第 18卷第 6期
2003年 12月
地球科学进展
ADVANCE IN EARTH SCIENCES
Vo1.18 NO.6
Dec.。2003
文章编号 :1001-8166(2003)06-0980-08
全球变化科学 中的碳循环研究进展与趋向素
曲建升,孙成权 ,张志强,高 峰
(中国科学院资源环境科学信息中心,甘肃 兰州 730000)
摘 要:全球碳循环研究是全球变化科 学中的研 究重点之一 ,在过去的研 究中已取得 了长足 的发
展 ,但对碳源和汇的定量研究还是今后需要进一步加强的工作。综述 了近年来全球碳库储量研 究
的主要进展,
了岩石圈、陆地生态系统、海洋、大气以及人类社会等碳库的储量、在全球碳循环
中的地位及其作用机制,针对与全球升温事件密切相关的人为碳排放 问
专门作 了论述 ,并结合最
新的研究成果,对“未知汇”问题的新的研 究方向作 了阐述。碳循环研究已经进入一个新的发展 时
期 ,国际科学组织与各国政府对碳循环研究的关注与投入正逐步增加 ,但其关注的 内容并不一致。
分别以地球 系统科学联盟的全球碳
和美国的北美碳计划为例 ,介绍了国际碳循环研 究的重点
与趋势。最后提 出了今后全球碳循环研 究需要关注的一些领域:陆地碳循环机理与源汇定量研究;
海洋大尺度碳循环及其机理研 究;人类社会在碳循环中的作用研 究等。
关 键 词 :全球变化 ;碳循环;碳库 ;碳源;碳汇
中图分类号:X21;P461 .8 文献标识码 :A
0 引 言
在 目前以国际地圈生物圈计划 (IGBP)、国际人
文因素计划(IHDP)、世界气候研究计划(WCRP)和
生物多样性计划(DIVERSITES)为核心的全球范 围
内广泛开展的全球变化研究 中,有关碳循环与温室
气体的研究是主要焦点之一Ll J,这些研究的进展不仅
能够证明全球变化研究的出发点是否正确 ,也能够证
明适应全球变化与解决全球变化问题的措施是否得
当,而且也将指明今后全球变化研究的发展方向。
在过去的研究中,由于对碳循环机理 、碳源与碳
汇 等 一些 气 候 控 制 因子 的认 识 不 够 全 面 与深
人 J,因而对有关全球变暖问题是否是由大规模
的人类活动引起一直存在争议。 自20世纪末期 以
来 ,大量的研究 已经表明 J,是人类 向大气 中排放
的温室气体所产生的温室效应导致 了地表温度升
高,其中 CO 贡献最大,占 70%,其次是 CH ,占
23%_6’7J。这一认识获得了多数研究者的认 同,并
成为当前的主流认识 。
自工业化革命以来 ,人类对环境的影响已经超
过了人类历史上的任何时期 ,一方面人类的生产活
动每年将大量的碳排放到大气 中,许多气体可能要
在大气中停留 100年甚至更长的时间;另一方面 ,人
类对 自然界的一些改造活动(如森林砍伐 )使得碳
排放量增加、吸收能力降低。这两方 面的人类活动
导致全球大气 中 CO 浓度呈不断升高的趋势,CO
质量分数已由工业化前(1750年 )的(280.4-10)
g增加至当前的 3671.Lg/g ¨。随之而来的是温室
效应增强 ,全球变暖问题凸显。据 IPCC 2001年的
第三次评估报告 ,全球大气的平均温度在过去的
100年中上升 了约 0.6~C,而且在未来几十年 内人为
的增暖率将保持在每 1O年增加 0.1~0.2~C的幅度。
温度的升高也打破了原有的平衡 ,对地球环境
与人类社会产生了一系列的影响,如:①热带扩展,
收稿 日期 :2003-03—17;修回日期:20o3JD5-29.
·基金项目:国家 自然科学基金委托项 目“国际全球变化研究动态与科学发展”资助.
作者简介 :曲建升(1973一),男,山东莱阳人 ,助理研究员,主要从事全球变化信息分析与地球科学数据管理工作.
