第4章 全球碳循环

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。
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）
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
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)。
Paleo Naturally dynamics
New Biospheric Responses
CO2 fertilization
Land Use Change
Fossil Fuel Emissions
Institutional Responses
H = humans
Emerging Properties of the coupled system
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
Disturbances
Ecosystem Physiology
Unperturbed C Cycle Perturbed C Cycle Perception of a problem
Solubility Pump
Climate Change
and Variabil.
Biological Pump
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。
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?
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。
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)
Observational Programs IGOS-P [IGCO]
[ESSP]
IPCC
IGBP
INTERNATIONAL PROTOCOLS
NATIONAL / POLICY GOVERNMENT
NATIONAL/REGIONAL CARBON PROGRAMS
WCRP
IHDP
CO2 Panel [IOC-SCOR]
3.
The Conceptual Framework
Perceptions of human welfare
Fossil Carbon
Atmospheric Carbon
Changes in institutions & technol.
Industry Transport Systems
Land Use Systems
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

The Partnership and Stakeholders
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?
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。
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?
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
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
Hale Waihona Puke 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）。
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。
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。
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
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.
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
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
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。
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。