13第13章 全球气候变化与森林生态系统碳循环

大气中温室气体的增 暖效应首先是由法国科学 家傅里叶在1927年发现的， 他指出大气中温室气体的 增暖效应与花房温室玻璃 的作用相似，这就是“温 室效应”名称的由来。

温室气体（greenhouse gas) ：是指大气中那些对 太阳光几乎是透明的，但却强烈吸收地表辐射的红 外热辐射、对地表有遮挡作用的气体。
主要温室气体及 其作用
(1)水汽(H2O) ： (2)二氧化碳(CO2) ： (3)甲烷(CH4) ： (4)氧化亚氮(N2O): (5)氟里昂类物质 (CFCs):

13.1.2 温室气体的源与汇

温室气体的源(source)：是指温室气体成分从地球 表面进入大气或者在大气中由其他物质经化学过程 转化为某种气体成分。
13.2.1 地球上 的主要碳库
大气碳库
： 海洋碳库 ： 陆地生物圈碳库： 岩石圈碳库 ：
13.2.2 全球碳循环
碳的生物地球化学循环主要有三条途径：
1、始于绿色植物并经陆生生物与大气之间的 碳交换； 2、海洋生物与大气间的碳交换； 3、人类对化石燃料的应用是碳循环的第三途 径。 这三条不同路径的相互连结、相互作用就构 成了全球碳循环。
2.臭氧层破坏 Ozone issue
臭氧层（约 20 — 40 公里高空）保护地球生 物免受太阳紫外线照射。 1984 年南级上空发现 臭氧层空洞，最近北极上空臭氧层也日益稀薄。 臭氧层破坏的后果极为有害： 1 ) 皮肤癌患者每年增加 30 万，白内障患者每年增 长 170 万； 2 ) 农作物产量和质量下降； 3 ) 水体浮游生物生长受破坏； 4 ) 引起光化学烟雾污染。
9. 海洋污染 Ocean pollution
人类活动使近海区的氮、磷增加 50 ～200 ％，过量 营养物导致沿海藻类大量生长、波罗的海、北海、黑海、 东中国海等出现赤潮。海洋污染来源为污水排放，大气 污染物沉降、石油泄漏、工业废物、放射性物质。 1990 一 1991 年，全球海洋污染物入海量分别为： 1 ) 石油 354 万吨／年； 2 ) 船舶的塑料容器 63 .9 万个／天； 3 ) 渔船的塑料渔网等 15.2 万个／天； 4 ) 放射性物质 9 万吨／年； 5 ) 危险化学废物 10 万吨／年； 6 ) 河流淤泥废物 93 万吨／年。 海洋污染造成危害极大，使赤潮频繁发生 （1991 年中 国 38 起），破坏红树林、珊瑚和海草，使近海鱼虾锐 减，渔业损失惨重。
10.固体废物污染 Waste pollution
固体废物包括危险废物和城市垃圾。发达国家九 十年代初每 10 亿美元 GDP 产生 5000 吨危险废物， 每年约产生 8000 万吨，部分发展中国家每年仅产生 几百吨。城市垃圾已然成灾。东京每天生产 3000 万 公斤，纽约 1400 万公斤，巴黎 900 万公斤。上述城 市垃圾均被处理，而北京每天为 1200 万公斤，只有 部分被处理。固体及危险废物危害是： 1 、污染大气；(流动性-无国界) 2 、污染土壤；(隐蔽性, 滞后性, 不可逆性) 3 、污染水源； (流动性, 持久性) 4 、垃圾传播疾病； 5 、危险废物诱发癌症。
13.2 全球碳循环及相关过程
全球碳循环（global carbon cycle）：指碳素在地 球各个圈层（大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩 石圈）之间的迁移转化和循环周转的过程。 其主要过程包括陆地和海洋生物圈的碳固定与呼吸 排放，土壤圈的碳平衡，河流的碳运输以及海底和 岩石圈的碳沉积等。 就流量来说，全球碳循环中最重要是是 CO2的循环， CH4和CO是较次要的循环。
全球变暖的事实
1、平均地表温度升高 2、大气层温度升高 3、冰雪面积减少 4、平均海平面升高 5、气候系统的某些要 素发生了重要变化
为了防止全球气候变暖，1997年12月，149个国家 和地区的代表在日本京都通过了旨在限制发达国家温室 气体排放量以抑制全球气候变暖的《京都议定书》。
13.1.1