E-啦 n:gcinfo@ ns.1zb.ac.cn
维普资讯 http://www.cqvip.com
第 6期 曲建升等 :全球变化科学 中的碳循环研究进展与趋向 981
副热带、暖热带和寒带缩小,寒温带略有增加;②草
原和荒漠的面积增加 ,森林 的面积减少;③农业的种
植决策、品种布局和品种改 良、土地利用 、农业投入
和技术改进等受到影响;④加剧了 目前 日趋 紧张的
水资源问题 ;⑤改变了区域降雨 、蒸发的分布状况 ;
⑥引发恶劣的环境问题 ,增加了对人类及其生存环
境的压力等 ¨。
目前国际上有关全球碳循环的研究已经取得了
一 些重要进展,并且新的研究 内容不断地被提出,一
些新的研究计划也不断地加入到碳循环的研究体系
中来 ,碳循环的研究正朝着系统分析、整体规划、集
成研究的方向发展。
1 全球碳库分布与碳储量
《联合 国气候变化框架公约》(UNFCCC)将 温
室气体“源”定义为向大气中释放温室气体的过程
或活动,温室气体“汇”为从大气 中清除温室气 体、
气溶胶或温室气体前体物的过程、活动或机制 引。
全球碳循环的源与汇是 以大气圈为参照系,以从大
气中输出或向大气中输入碳为
来确定。全球碳
源与碳汇分布极为普遍 ,由陆地到海洋、由耕地到森
林 、由自然界到人类社会等都存在碳源与 [。碳源
与汇的分布受纬度 、立地条件、地表覆盖以及时间等
外界因素的影响,普遍存在碳源与汇的转化现象 0J
(图 1)。
图 1 自然界中碳循环的主要成分
rag.1 M ain components of the natural carbon cycle
1.1 岩石圈中的碳
地壳岩石中平均含有 0.27%的碳 ,约有 6.55×
10“ GtC
,其中 73%是 以碳 酸盐岩 (海相碳酸盐岩、
沉积碎屑岩中碳酸盐胶结物以及泥质岩中碳酸盐矿
物)和幔源碳 的形式存在 ,其余 部分 以石 油、天然
气、煤等各种有机碳形式存在。在各种内外营力作
用过程 中 (如脱碳气 、氧化、热 裂解 、微 生物 降解
等),碳 以水溶气相 、油溶气相、连续气相 、连续液相
等各种形式迁移或转化 ,最终以 CO 等气体形式通
过地下水 、油(气 )田、地热区、活动断裂带和火山活
动不断地释放 出来 ,或者储存在 沉积地层 中成为
CO2气 田㈨ 。
新生代构造 隆升构造运动在引起 CO 释放 的
同时,如果 :①在造山带山脉地区发育着丰富的易风
化陆源碎屑岩;②在抬升的高原和山脉地区边缘具
有丰富的降水,有利于岩石的溶解和水解反应 ;③抬
升的高原和山脉边缘斜坡坡度较陡,有利于不断暴
露新鲜岩石 ,则以上区域的地表化学风化程度将提
高,可 以 吸 收 较 多 的 CO:,从 而 成 为 重 要 的碳
汇-l j。岩石的暴露对提高化学风化作用具有非
常重要的作用,尤其在新鲜岩石暴露之初 ,风化速率
非常迅速,然后就呈指数衰减,并在 1O万年后变得
非常缓慢 ¨ J。
尽管地质碳库是最大的碳库,但其中储存的绝
大多数的碳不参与全球的碳循环。除了人类大规模
的矿产和燃料开采 ,使岩石囤储存的碳得以释放 ,并
直接影响全球碳循环平衡外 ,岩石圈的碳 的活动一
般只对地球 的局部产生影响(如火山喷发引发区域
的 CO 浓度升高)或者只会在较大的时问尺度 内
(千年以上)发生作用 。
1.2 岩溶作用过程中的碳循环
岩溶碳循环是全球碳循环 的重要一环 ,全球陆
地碳酸盐岩体碳库容量估计近 1×10 GtC,分布面
积为 2.2×10 km 。碳酸盐的产生与地质历史时期
的大气 、气候、水热和生物环境条件密切相关 ,它是
过去全球碳循环方向和强度变化过程中被固化的部
分 。岩溶作用是岩溶水系统内可溶岩、水 、空气、生
物界面之问的地球化学场上能量、物质交换的表现
及结果 ,在岩溶作用过程中存在 CO 一H 0一碳酸
盐岩三相动态平衡过程 引¨。碳 酸盐岩的溶蚀过程
是从大气 中吸收碳 的过程 ,凝结钙华 的过程是碳 的
排放过程。当大气中 CO 浓度降低时,岩溶系统中
将出现钙华凝结沉降,并向大气中排放 CO ,反之则
吸收 CO 。在 目前全球 CO 浓度普遍过高 的状况
下,岩溶系统对碳的调节作用主要以吸收碳为主。
袁道先[驯 、uu Zaihua等[ ’, 对我 国岩溶动力
系统进行 了一系列监测、模拟试验研究 ,认为岩溶动
力系统和碳酸盐岩在生物作用和传统概念的无机岩
溶作用的协同下,积极参与全球碳循环,成为大气
维普资讯 http://www.cqvip.com
982 地球科学进展 第 18卷
CO 源与汇的重要环节 ;岩溶作用在全球变化研究
中既 是长 时 间尺 度作 用 ,也 具 有 短 时 间尺度 作
用 ]。徐胜友等 估算 了我国岩溶作用 回收大
气中 CO 的量为 3.5×10。tC/a、全球岩溶作用 回收
大气 CO2的量为 2.2×10 一6.08×10 tC/a。
在上部覆盖土壤的岩溶地区,土壤层是 比较关
键和特殊的环节,土壤库中 CO 含量的高低直接影
