第4章 全球碳循环

Q10
10 8 6 4 2 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
温度
土壤呼吸速率的Q10值与温度的关系
5.化石燃料燃烧释放 A.化石燃料燃烧释放CO2的计算 燃烧煤的计算： 碳量＝耗煤量×有效氧化分数（0.982）×每吨标准煤含碳量 （0.73257） 燃油的计算： 碳量＝标准煤当量×有效氧化分数×每吨标准煤含碳量×0.813 注：0.813为在获得相同热能的情况下，石油释放CO2是煤释放 CO2的倍数。
IPCC 2001
Terrestrial Biosphere C Sink
Cramer et al. 2000
生物地球化学循环
行星的地球化学循环是进入其系统的能量流 动导致的必然结果，在有生命的行星上，地 球化学循环演化为生物地球化学循环。氢、 氧、碳、氮、磷、硫等有机质的基本化学组 分，随着元素结合成生命组织，将增加能量 状态；然后随生命组织的分解而降低能级， 从而形成一个封闭的循环。生物地球化学循 环就是指上述元素在固体地球、大气圈、水 圈和生物圈中的传输转换过程。
燃气的计算： 碳量＝标准煤当量×有效氧化分数×每吨标准煤含碳量
×0.561 0.561为在获得相同热能的情况下，燃气释放CO2是煤释放
CO2的倍数。 B. 水泥生产排放CO2的计算 碳量＝水泥产量×0.136
碳失汇（ missing carbon sink）
由Fig.3可知，在陆地圈，人类使用化石燃料每年向大气净释 放CO2约5.4 PgC，热带林破坏导致生物圈大气释放1.6 PgC， 共计7.0 PgC；海洋每年从大气中净吸收2 PgC，大气圈每年净 增加3.4 PgC，剩下的1.6 PgC则去向不明，这就是著名的碳失 汇现象。
1. 大气中的CO2量 由于大气中的CO2浓度可以相当精确地测定，因此，大气中储存 的CO2量（大气碳库）也可以比较精确的计算得到。计算式为：
大气碳量＝
CO2
浓度
碳原子量 大气平均分子量
空气平均质量
地球表面积
式中，碳原子量为12，大气平均相对分子质量为29，空气平均 质量为1.03 kg／cm2，地球的表面积为5.1×108 km2.
土壤呼吸 (gC·m-2·a-1)
年平均温度(℃)
图1.2 土壤呼吸与年平均气温之间的关系
土壤呼吸 (gC·m-2·a-1)
年平均降雨量 (mm)
图1.3 土壤呼吸与年平均降雨量之间的关系， 直线表示两个变量之间的最小二乘方关系（Raich，1992）
Q10
在土壤呼吸测定中， Q10定律非常重要，它表示温度每升高 10℃，土壤呼吸增加的倍数。
层之间迅速达到平衡。 由于人类活动导致的碳排放中约30～50%将被海洋吸收,
但种海能洋力缓的冲大大小气取中决Ｃ于Ｏ岩石2浓侵度蚀变所化能的形能成力的不阳是离无子限数的量,这。 一般来讲,海洋碳的周转时间往往要几百年甚至上千年,可
以说海洋碳库基本上不依赖于人类的活动。
陆地生态系统碳库
据估算,陆地生态系统蓄积的碳量约为2000Ｇｔ左 右(见表1)。
化石能源 人类活动
全球变暖 温室效应增强 大气C含量
海洋碳收支
LUCC
Missing C
陆地生态系统
岩溶过程
？？？
在ＩＧＢＰ(国际地圈生物圈计划)框架下,
ＩＧＡＣ(全球大气化学计划)、 ＧＣＴＥ(全球陆地生态系统计划)、 ＪＧＯＦＳ(全球海洋通量联合研究计划)、 ＬＯＩＣＺ(海岸带陆海相互作用)
2. 生物圈的生物量及生产力 由于森林约占陆地植被生物量的90％，因此，森林植被生物 量的准确估算对估算全球陆地植被碳库是关键的。 因为大多数国家在森林资源清查工作中只测定森林材积部分， 而对枝、叶、根部分并不作测定。因此可利用森林资源清查 得到的材积资料和野外实测得到的森林生物量资料，计算二 者之间的比值（即换算系数），再利用换算系数来反推国家 ／区域／全球的森林生产力。
五个碳库
大气碳库
如表1所示,大气碳库的大小约为720ＧｔＣ(1Ｇ ｔ=1×1015ｇ)左右,在几大碳库中是最小的,但 它却是联系海洋与陆地生态系统碳库的纽带和 桥梁,大气中的碳含量多少直接影响整个地球系 统的物质循环和能量流动。
大气中含碳气体主要有ＣＯ2、ＣＨ4和ＣＯ等, 通过测定这些气体在大气中的含量即可推算出 大气碳库的大小,因此,相对于海洋和陆地生态 系统来说,大气中的碳量是最容易计算的,而且 也大以,是 看也最 作最准 大为确 气重的 中要。碳,因由含此于量大在的气这一中些个的气重Ｃ体要Ｏ中指2浓Ｃ标度Ｏ 。往2含往量可最
Ocean-use Systems
Terrestrial Carbon
Ocean/Coastal Carbon
Focus 1: Patterns and Variability
What are the geographical and temporal patterns of carbon sources and sinks?
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
B = biomass
Focus 3: Future Dynamics of the Carbon Cycle
What are the likely dynamics of the global carbon cycle into the future?