碳循环途径：
（1）在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循 环； （2）大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环； （3）大气CO2─植物─动物─微生物之间的食物链水 平上的循环。 以上这些循环均属于生物小循环。
（4）此外, 碳以动植物有机体形式深埋地下，在还 原条件下，形成化石燃料，于是碳便进入了地质大 循环。
全球变化的概念
全球变化（global change）:全球变化是地球环境中 所有的自然和人为因素引起的能够改变地球承载生 命能力的变化。主要包括气候变化、大气组成变化， 生物多样性的丧失、荒漠化以及由于人口、经济、 技术和社会的压力引起土地利用的变化和土地覆盖 变化等。 全球气候变化（global climate change）：全球气候 变化是全球变化的核心，主要是指由于大气CO2 等 温室气体浓度的上升所引起的全球变暖，以及由此 引发的降水格局变化、冰川退化、海平面上升等一 系列变化。
Acid Rain Damages Forests
5. 森林锐减 Forest decreasing


森林的主要功能是： 1 ) 供给氧气； 2 ) 吸收二氧化碳； 3 ) 调节气候； 4 ) 保持水土； 5 ) 动植物栖息地； 6 ) 提供木材。现在，全球森林平均每年消失 4000 平方公 里。森林消失的主要原因为农业开垦、生产木材，用作燃 料。

13．1温室气体与气候变化



在影响和决定气候形成和变化的因子中，人类活 动可改变大气成分和下垫面性质。 许多科学家根据近代的气象观测记录认为，随着 温室气体排放量增加，气温随之升高，得出全球 气候将持续变暖的结论，这也是比较主流的看法。 最新的IPCC科学评估报告认为：地球正在变暖， 并随气候系统其它要素的变化而变化，地球平均 气温将每10年上升0.2℃。
第13章 全球气候变化与森林生态系统碳循环
全球生态或环境中的十大问题 温室气体与气候变化 全球碳循环及相关过程 森林生态系统碳循环 全球气候变化对森林生态系统的潜在影响
13．1 13．2 13．3 13．4
全球生态或环境中的十大问题 1.气候变暖 Global warming
过 去 100 年 ， 大 气 中 二 氧 化 碳 浓 度 增 加 55PPm ，全球气温上升 0．6 ℃。 1860 年到 1960 年的 100 年间，全球来自工 业的二氧化碳排放量增长 8 倍，而从 1960 年到 1995 年的 35 年间却增长了 3 倍，即从 8 万亿吨 增至 24 万亿吨。
国家一级保护植物------红豆杉
4. 酸雨蔓延 Acid Rain
硫和氮的氧化物与水蒸汽结合，在高空形成高度腐蚀 性的硫酸和硝酸，沉降到地面形成酸雨（ Ph ＜ 5 ）。目前，全世界已形成三大酸雨区，其中北美 和欧洲酸雨区正在治理中，而中国西南、华南酸雨 区却尚未治理。酸雨给人类带来直接危害是： 1 、农作物减产； 2 、建筑物腐蚀； 3 、树木枯萎； 4 、湖泊酸化； 5 、鱼类死亡。
7. 大气污染 Air Pollution
大气污染主要因子是悬浮颗粒物、一氧 化碳、臭氧、二氧化硫、氮氧化物和铅。大 气污染来源是能源使用、车辆徘放和工业生 产。大气污染危害为为： 1 ) 二氧化碳导致气候变暖； 2 ) 二氧化硫导致酸雨； 3 ) 危害人类健康。 全世界每年有 30 — 70 万人因烟尘污染 提前死亡， 2500 万儿童患慢性喉炎.