响表层岩溶带岩溶作用 的发生。碳酸盐岩 中的碳
“活化”及溶蚀作用是消耗大气 CO 的复杂过程 :大
气 CO 一植物或生物土壤 CO 一溶于水的 Co2一碳
酸盐岩被溶蚀而消耗的 CO J。此外 ,环境条件的
改变也可导致岩溶作用向相反方向发展 。
1.3 陆地生态系统中的碳
陆地生态系统是全球碳循环又一重要碳库 ,每
年净吸收0.4 GtC,其贮存的碳总量为 2 477 GtC,其
中植物体储存了466 GtC,土壤(地表 1 m深度范
围)储存了 2 011 GtC 8'引。陆地生态 系统一大气
的碳通量取决于植物的光合作用、呼吸作用和土壤
微生物之间的平衡 ,这些过程受温度、降水 、土壤质
地和养分供应的强烈影响。
陆地表面有广泛的人类活动干扰 ,极易影响生
态系统碳的储存 ,从而影响大气 与生态 系统之间的
碳平衡。尽管陆地生态 系统是人类最熟悉的环境,
但是 ,陆地生态系统对全球碳循环的影响程度还难
以准确把握 ,这是因为陆地生态系统对全球碳循环
的贡献受人类对地表的改造状况 (如森林砍伐 、草
地改造 为农 田等)和生态 系统 净生产 力 (如大气
CO 浓度升高 ,可引起生产力的提高 ,从而吸收更多
的 CO2)的影响。
土壤具有储存转化有机碳 的作用 ,土壤 的矿化
作用 (包括根的呼吸、土壤动物和微生物的代谢作
用)是 自然生态 系统 中重要 的 CO 释放过程,其对
全球碳循环的影响是长时间尺度的。但是 13益加强
的土地利用加速了土壤的碳呼吸 ,动植物残体和有
机质分解增强 ,土壤贮存 的碳大幅度减少 ,通过水
土、大气输出而成为重要的碳源。伴随着高纬度地
区温度的大幅上升 ,高纬度地区的冻土带和泥炭地
中储存的 CO 和 CH 也将逐步释放出来 ,这些地区
难于分解的碳 ,随着温度升高也将加速分解 ,并最终
以超过光合作用固碳能力的水平 向大气中释放 。
陆地表面的岩石、土壤与生物等经过各种 自然
营力 ,产生大量的有机与无机碳 ,以及河流自生的有
机碳 ,经由河流进入海洋。每年通过河流输入海洋
的碳约在 1 Gt左右 ,其中约 60%为无机碳 ,40%为
有机碳 J。河流碳通量与碳循环的其他环节不同,
如在“大气一海洋”、“大气一陆地生态系统”等循环
中,碳的交换是双向同时进行 的,而河流碳通量在特
定的时间和地区是由陆地单向流人海洋 的。自工业
革命以来 ,由于人类活动的增强,对地表水文、水化
学 、植被和土壤结构性质的影响程度在不断加大 ,毁
林开荒、大规模机械耕作都会增加土壤的侵蚀速率,
大量土壤有机质被淋溶 、冲刷进入河湖、汇人海洋 ,
工业废物排放、富营养化和酸雨等现代环境问题都
会影响河流碳通量 ,并且在很大程度上是加强了河
流碳通量,使得淡水和近海成为附加的碳汇 。
1.4 海洋碳库
海洋的碳储量高达 38 000 GtC,是重要的 CO2
汇。根据测算【4 J。。,在每年由人类排放 的碳中,大
约 30% 一40% 由海洋吸收。根据人为释放 CO 会
使海水溶解态无机碳n C/ C比率减小的原理测算 ,
1970--1990年海洋的吸收值为 2.1±1.5 Gt C/a,根
据人为释放 CO 造成 0 /N 比率变化的原理测算 ,
1989--1994年海洋的吸收值为 1.9±0.5 Gt C/a,普
遍的认识是海洋年均吸收值为 1.5—2.5 Gt C 。
1.4.1 海一 气碳通 量
在海洋里,CO 溶解于水 ,并通过整个海洋表面
不断与大气进行交换 ,其交换量达 90 GtC/a,尤其当
波浪破碎时这种交换更为充分。在海洋表层约 100
m深度以内的海水中,CO 交换较为迅速 ,但与更深
层海水的交换十分缓慢(CO 从海洋表层进入深海
需要几百年到几千年时间),因此海洋并不像大气
— 海洋 CO 交换模 式所揭示 的,能为增 加 的大气
CO 即刻提供吸收汇。就短期变化而言 ,只有表层
海水在碳循环中起主要作用。海洋碳的吸收与释放
有明显的纬度特征,分别在赤道 (释放)和南北半球
的中纬地区(吸收)存在极大值 ]。Keeling等 ]
计算得出,全球海洋年吸收碳 2.3 GtC:15。N以北海
域吸收 2.3 GtC/a,15.6。S一15。N之间海域释放 1.1
GtC/a,15—50。S之间海域吸收 1.1 GtC/a,15—50。S
以南海域释放吸收平衡。以上说明北半球海洋是一
个重要的碳汇。在北半球的碳吸收主要一部分是大
气 CO 通过温盐环流进入深层海底 ,参与到全球碳
循环 ,在输送到南半球的过程中被海洋吸收转化。
1.4.2 海洋中的生物泵作用
生物作用在海洋 的碳循环过程中发挥着重要作
用 ,海洋 中向下输送 的碳大部分都与海洋生物过程
有关。在海洋表面的透光层中,大量的浮游植物通
过光合作用吸收海水中的 CO ,将其转化为颗粒有
维普资讯 http://www.cqvip.com
第 6期 曲建升等 :全球变化科学中的碳循环研究进展与趋向 983
机碳 ,形成初级生产力,初级生产的大部分在透光层
