1、第26卷第3期2006年6月气象科学SCIENTIA METEOROLOGICA SINICAV0126，No3June，2006碳循环及对气候变化和人类生存环境的影响张佳华12 卞林根1 延晓冬2 姚凤梅2(1中国气象科学研究院，北京100081)(2中国科学院大气物理研究所东亚区域气候一环境国家重点实验室，北京100029)摘 要 碳循环及全球变暖已成为影响气候变化、人类生存环境和经济共同发展和安全的重大问题，引起了全球科学、政治、外交政策等部门的重视。本文着重探讨碳循环的由来、生态系统与碳循环的科学相关、在碳循环方面，中国需要解决的问题和科学技术方法以及碳循环系统的科学研究方法和改进等问
2、题。关键词 碳循环 气候变化生态系统人类生存环境分类号P48 文献标识码A引 言全球变化的气候问题，已经引起了各国科学界、政府的高度重视。1997年气候变化框架公约：京都议定书(Kyoto Protoc01)规定了发达国家和经济转轨国家在2008年到2012年的承诺期内将6种温室气体(包括：C02，CH。，N。O，HFCs，PFCs，SF。)的排放总量在1990年的基础上平均减少52，同时还规定发达国家之间可以“联合履行”宏观减排指标1。2001年7月23日波恩气候会议上186个国家就“京都议定书”达成一致意见，38个工业化国家许诺实现减少本国温室气体的约束目标。欧盟正在着手将此协议变成个会员
3、国的法律，强制各国到2010年把温室气体排放量在1990年的基础上减少8。工业化国家将通过培植和维护森林，改变耕作方式等方法减少大气中CO。含量。2002年9月，我国领导人在南非召开的可持续发展世界首脑会上，代表中国政府正式宣布核准了京都议定书，为在全世界推动该议定书的实施发挥了重要作用，亦将加速我国对CO。浓度、碳通量、碳循环的监测和研究工作步伐，以兑现我国政府的承诺。1碳循环的主要科学问题碳元素主要存储在岩石和沉积物中，只有小部分以变化的形式存在于大气、海洋、土壤和陆地生物圈中2。大气中主要的含碳化学成分有CO。、CO和CH。；其中，CO。是大气中最重要的含碳成分，其总量约为251012t
4、。就物质循环来说，碳循环的主要环节是CO：的循环3“。CO。是光合成的基本成分，同时它数量的多少对气候和生物圈问有重要的影响。占大气总量98的N。，O。，Ar不吸收红外辐射，而CO。，水汽，CH。则吸收来自地面的长波辐射，加热大气同时向下发射长波辐射加热地面。正是此物理过程才使地球保持了目前的温度245|。通过对过去4105 a万年间气候极端事件的研究表明，在此期间地球经历了冰期和间冰期的巨大气候变化，但是大气中的CO。的变化量始终在平均值的240肛gg的上下20范围内变化2j。取自冰芯和深海沉积物的记录显示最近几十万年以来冰期一间冰期气候激烈变化的同时伴随着温室气体(CO。，CH。，N。O等
5、)浓度的变化。虽然对引起第四纪冰期一间冰期气候变化的机制尚没有确切的结论，但收稿日期：20040815；修改稿日期i 200411一03基金项目：本文得到国家自然科学基金项目(编号：30370814)、科技部平台项目(编号：2003D184J144)、中国科学院知识创新工程重大项目(编号：KZCXl一SW一0111)以及教育部留学回国基金项目共同资助第一作者简介：张佳华(1966一)，男(汉)，内蒙古，研究员，博士，现在中国气象科学研究院，主要从事气候变化、生态环境与碳循环、遥感与陆面模式研究E-mail：zhangjhcamecmagovan万方数据3期 张佳华等：碳循环及对气候变化和人类生
6、存环境的影响 351是很多的研究者认为大气的温室气体的变化会对气候变化产生重要的反馈作用，而其中COz的作用显得尤其重要口6。夏威夷Mauna Loa火山(20。N，156。W)和南极冰芯(Vostok)的观测纪录的结果表明，目前CO。和CH。气体的含量比过去的极大值分别增加了31和250左右78。虽然CH。在大气中的浓度远小于CO。(与370此同时tLgg的CO。相比，不到2 ttgg)，但一个CH。的全球增暖潜能(GWP)是C02的75倍，这种变化从工业革命开始，因“温室效应”也使大气的温度随着上升。目前中、高纬度地区气温明显升高，南极的冰雪融化等现象被认为与CO。气体的“温室效应”直接相
7、关口11|。大气CO。浓度的波动取决于参与碳循环的各个碳库问碳通量的变化。海洋和陆地生态系统中碳储量分别是大气中碳储量的53倍和33倍凹1 0。观测和模拟研究表明，海洋的无机碳的溶解在增加，而森林的破坏和农业的过度开发也使碳从土壤和植物向大气中转移。在过去的1020 a中，由于化石燃料燃烧所释放的C0。超过12已经被植被和海洋所吸收，仅有约12滞留在大气中，这些碳被吸收并且被存储称为COz的汇(carbon sink)E 5|。此外，还有一部分去向不明，被称为C02的“失汇”(carbon missing)L21 2|。目前，还不能搞清碳源汇的时空变化，以及源汇存储率变化及其机制1 3|。碳循
8、环的主要科学问题集中在：通过大陆和邻近海盆的大气、海洋采样与大气输送模型相结合方法，更精确地估计全球碳源汇的数量和范围；通过观测实验，研究陆地碳源汇转换机制、生态系统碳储量及变化；从历史记录和遥感资料获取过去和现在土地利用变化信息，进而估计人类活动对陆地碳储量的影响；研究形成最大碳储量的管理策略，包括不同管理方式下碳吸收方法的可变性、可持续性、以及对生命周期和不确定性评价；综合区域和全球碳模式中对碳循环过程新的观测结果和认识，改善对未来大气中CO。及其它温室气体浓度的预测。2 国内外研究动态国际科联(ICSU)于1986年组织了以研究全球变化为目的地圈生物圈计划(IGBP)，其中7个核心计划大
