圈與生物圈計劃）:1986DIVERSITAS（全球生物多樣性計劃）：1991IHDP（全球環(huán)境變化的人文因素計劃）：1996三、國際全球變化研究計劃第五十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二世界氣候研究計劃(WCRP)：由世界氣象組織(WMO)和國際科學聯(lián)合會聯(lián)合主持，20世紀80年代開始執(zhí)行。主要研究氣候系統(tǒng)物理方面的問題，包括對大氣、海洋和地球表面的研究。目標：全球氣候的可預報程度；人類活動對氣候的影響。第五十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二國際地圈生物圈計劃(IGBP)：由國際科學聯(lián)合會1986年正式確立。針對整個地球系統(tǒng)的合作項目，重點研究地圈和生物圈的相互作用，目標是了解控制地球系統(tǒng)及其演化的相互作用過程，以及人類活動對地球系統(tǒng)的影響。第五十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二全球生物多樣性計劃(BIODIVERSITAS)由國際生物學聯(lián)合會，環(huán)境問題科學委員會、聯(lián)合國教科文組織聯(lián)合發(fā)起。主要任務：通過國際間合作，加強對生物多樣性的起源、組成、功能、維持和保護及可持續(xù)利用的研究。第五十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二全球變化的人文因素計劃(IHDP)：由國際遠景機構聯(lián)合會、聯(lián)合國教科文組織、國際社會科學聯(lián)合會聯(lián)合制定的計劃。該計劃主要側重社會科學領域的綜合研究，分析人類在導致全球變化中所起的作用。目標：加強對人-地系統(tǒng)復雜相互作用的認識，探索并預測全球環(huán)境下的社會，確定社會策略以減緩全球變化的不利影響。第五十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二四、全球變化的適應對策全球變化研究的不確定性碳政策林業(yè)和牧業(yè)對策農業(yè)對策第五十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二1.全球變化研究的不確定氣候變化存在時空差異性；不同生態(tài)系統(tǒng)類型對氣候變化的響應和敏感性不同；未來的氣候變化預測存在不確定性，制定適應對策應該考慮不同的氣候變化情景。第五十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二氣候預測的不確定性：在大氣環(huán)流模型(GCM)中，大氣與海洋、大氣與生物圈還沒有完全耦合；對于生態(tài)系統(tǒng)的描述還不完善；其中的陸面過程模型對于植物的過程和機理描述不充足。1.全球變化研究的不確定第五十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二全球尺度的氣候系統(tǒng)模式的空間分辨率盡管已經增加，在模擬全球、洲際大陸空間尺度上可信度較高，但在較小的國家或省區(qū)尺度上分辨率不夠；并且，其科學內涵在區(qū)域尺度上也經常是粗糙的，因而對區(qū)域模擬的不確定性很大，不同的模式經常給出完全相反的結論。第六十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二植被對氣候反饋的不確定性：現(xiàn)有的陸面模型是以研究區(qū)域給定的植被類型和土壤特征為基礎，忽略了對氣候系統(tǒng)有重要影響的植被類型的潛在變化，即沒有考慮植被類型的改變對氣候變化的反饋作用。第六十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二植被和生態(tài)系統(tǒng)變化機理的不確定性：植被對于環(huán)境的適應性在不斷發(fā)生變化，嚴重影響預測結果的準確性；人類活動的范圍和強度的不確定性：人類活動的影響大多是通過人類的經濟活動而出現(xiàn)的，經濟發(fā)展中的不確定因素，使預測難以達到理想的程度；干擾的范圍及其強度的不確定性：第六十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二是否存在中世紀暖期(WMP)和小冰期(LIA)歷史氣候研究中，關于過去兩千年來是否存在比20世紀更暖的中世紀暖期存在很大爭議：該爭議關系到如何評估20世紀氣候變暖中自然波動與人類活動的貢獻問題。如存在WMP,意味著20世紀暖期可能是百年甚至千年尺度的暖期的重現(xiàn),與小冰期(LIA)結束后氣候轉暖有關。而不一定是主要由于人類活動導致。案例1.氣候變暖的不確定性第六十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二不存在WMP、LIA：美國學者MannM

和英國學者JonesP,他們認為過去千年來上個世紀最暖。第六十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二MWP和LIA存在：加拿大學者McIntyreS、McKitrickR以及美國學者SoonW。認為MannM的資料在1550年之前數(shù)據可信度不高,存在6個錯誤(資料核對的誤差、不合理的截斷及外推記錄、應用過時的資料、地理位置錯誤、不正確地計算樹木年輪的主分量以及資料缺少質量控制),重新訂正后發(fā)現(xiàn)1550年之前的溫度比MannM預測的高。意味著歷史時期存在暖期。第六十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二美國科學研究咨詢委員會(NRCNA)對利用代用資料重建的全球或北半球溫度變化的結果進行了評估,認為截至2006年,學術界重建的全球或半球溫度序列在900~1600年時段的可信度較低。2009年,MannM在Science上發(fā)表文章,認可了MWP和LIA的存在,并承認某些區(qū)域MWP的溫暖程度可能超過了20世紀末。第六十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2.全球碳對策經過反復爭論和研究，基本達成共識，造成全球氣候變暖的主要根源在于礦物燃料、森林過伐、草地過牧和開墾等導致溫室氣體含量劇增。制定了一系列具有國際約束力的文件，如《京都議定書》(1997)、《聯(lián)合國氣候變化變化框架公約》(1992)等。增匯、減排第六十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二《京都議定書》：工業(yè)化發(fā)達國家努力在2008-2012年把CO2排放