中再循环 ,但在海洋生物死亡和腐烂时 ,其体内的碳
将向下输送到海水深处或海底。在海洋学研究中,
这种 由有机物生产、消费、传递 、沉降和分解等一系
列生物活动构成 的碳垂直运移,被称作 “生物泵”
(Biologicalpump)。在生物泵的过程中,海洋浮游细
菌的作用也很关键 ,浮游细菌将颗粒有机物和溶解
态有机物分解利用形成 自身的颗粒有机物并为原生
动物捕食构成微食物环 。
“生物泵”的作用可以减少表层水 中的净碳含
量 ,使海洋表层可以获得更多的大气 CO ,以恢复表
层平衡⋯ 。但是,生物泵对小于几百年时间尺度的
碳循环过程影响较小 ,换言之 ,生物泵对百年来 由人
类活动所产生的大气 中过量 CO 的吸收的贡献微
乎其微。
1.5 大气 中的碳
大气 中的碳 主要 以 CO 、CH 和 CO的形式存
在 ,碳储量合计约 730 GtC【101,其 中以 CO2最为重
要 。在整个地质历史时期,大气碳含量始终处于变
化之 中。利 用极 地 冰芯对 古大气 成 分 的研 究表
明 :过去 l6万年 以来,大气 CO 和 CH 及氧同
位素温度指标之间存在显著 的正相关关系,在末次
冰期 ,大气 CO2和 CH 浓度分别为 200 g/g和 0.4
g/g左右 ,随着温暖的冰后期 的到来 ,大气 CO 和
CH 浓度迅速上升到 280 g/g和 0.6 g/g左右,
并在以后的时间里基本稳定在这一水平上。但 自工
业化革命以来,这一状况发生了巨大的改变 ,骤升至
目前的 367 g。
大气 CO 浓度在全球 的区域分布也存在差异 ,
差值可达 50 g/g左右。观测表 明大气 CO 浓度 自
北极向南极递减,形成这种梯度变化的原因是:①化
石燃料的使用存在南北半球 的差异。人类对 大气
CO 含量的贡献在北极和高纬度地区年平均为4.5
~ 3.5 g,北方中纬度地 区为 3.5~2.5 g/g,赤
道和南方低纬度地区为 2.5~1.0 g/g,在南极地
区则减少到0.5 g/g[3引;②大气 CO 在各源与汇之
间的自然传输交换存在差异。运用大气综合环流模
型及近地表涡流混合模 型研究 CO 运输,发现与陆
地生物群落相关的大气 CO 含量具有梯度变化,但
其总量较小,只相当于化石燃料释放引起的大气
CO2浓度的 1/2。
1.6 人类活动与碳循环
随着人类社会的发展 ,尤其是化石燃料的普遍
利用,人类碳源 的强度是不断增大的。人类碳源主
要包括化石燃料使用、水泥生产等的碳排放 以及土
地利用(如水稻生产 )、矿产开采、地下水开采 等
过程中的碳的释放,其中化石燃料燃烧发挥了最大
作用 ,约 占 3/4。在 1980--1989年间,化石燃料燃
烧(包括少量的水泥生产释放的碳 )产生的碳排放
量平均为 5.4±0.3 GtC/a,1990--1999年间这一数
值升为6.3±0.4 GtC/a。土地利用变化所产生的碳
排放增加的情况与此相当 引¨。
人类活动在增加大气 CO 的同时,完全可以通
过积极 的行 动增加对大气 CO 的吸收,从而形成
“人为汇”。《京都议定书》中对人为汇也作 了一些
探讨,但各国对人为汇的定义意见不一 ,有的认为其
仅特指与森林管理有关的所有活动,如造林、再造
林、毁林等 ;另外一些国家则认为其仅指一些直接的
活动 ,如植树造林、林地施肥、放牧等。人类 CO 的
排放以及人为汇在全球碳循环中的作用在以上各节
中都有论述 ,在此不再赘述。
2 “未知汇”问题研究进展
“未知汇”(missing sink)问题曾长期困扰着研
究人员。根据以往的生态学主要碳循环模型的计算
数据 ,人类每年向大气排放的 CO 约 7 GtC,其 中约
有一半(3.2 GtC)留存于大气中,2.0 GtC由海洋吸
收 ,其余的 1.8 GtC是 目前 尚未确定吸收汇的碳被
称作“未知汇”[40 (不 同的学者对这一数字的计
算存在很大差异)。“未知汇”问题的存在一方面是
由于对已经确定的碳源和汇的量值的估算存在误
差,如海洋碳汇的误差高达40%;另一方面是由于
对碳汇的深入研究不够,尤其是对陆地碳汇的组成
及量值的研究都是初步的,存在较大的不确定性。
随着研究的深入,目前 已经基本确定这部分汇
存在于北半球陆地生物圈中,尽管对其具体作用机
理还不够清楚 ,尚在定性研究阶段,但这一研究进展
为今后的研究奠定了重要基础。2000年 ,政府 间气
候变化专门委员会(IPCC)结合 20世纪 9o年代的
研究数据 ,提供 了最新 的全球碳预算研 究 的成果
(表 1) 。我们相信随着研究的深入和定量化研
究的开展,“未知汇”必将得以准确揭示。
3 全球碳循环研究发展趋向
全球变化科学中有关碳 的研究虽然开展较早 ,
但很多仅是局限于局部与短期 的研究 ,这对于具有
全球运动和转化特征的碳循环而言显然是不够的。
在当前全球变化研究更趋向于综合集成研究的情况
维普资讯 http://www.cqvip.com
984 地球科学进展 第 18卷
表 1 人为 CO:的概算