9、都包括碳循环的内容口4|。美国于1999年由碳和气候工作组报告的美国碳循环研究计划(CCSP)3。1999年，在美国国家宇航局(NASA)下属的陆地生态系统观测项目支持下，启动了BigFoot项目。瑞典、德国、法国、澳大利亚、印度、日本、韩国和加拿大等国在各自的全球变化计划中均包含有碳通量和碳循环的观测和研究。世界气象组织(WMO)联合有关国际组织在世界范围内建起了20多个以监测温室气体为主的大气化学本底站。国际CO。通量监测网(FLUXNET)由美洲(AMERIFLUX)、欧洲(EURO-FLUX)、澳洲(AOFLUx)和亚洲(ASIAFLUX)、地中海(MEDEFLU)等通量网组成，美洲和
10、欧洲通量网1996年就使用涡动相关技术(eddy-covariance)进行CO。通量监测，EC法采用三维超声风速温度仪测定植被冠层与大气之间的湍流交换量的微气象学方法。EC法利用开路的或闭路CO。红外分析系统进行采样并分析COz浓度脉动，利用三维超声测定垂直风速脉动，进而求得某一时刻的植被冠层与大气之间的CO。通量1 5l。在IGBP、WCRP、IHDP、GCTE和LUCC等大型国际合作项目下，这些资料已得到广泛的应用，为全球碳循环及碳收支和不同源汇对大气CO。浓度贡献的研究提供了可靠的资料，并在未来CO。增长趋势和与气候变化预测有关的研究(如IPCC)都得到了广泛的应用。目前，国际上通过碳
11、通量观测、模拟、森林及植被遥感分析和研究认识到地球的北半球的中纬度地区存在一个巨大的碳汇口61“。但意见仍然有分歧，欧亚(包括澳洲)与美国和加拿大在碳汇方面存在分歧。主要原因在于对陆地生态系统的碳的生物地球化学循环的界面过程的模拟与事实还存在有很大的偏差。特别是原来用单一的全球模式远不能解决区域和局地的问题181引。目前，GCP研究计划(Global Carbon Project)已经开始从地球系统科学角度研究碳循环的科学问题2。我国已在包括有森林、农田、草地、荒漠、湿地等建立了中国CO。通量观测网(China Flux)和CMAFlux通量观测系统。对我国森林植被碳储量的估算从37262 P
12、gC2124，主要原因是对蓄积量一生物量碳转换系数、森林调查资料等差异所致。对我国草地碳储量的估计为123466 PgC不等口125，我国草地碳储量主要集中在土壤层，如高寒草原95的碳储存在土壤层。在对中国土壤碳库估算从924218569PgC不等2126。误差在于对土壤分类和面积的计算出现差异。我国相继开展了利用遥感和碳循环模型的对陆地生态的研究。但目前，我国缺乏机理性、通用性、移植性强的模型；很少考虑碳循环过程中的反馈机万方数据352 气 象 科 学 26卷制；缺乏研究大气与陆地之间的各种相互作用；很少考虑人类活动对碳循环的影响。通量观测的开展对研究我国的碳源汇的分布和强度，以及解释生态系
13、统中C、N、水循环对全球变化的响应起到重要作用，而且部分研究成果已经影响到陆地的碳管理和环境政策的制定，如森林保护、温室气体排放限制以及有序人类活动等。但是目前，我国CO。通量观测还处于分散，存在以项目带动观测的现状，没有从模式本身和业务的要求出发进行系统的布设和长期观测，观测标准、观测项目和仪器等都有待提高。3 生态系统与碳循环的科学相关CO。在大气圈、海洋和陆地生态系统三个主要碳库之间进行着自然交换，人类活动增加了CO。在三个碳库之间的交换变率并部分改变了交换的方向。目前，人类对于自然与生态系统对未来气候反应的预测能力十分有限。对陆地碳蓄积还缺乏一致性的估算数据(包括碳通量和净碳通量)27
14、3；全球模式比较分析中对全球净第一生产力(NPP)的估算值相差15左右。土地利用变化的时间序列以及砍伐后森林和废弃农田再生长造成的碳吸收，以及人类活动对碳循环的影响机理和未来动态变化等问题有待进一步研究283 0|。提高对碳循环、水循环及多圈层相互作用的认识，改善对整个气候系统的预测能力，对进行有效的生态与环境保护具有重大意义31|。通过1992年启动的全球变化与陆地生态系统(GCTE)3 2及其他研究表明，大气中高的CO。含量不仅导致气候的变化，而且CO。的施肥效应和大气氮沉降提高陆地生态系统的NPP。因此，失汇可能为陆地生态系统吸收。目前，开展的FACE(FreeAir CO。Enrich
15、ment)实验，是在田间状态下直接通入高浓度的CO。，研究从植物到生态系统尺度的循环过程对大气浓度升高的响应和适应机制31|。目前全球大约有31个FACE试验项目a33，为了使FACE实验中获得数据在区域尺度上可用，必须有遥感信息和区域数据以及同期的生态系统功能的估计数据之间的验证。目前我们对于陆地生态系统变化对未来气候变化将产生多大的影响，以及未来气候对生态系统将产生多大的反馈作用仍存在相当大的不确定性。未来气候条件下，生态系统的碳汇功能何时达到饱和2 9|，或者会变成碳源3 4|。最近的研究表明，由于温度增加导致土壤呼吸的加剧，未来陆地生态系统将由碳汇变成碳源口53 7|。为了满足这些需要
16、，所以有必要对生态环境系统展开进一步的观测和研究。近年来，大气一生态相互作用模式研究重点也转移到生物地球化学循环和温室气体释放上来3 8|。4 中国需要解决的问题我国地域辽阔，陆地生态系统和农作物耕作制度复杂多样以及社会经济发展的不均衡，不同区域大气温室气体分布特征及碳循环状况尚不清楚。为此，在我国大范围开展温室气体长期、系统监测，有望取得对全球和区域气候变化及陆地生态系统碳循环研究有重要价值的资料。对中国温室气体背景值和通量监测将了解我国大范围温室气体背景值、碳储存以及各种植被类型、气候条件及土地利用历史背景下的能量、水汽和碳交换过程。目前中国需要解决的与国外的共性问题依然包括：碳储量的时空