全球变化的热门话题
气候系统的演变及其预 测 气候变化与人类活动 气候变化对农业生态的 影响 大气臭氧层和臭氧空洞 全球碳循环 冰川 沙尘暴

减缓气候变化的经济分 析 气候变化与荒漠化 太阳风暴 温室气体与温室效应 全球水循环与水资源 厄尔尼诺 干旱 洪涝

温室效应与温室气体
温室效应（greenhouse effect)：由于大气对太阳短波
辐射吸收很少，易于让大量的太阳辐射透过而到达地面，同时 大气又能强烈吸收地面长波辐射，使地面辐射不易逸出大气， 大气还以逆辐射返回地面一部分能量，从而减少地面的失热， 大气对地面的这种保温作用，称为“大气保温效应”，习惯上 称温室效应。
3.生物多样性减少 Biodiversity loss
1 ) 物种多样性减少 Species diversity：世界物种总 数约 500 ～ 3000 万种（已被陈述 140 万种），近 百年兽类减少 150 种。 2 ) 生态系统多样性减少 Ecosystem diversity：森林、 草原、湿地、水生生境遭受破坏。 3 ) 遗传多样性减少 Genetic diversity。生物多样性 减少的后果为： (1 ) 破坏生态系统的结构与功能； (2 ) 影响人类食物来源； (3 ) 影响人类对疾病斗争（人类 60 ％主要依据野生 植物为药品）； (4 ) 影响生产原料供给。
8.水体污染 Water pollution
水体污染的来源为工业废水、生活废水和地
表径流水(农药化肥)污染。发展中国家约 95 ％的城市污水未经处理而直接排放至江河湖 泊，受污染的水体溶解氧水平过低，重金属 含量高，大肠杆菌含量高。水体污染直接危 及人类身体健康。全球每年水污染导致 10 亿人患病，全球每年 300 万儿童因腹泻死亡， 全球 2 亿人成为血吸虫病患者。
导致碳失汇的原因
1、气候变化：一方面提高植物的呼吸作用，另一方 面提高氮的矿化，刺激植物生长固碳； 2、植物生长：增加碳的积累。 3、CO2的施肥效应：影响光合作用，增加碳汇； 4、氮沉降：促进光合作用； 5、土壤利用方式改变：碳贮量减少，排放增加； 6、海洋：有近1/3的碳失汇可能存在于海洋中； 7、岩石圈：碳酸盐的溶蚀。 目前研究认为“碳失汇”最合理的解释是在陆 地生态系统中。
温室气体的汇(sink)：是指 一种温室气体移出大气到达 地面或逃逸到外部空间或者 是在大气中经化学过程不可 逆转地转化为其他物质成分。




碳循环是一个涉及多学科的综合动态过程，它的动态变化可 用以下方程来表示： dCO2／dt = C+D +R +S+O -P-I-B， 其中方程左边表示的是大气CO2的动态变化率，右边各项代 表大气CO2的源和汇(正号项为碳源，负号项为碳汇) 主要碳源包括： C：化石燃料燃烧释放到大气中的CO2； D：土地利用(包括森林砍伐、森林退化、开荒等)释放到大 气中的CO2； R：陆地植物的自养呼吸； S：陆地生态系统植物的异养呼吸(包括微生物、真菌类和 动物)； O：海洋释放到大气中的CO2； 主要碳汇包括： P：陆地生态系统通过光合作用固定的CO2； I：海洋吸收大气中的CO2； B：沉积在陆地和海洋中的有机和无机碳．


森林减少的危害为： l 、涵养水源功能破坏； 2 、物种减少； 3 、水土流失； 4 、二氧化碳吸收减少导致温室效应。
6.土地荒漠化
Deserted Land
全球陆地面积为地球表面积 30 ％，其中沙漠及沙漠化 土地占 29 ％。全球每年有 600 万公顷土地变成沙漠， 相当一个斯里兰卡。经济损失每年约为 423 亿美元。 全球共有干旱、半干湿地 50 亿公顷，其中三分之二 33 亿公顷遭到荒漠化威胁。荒漠化的原因是： 1 、过度垦殖； 2 、过度放牧； 3 、毁坏森林； 4 、灌溉不善。 荒漠化的危害是直接的巨大的，它致使全世界每年 600 万公顷农田， 900 万公顷牧区失去生产力。人类文明 的摇篮之一的两河流域（即底格里斯河和幼发拉底河流 域）由沃土变成了沙漠。
碳失汇现象
碳失汇（missing
carbon sink）：指人类活 动如矿物燃料燃烧与毁林等释放到大气中的 CO2超过同期地球大气CO2的增量及海洋吸 收量的现象。 在20世纪70年代末，由ຫໍສະໝຸດ Baiduood—well等人 (1978)提出 。 人类活动净释放到大气中的7.0Pg C／a的 CO2，有3.4Pg C／a用于增加大气中的CO2 浓度，2.0Pg C被海洋吸收，剩下的1.6Pg C 的CO2则去向不明 。