Table1 Budget estimate ofC02伽 nesfrom human activity
下 ,碳循环的研究重心逐步从生态系统 内部或地理
范畴的局地尺度转 向大陆和全球尺度,并在很多方
面实现了 由定性研 究 向定量研 究的转变,尤其在
《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)和《京都议
定书》等国际性条约的制约与督促下 ,碳循环研究
已不再仅仅是由科学 团体主导的纯科学研究,世界
各国政府也逐步参与进来。各国政府在认识到本国
与碳排放有关的经济与发展 问题后 ,对全球碳循环
机理以及减排技术的兴趣正 日益浓厚 ,由国家主导
的碳循环研究也正逐步成为全球碳循环研究的一支
重要力量 。以下以地球 系统科学联盟(ESSP)的全
球碳计划 (Global Carbon Project,GCP)和美 国的北
美碳计划(North American CarboR Program,NACP)为
例 ,介绍全球碳循环研究的发展趋势。
3.1 ESSP的全球碳计划
在 2001年 7月的阿姆斯特丹全球变化开放大
会上 ,IGBP、WCRP和 IHDP三大核心计划联合组成
了地球系统科学联盟 (ESSP)以推动全球变化科学
工作适应集成研究的需要 ,实现可持续发展。随后 ,
ESSP启动了有关水问题、食物系统和碳循环的 3个
全球范围的合作计划,全球碳计划(GCP) 是其中
的一项计划。与以前的双边合作不同,该项目将通
过与各核心计划的合作来完成。2003年 5月 ,GCP
已经完成并发布了《全球碳计划科学框架与实施规
划》,还在技术提高、模型应用等方面开展了系列活
动,随着其设在澳大利亚、日本、欧洲和美国的国际
办公室的运行 ,有更多的研究工作将得到开展。
GCP的目标是进行全面的全球碳循环描述,包
括生物物理和人文因素以及二者之间的相互作用和
反馈,具体通过确定和阐明以下问题来实现其目标:
(1)模式和变率 :在全球碳循环 中,主要碳库和
碳通量的时空分布。
(2)过程 、控制和相互作用 :控制碳循环动力学
(包括与人类活动的相互作用)的根本机制与反馈。
(3)未来碳循环动力学:碳循环动力学未来可
能的“发展轨迹”。
GCP在实现科学 目标的过程中,将与许多现有
的国际组织和各国的碳项 目开展合作 ,并不断发起
新的研究项 目以便在以下方面获得进展 :
(1)综合人类对全球碳循环的认识。
(2)
一个具有多种约束条件 的研究框架 ,
以利用多种学科产生的数据流和过程认识。
(3)设计新的方法和框架来耦合碳循环的生物
物理和人文因素。
(4)确定当前碳循环研究成果存在的缺陷并寻
求补充的措施。
(5)协调多个国家和地区的碳计划 ,并把它们
结合到全球碳循环研究中。
预计经过 l0年时间的规划,GCP计划将取得以
下成果 :
(1)在从全球到区域的空间尺度上,提高有关
碳源/汇的存在模式、机制和未来预测的认识。
(2)从一系列相关模 型中,发展建立一个由生
物物理和人文因素联合控制的碳循环系统框架。
(3)加强从事碳循环研究 、监测和评估工作的
机构间的协作,提高针对碳循环变化趋势的快速评
价和响应的能力。
3.2 北美碳计划
北美碳计划(NACP) 是一项致力于测量和认
识北美以及邻近大洋中 CO 、CH 和 CO的源、汇的
碳循环研究计划。它是美 国部门间碳循环科学计划
(Interagency Carbon Cycle Science Program)的组 成
部分 ,是 AmeriFlux网络的扩展 ,也是美 国气候变化
研究规划的成果之一。
NACP将为减少全球碳循环研究中存在的不确
定性提供急需的科学信息,为制订有效的高效率政
策铺平道路。NACP的研究重点在北美及其相邻的
大洋地区,如此设置主要是出于以下几方面的考虑 :
(1)有关北美对整个北半球碳汇贡献大小的认
识还存在很大的不确定性。
(2)北美是重要的化石燃料气体排放区。
(3)部分设施已安放就位并已开始研究控制北
美碳源与汇的机理。
(4)大陆尺度是综合研究碳循环的最小尺度,
在北美实施碳计划将使其研究所获取的信息在全球
框架下得到分析。
NACP将加强有助于技术与政策开发的基础和
应用研究,加强联邦各部门之间以及联邦政府、大学
和私营部门之间的协调合作,加强国际合作,不断发
维普资讯 http://www.cqvip.com
第 6期 曲建升等 :全球变化科学中的碳循环研究进展与趋 向 985
展并改进技术 ,为包括碳循环在内的政策制定提供
有力的科学支持。该项 目预计将运作 5~10年 ,具
体分 3个阶段进行 :
(1)2002--2004年,开发新 的基础设施 ,提高
初步的模拟能力。
(2)2~5--2007年 ,检 验并实施 新 的观测 网
络,加强野外观测和过程研究 。
(3)2008年后 ,实施运作阶段。建设完成最优
化的网络,初步具备了模型一数据结合的能力 ,将定
期提供北美及其相邻大洋 的 CO 、CH 和 CO的净
源与汇的可靠评估数据。