17、变化，土地利用变化、气候变化、大气污染、大气CO。扰动、如何影响碳储量，以及边界层大气CO。浓度的时空变化如何?与地形、气候带以及植被变化的关联。中国还必须集中解决如下问题：(1)在我国陆地有代表性的区域(如东北林区、长江三角洲地区、西北干旱半干旱地区、内蒙草原等地区)建立能够精确和加密测量CO。源汇的观测网点。(2)在我国的近海地区的“关键海区”建立海洋一大气CO。通量观测网点，建立我国近海海洋和陆地区域的CO。源汇的档案。(3)了解控制我国过去和目前CO：源汇的时空间分布的物理一化学过程，在未来的气候和大气化学条件下CO。的时一空间分布的可能变化。(4)定量地说明和预报大气中C0。含量的变
18、化对我国及临近地区气候变化及对CO。输入的响应。在上述工作的基础上，发展我国碳循环过程中的突发事件的监控能力及所导致CO：的迅速大量释放及不可预见现象的预测能力，为我国制定与碳源汇有关的管理政策提供科学基础。万方数据3期 张佳华等：碳循环及对气候变化和人类生存环境的影响 353123789lO11121314参 考 文 献UNEPKyoto protocol to the United Nations framework convention on climate change(Chinese version)In：Information unit for conventionsUNEP，Ge
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34、emy of Meteorological Sciences，Beijing 100081)(2Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029)一 Abstract In recently years，the study on carbon cycle has been given rise to by sciences，politics，andgovernment etcIt also can be recognized as an important issues which have
35、influence on global human living environment，climate changes and economic development in the global scalesUnderstanding the complexity of the carbon cycle and the linkages to physical，biogeochemical and ecological processes and humaninfluences requires a comprehensive research strategy and a new lev
36、el of scientific and programmatic integrationIn this paper，the carbon cycle issues，the relationship between ecosystem and carbon cycle，andsome development methods and technological studies have been discussedIt is necessary to study the carbon cycle and its impacting on the climate change and human
37、living environment in futureKey words Carbon cycle Climate change Ecosystem H uman living environment万方数据碳循环及对气候变化和人类生存环境的影响作者： 张佳华， 卞林根， 延晓冬， 姚凤梅作者单位： 张佳华(中国气象科学研究院,北京,100081;中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境国家重点实验室,北京,100029)， 卞林根(中国气象科学研究院,北京,100081)， 延晓冬,姚凤梅(中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境国家重点实验室,北京,100029)刊名： 气象科学英文
38、刊名： SCIENTIA METEOROLOGICA SINICA年，卷(期)： 2006,26(3)被引用次数： 7次参考文献(38条)1.UNEP Kyoto protocol to the United Nations framework convention on climate change (Chinese version)19982.Houghton R A;E A Davidson;G M Woodwell Missing sinks,feedbacks,and understanding the role ofterrestrial ecosystems in the glo
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