第四章 全球碳循环
1.碳循环与气候变化 2.全球碳库 3.陆地碳通量 4.全球碳收支
第一节 碳循环与气候变化
碳以二氧化碳(CO2)、碳酸盐及有机化合物等形式在不同 的源——大气、海洋、陆地生物界和海洋生物界——之间 循环。在地历时间尺度上，碳循环还包括沉积物和岩石之 间的循环(图8.1)。
CO2循环及相关过程
3.
The Conceptual Framework
Perceptions of human welfare
Fossil Carbon
Atmospheric Carbon
Changes in institutions & technol.
Industry Transport Systems
Land Use Systems
研究历史
一、 碳库和碳通量
碳库：C pool 碳源：C source 碳汇：C sink 碳通量：C flux
全球碳的含量为1023gC，除一小部分外， 绝大部分以有机化合物（1.56×1022gC） 和碳酸盐（6.5×1022gC）的形式埋藏在沉 积岩中。
全球近地表活动碳源中的总含碳量约为 40×1018gC，可开采的化石燃料含碳量约 4×1018gC，是前工业时期大气CO2存量 590Gt(C)的7-10倍（它们正在以非天然的 速率被氧化）。
Ocean C Fluxes
Terrestrial NPP
Takahashi et al. 2002)
Ocean C Storage (mol m-2)
Cramer et al. 2000)
1995 CO2 Emissions
Sabine (unpublished)
NPP: Net Primary Production-净初级生产量 GPP: Gross Primary Production-总初级生产量 R: Respiration-呼吸
Disturbances
Ecosystem Physiology
Unperturbed C Cycle Perturbed C Cycle Perception of a problem
Solubility Pump
Βιβλιοθήκη Baidu
Climate Change
and Variabil.
Biological Pump
3. 土壤有机碳库 方精云（1996）利用土壤剖面的理化性质的测定资料和土类的 面积，提出了中国土壤碳库的推算方法，计算我国平均深度为 86.2cm的土壤总C量为186PgC，约占全球土壤总碳库的12.5％。
土壤碳量＝土类总面积×土壤平均深度×土壤平均容重×平均 有机碳含量
4.土壤呼吸
土壤呼吸是指土壤释放CO2的过程，主要包括植物根的呼吸、 微生物的分解作用和菌根呼吸。
NPP=GPP-R
Focus 2: Processes, Controls and Interactions
What are the controls and feedback mechanisms – both anthropogenic and non-anthropogenic – that determine the dynamics of the carbon cycle on scales of years to millennia?
温室效应vs.温室效应增强
温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太 阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收， 这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温 室，故名温室效应。如果大气不存在这种效应，那么地表温度将会下 降约33或更多。
温室效应增强
其中土壤有机碳库蓄积的碳量约是植被碳库的2倍 左右(从热带森林的1∶1到北部森林的5∶1不等。
T2 T1
Q10 10
k2 k1
式中，k2和k1分别为温度为T2和T1的呼吸速率。 一般来说， Q10 ＝2，即温度每升高10 ℃ ，土壤呼吸速率
增加2倍。
研究表明， Q10值受温度的强烈影响，随着温度的升高， Q10逐渐减小（见 下图）；
这一结果对于预测全球变化后土壤有机质的动态变化十分 重要。在低温地域，全球温暖化造成土壤有机碳分解的速 率比在高温地区要高得多，即寒冷地区的温暖化会导致更 多的有机碳分解向大气释放。
土壤呼吸 (gC·m-2·a-1)
NPP (gC·m-2·a-1)
图 九个陆地植被生物圈年平均净初级生产(NPP) 与年平均土壤呼吸速率之间的关系
A=农业用地; B=北方森林; D=沙漠灌丛; F=温带森林; G=温带草 原; M=湿润的热带森林; S=热带稀疏草原和干森林; T=苔原; W=地 中海森林和荒原. 土壤呼吸(SR)与NPP的最小二乘方线性回归方程 为: SR=1.24(NPP)+24.5 (R2=0.87), 所有的单位均是gC·m-2·a-1. （Raich，1992）
等核心计划从不同角度开展观测研究.
Pep Canadell, Executive Director
pep.canadell@csiro.au
IPO, Canberra, Australia
http://www.GlobalCarbonProject.org
The Partnership and Stakeholders
Paleo Naturally dynamics
New Biospheric Responses
CO2 fertilization
Land Use Change
Fossil Fuel Emissions
Institutional Responses
H = humans
Emerging Properties of the coupled system
海洋碳库
无机海碳洋(Ｄ具Ｉ有Ｃ贮)含存量和约吸为收3大740气0Ｇ中ｔＣ(Ｏ表21的),是能大力气,其中可含溶碳性量 的50多倍,在全球碳循环中的作用十分重要。
从千年尺度上看,海洋决定着大气中的ＣＯ2浓度。 大在气各中个的方Ｃ向Ｏ上可2不以断达与到海9洋0Ｐ表ｇ层/进yr,行从着而交使换得,大这气一与交海换洋量表
Observational Programs IGOS-P [IGCO]
[ESSP]
IPCC
IGBP
INTERNATIONAL PROTOCOLS
NATIONAL / POLICY GOVERNMENT
NATIONAL/REGIONAL CARBON PROGRAMS
WCRP
IHDP
CO2 Panel [IOC-SCOR]
方精云等（1998）用下列关系式刻画了换算系数与林分大 小的关系，并且证实了这种关系对各种森林都是适用的。 他们为中国的主要森林类型建立了换算系数，并推算了它 们的生物量。
k
k：换算系数 a，b：常量 Xvol：林分材积
a X v ol
b
草地生物量＝（1-鲜草含水量）×（1-风干草含水量） ×鲜草重 农作物生物量＝（1-谷物含水量） ×谷物产量／经济系数