预计在 2005年,NACP将完成第一批有价值 的
数据产品与评价结果 ,这些成果将为未来的政策制
订提供信息,以减少 CO 和 CH 的净排放 ,并通过
碳管理活动加强碳的固定。
4 结 话
世界范围内的碳循环研究已经进入一个快速发
展时期 ,相信不久的将来人类将能够深人揭示碳循
环机理 ,确定温室气体源汇强度 ,并为全球的碳减排
行动提供有效的理论和技术支持。在今后一段时期
内,以下领域仍将是研究的重点 :
(1)碳源与碳汇之间的碳交换条件和影响因
素,加强研究在外部条件变化的情况下 ,碳源与汇之
间的传输方向和通量 的变化。
(2)新的源汇发现及其强度研究 ,加强对人类
活动的深入揭示和全球碳循环与新构造运动关系的
研究 。
(3)陆地生态系统对全球碳循环的响应情况的
研究有待进一步深人,尤其需加强土地利用与覆盖变
化对陆地表层碳库和碳通量的影响及其反馈的研究。
(4)在全球增温的情况下 ,海洋环流和海洋生
物地球化学过程的气候反馈 、陆地生态系统 和陆地
水文系统的气候反馈的研究。
(5)人为汇的研究与固碳技术 的开发。
(6)人类生活饮食习惯、人 口状况等的变化对
全球碳循环的影响及其反馈研究。
(7)进一步明确碳循环研究中源汇作用的尺度
问题,加强对大陆和海洋 中碳循环 的全球尺度和长
时间跨度的研究。
参考文献(References):
[1] Ziumg Zhiqiang,Sun Chengquan.Advances of the Global Change
Studies in the past 10 yea [J].Chinese Science Bulletin,1999。
44(5):464_477.[张志强 ,孙成权.全球变化研究十年新进展
[J].科学通报,1999,44(5):464-477.]
[2] Prinn RG. 1nteractional atmosphere:Global atmospheric bio-
sphere chemistry[J].AMB10一A Journal of the Human Environ.
ment,1994,23(1):50-59.[Prinn R G.相互作用着 的大气 :全
球大气生物圈化学[J].AMB10人类环境杂志,1994,23(1):
50-59.]
[3] Keeling C D,WhorfT P,Wahlen M,et a1.1nterannual extremes in
the rate of atmospheric carbon dioxide since 1980[J].Nature,
1995,375:666~70.
[4] Siegenthaler U,Sarmiento J1.Atmospheric carbon dioxide and the
ocean[J].Nature,1993,365:l19—125.
[5] Jin Xin,Shi Guangyu.A simulation of CO2 uptake in a three di—
mensional ocean carbon cycle model[J].Acta Meteorologica Sini—
ca,2000,58(1):4048.[金心 ,石广玉.海洋对人为 co2吸收
的三维模式研究[J].气象学报,20O0,58(1):40-48.]
[6] Ding Yihui,Geng Quanzhen.Atmosphere,Ocean,Human Acfivi·
ty and Global Warming[J].Meteorology Monthly,1998,24(3):
l2.17.[丁一汇,耿全 震.大气、海洋 、人类 活动与气 候变 暖
[J].气象,1998,24(3):l2.17.]
[7] Houghton J.Global Warming[M].Dai Xiaosu,Shi Guangyu,
Dong Min, al,translate.Beijing:Meteorology Press,1998.
[Houghton J.全球变暖[M].戴晓苏 。石广玉,董敏 ,等译.北
京 :气象出版社 ,1998.]
[8] Shuttleworth W J.The chanlenges of developing a changing world
[J].EOS,1996,77(36):347.
[9] Heimann M.Review of the current舭 al~rbon cycle and the
prediction given by Arrhenius and Hoghum[J].AMB10一A Jonr-
hal oftheHuman Environment,1997,26(1):l7-24.[Heimann
M.当代全球碳循环和 100年前 A_rrhenius与 Hoghum 的预见
的回顾[J].AMB10人类环境杂志,1997,26(1):l7.24.]
[10] 1PCC.Climate Change 2001:the Scientific Basis[R].Corn·
bridge,Nevo/ork:Combridge University Press,2001.
[11] XingRunan.Athree-dimensionalworld ocean carbon cyclemod·
elwith ocean biota[J].Journal ofAtmosphericSciences,2000,24
(3):333-340.[邢如楠.带生物泵 三维全球海洋循 环碳循环
模式[J].大气科学,200O,24 (3):333-340.]
[12] YangPingyou.Cause oftheincreasing concentration oftheGHGs
anditsimpactstothe clima~[J].Honan Weather,2000,(2):
l9.[杨平有.温室气体浓度增加 的原 因及 对气候 的影 响
[J].河南气象 ,2000,(2):19.]
[13] Guo Liping,Lin Erda.Research advances on mitigating 0ot~a
wsnnand greenhouse gas seqIIe8 on[J].Advance in Earth
Sciences,1999,14(4):384-390.[郭李萍,林而达.减缓全球
变暖与温室气体吸收汇研究进展[J].地球科学进展 ,1999,
14(4):384-390.]
【14] Zhu Yuenian ,Wu Xinnian.Geaogical Study of cd瑚 Dioxide
[M]. ou:l∞ l University Press,1994.1.13.[朱岳年,
吴新年.二氧化碳地质研究 [M].兰州 :兰州大学 出版社,
1994.1·l3.]
[15] RuddimanW F,PrellW L.Introduction tothe uplift-climate COn.
nection[A].In:Ruddiman W F,ed.Tectonic Uplift and Cli.
维普资讯 http://www.cqvip.com
986 地球科学进展 第 18卷
mate Change[c].New York:Plenum Press,1997.471-509.
[16] Qin Jianhua,Pan Guitang,Du Gu.The effects of Cenozoic tec—
tonic uplift on earth surface chemical weathering an d global cli·
mate change[J].Earth Science Frontiers,2000,7(2):517—
524_[秦建华,潘桂棠,杜谷.新生代构造抬升对地表化学风
化和全球气候变化的影响[J].地学前缘 ,2000,7(2):517—
524.]
[17] Blum JD.The effectoflate Cenozoic glaciationandtectonic up—
lift on silicate weathering rates and the nlanne 87Sr/86Sr record
[A].In:Ruddiman W F,ed.Tectonic Uplift and Climate
Change[c].New York:Plenum Press,1997.260-286.
[18] Bluth G J S,Kump L R.Lithologic and climatalogic controls of
river chemistry[J].Geochimet Cosmo Acts,1994,58:2 341—
2 355.
[19] Yuan Daoxian.Karat Science in China[M].Beijing:Geology
Pres8,1993.[袁道先.中国岩溶学 [M].北 京:地质 出版社 ,
1993.]
[20] Yuan Daoxian.Progressinthe study on karst processesand car-
bon cycle[J].Advance in Earth Sciences,1999,14(5):425—
431_[袁道先.“岩溶作用与碳循环”研究进展[J].地球科学
进展 ,1999,14(5):425-431.]
[21] uu Zaihua,Yuan Daoxian,He shiyi,拼a/.Contribution of car-
bonate rock weathering to the atmospheric CO2 sink[A].Pro-
ceedings of the 28th IAH Conference[c].hs Vegas,USA,
1998. 187.193.
[22] uu Zaihua,Dreghroat W.Dissolution kinetics ofcalcium carbon—
atemineralsinH2O—CO2 solutionsinturbulentflew :the role of
the diffusion boundaD" r and the slow reaction H2O+CO2=
H +HCOf[J].C~ochimca et Cosmochimica Acm,1997,61
(14):2 879-2 889.
[23] Jiang Zhongcheng,Yuan Daoxian. CO2 source—sink in karst
processes in karst aIeasofChina[J].Episodes,1999,22(1):
33-35.
[24 ] Yuan Danxian.The carbon cyclein karst[J].zGeomorph N F,
1997,(Suppl·Bd 108):91·102.
[25] Xu Shengyou,Jiang Zhongcheng.Primary estimate ofthe rela.
tionship between the action of karst an d the atmospheric CO2
source/sink in China [J].Chinese Science Bulletin,1997,42
(9):953-956.[徐胜友,蒋忠诚.我国岩溶作用与大气温室气
体 CO2源汇关系的初步估 算 [J].科学通报 ,1997,42(9):
953-956.]
[26] CaoYuqing,Hu Kuanroug,ZhangYongxiang.Hydrological Ge-
ology ofthe Karst Chemical Environment[M].Changehun:Press
of Jilin University,1994.[曹玉清,胡宽珞 ,张永祥.岩溶化学
环境水文地质学[M].长春:吉林大学出版社 ,1994.]
[27] uu Mingzhu,zhalIgYongxiang,ChengHoughan.The studies on
c~bon cycleinDiaoshuihu karregionsofJilinProvince[J].1(a戚
ofChina,18(2):129·134.[刘明柱 ,张永祥 ,陈鸿汉.吉林省
吊水壶岩溶 区碳循环研究[J].中国岩溶,18(2):129.134.]
[28] CaoMinglmi。Li Kerang.Perspective onterrestrialecosystem-cli—
mate interaction[J].Advance in Earth Sciences,2000,15:446—
452.[曹明奎,李克让.陆地生态系统 与气候相互作用的研
究进展 [J].地球科学进展 ,20OO,15(4):446— 2.]
[29] WBGU.WBGU Special Report:The Accounting of Biological
Sinks and Sources Under the Kyoto Protocol[R].1998.
[30] LudwigW,Probst J L,Kempo S.Predi~ingthe oceanicinputof
ors~ic carbon by continental erosion[J].Global Biogecchemis·
try Cycle,1996,10(1):23-41.
[31] Keme S.Sinks oftheanthropogenicaUy enhanced cal~on cyclein
surface freshwaters[J].JGeophys Res,1984,89(D3):4 657·
4 676.
[32] Gao QuIHlghou,Shen Chengde.Revering carbon flux and conti·
nenta]erosion[J].Advance in Earth Sciences,1998,13(4):
369.375.[高全洲,沈承德.河流碳通量与陆地侵蚀研究[J].
地球科学进展,1998,13(4):369.375.]
[33] Sundquist E T.Budgets of gld~a carb0ll dioxide[J].Science,
1993,259:934-940.
[34] Toggweiler J R.Anthropogenic C02:The natural carbon cycle Te.
claims[J].Reviews of Geophysics,1995,(Supp):1 249—
1 252.
[35] Keeling c D,Piper S c,Heimann M.A three dimensional modd
of atmospheric CO2 transport based on observed wi nds.IV:Mean
annual gradientsandinterannual variations[A].In:Petersen D
H.ed.Aspectof Clima teVariability inthe Pac ificandtheWest—
emAmerican[c].Washington c:Geophys Monogr 55 AGU,
1989.305-363.
[36] Azam F,Fenchel T,Gray J G,d a/.The ecologlcal role ofwater-
column microbes in the$ea[J].Mar Ecol PIDg Ser,1983,10:
257.
[37] Caise P,Tmas P P,Troller M.Ala謦 northem hemisphereter-
ristrial CO2 sink indicated by the ’c/ c ratio of atmospheric
CO2[J].Science,1995,269:1 098.1 101.
[38] Prentice K c,FungI Y.The sensitivity ofterristrial carbon ster-
ageto climate change[J].Nature,1990,346:48-50.
[39] JiaGuedong,Duang Guangjie,Zhong Zuosheng.Groundwater“.
ploitation:an impmaat CO2 80lIlce[J].Earth Science---Journal
ofChina University of~ ienees,2002,27(2):153—156.[贾
国东,段光杰 ,钟佐集.地下水开采——重要 的 CO2捧放源
[J].地 球科学——中 国地质 大学 学报 ,2002,27(2):153—
156.]
[40] Houghton R A.Chi cs in storage of terrestrial carbon sinee
1859[A].In: R,Kimbkle J,Leine E,et al eds.Soil and
Global Change[c].Boca Baton:CRC Press,1995.45-65.
[41] Davidson E A,Ackennann I L.Changes in soil c~bon invento-
ties following cultivation ofpreviously untilled soils[J].Biogeo-
chemi stry,1993,20:161-193.
[42] Sauerbeck D.Temprature Agricultural Systems[z].IPCC Update
WgII AFOS Section 2。1992.
[43] Houghton JT,MeiraF LG,CallanderBA,拼a/.ClimateChang
1995:The IPCC Scientific Assessment[R].New York:Cam.
d铲 University Press,1996.
[44] IPCC.IPCC Reporton landUse,land-use Change,andforestry
(SRLULUCF)[R].http://www. ne/dimate/ipce/land_
use/.2OOO.
维普资讯 http://www.cqvip.com
第 6期 曲建升等 :全球变化科学 中的碳循环研究进展与趋向 987
[45]
[46]
Hibbard K,Raupach M,Canade~J.The global carbon pr0ject:
finking the biophysical and human components of the~rbon cycle
[J].Global Change Newsletter,2002,No50,39-41.
woflsy S C,Harriss R C.The North American Carbon Program,
Report of the NACP Committee of the U.S.1ntemgency Carbon
Cycle Science Program[R].Washington,DC:US Global Change
Research Program.2002.
TRENDS AND ADVANCES oF THE GLoBAL
CHANGE STUDIES oN CARBoN CYCLE
QU Jian—sheng,SUN Cheng—quan,ZHANG Zhi—qiang,GAO Feng
(The Scientific Information Centerfor Resources and Environment,CAS,Lanzhou 730000,China)
Abstract:Global carbon cycle is one of the main factors that influence the global environment system.Espe—
cially,it effects the Earth climate and the atmospheric temperature,ete.Since the Industrial Revolution,more Car—
bo n dioxide has been discharged into the atmosphere which leads hi gh atmospheric temperature.Till today,the
content of the carbo n dioxide in atmosphere is Increasing stil1.Under the framework of UNFCCC an d the Kyoto Pro—
toeol,more an d more countries have paid attention to the problem of carbo n