碳循环与全球变化

全球变化研究进展和趋势

一、概述

全球变化研究，作为一个跨学科的研究领域，涵盖了地球系统科学的多个方面，包括气候变化、生物多样性变化、土地利用覆盖变化、海平面上升等。这些变化在全球范围内发生，对人类社会和自然环境产生深远影响。近年来，随着科学技术的进步和全球变化问题的日益突出，全球变化研究取得了显著进展，对理解地球系统的运行机制、预测未来变化趋势以及制定应对策略具有重要意义。

在气候变化方面，全球变暖已经成为不争的事实。科学家们通过观测数据和模型模拟，揭示了温室气体排放对全球气候系统的影响，预测了未来气候变化的可能趋势。同时，极端气候事件的频发和加剧也对人类社会和生态系统造成了严重挑战。减缓气候变化和适应极端气候事件成为全球变化研究的重点之一。

生物多样性变化方面，人类活动对自然生态系统造成了严重破坏，导致物种灭绝速度加快、生态系统功能退化等问题。全球变化研究通过监测生物多样性的动态变化，评估人类活动对生物多样性的影响，提出保护生物多样性的有效措施。

土地利用覆盖变化是全球变化的重要组成部分。随着城市化进程的加速和人口增长，土地利用覆盖变化对全球生态系统服务功能和碳循环等产生了重要影响。全球变化研究通过遥感技术和地面观测等手段，监测土地利用覆盖变化的动态过程，评估其对全球变化的影响。

海平面上升是全球变化研究的另一个重要方面。海洋热膨胀和冰川融化等因素导致海平面不断上升，对沿海地区的社会经济系统和生态系统造成威胁。全球变化研究通过监测海平面上升的速度和趋势，预测未来海平面上升的可能情景，为沿海地区应对海平面上升提供科学依据。

总体而言，全球变化研究在多个方面取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。未来，随着科学技术的不断进步和全球变化问题的日益严重，全球变化研究将继续深入发展，为人类社会和自然环境的可持续发展提供有力支撑。

1. 全球变化定义与背景

全球变化，作为一个跨学科的研究领域，主要关注地球系统各个组成部分（包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈以及人类圈）在长时间尺度下的相互作用及其引发的全球尺度的环境变化。其定义并不仅限于气候变化，而是涵盖了由人类活动和自然过程共同驱动的地球系统所有生物物理变化。这些变化包括但不限于全球气候变暖、温室气体浓度的增加、空气污染的加剧、海平面的上升、淡水污染面积的扩大、地表形态的变化、冰川的退缩、极地冰的融化、雪盖面积的减小、物种灭绝、植被退化和水土流失等。

全球变化课程论文2011 李镜尧

碳循环与全球气候变暖研究综述

李镜尧*

(华东师范大学资源与环境科学学院地理系，上海 200062）

摘 要：九十年代以来，大量观测和研究表明全球气候逐渐变暖，并同时导致其他一系列的全球变化问题。CO2作为主要的温室气体之一，越来越受到人们的重视，碳循环也成为了国际全球变化研究的重要主题。笔者总结了当前国际上有关碳循环与全球气候变暖研究的主要内容和研究方法.主要包括：（1)人类活动对碳排放的影响;(2）森林生态系统的碳循环与管理；（3)河流碳循环对全球变化的影响；（4）土壤呼吸作用和全球碳循环。在总结了碳循环与全球气候变化研究动态的同时,提出了今后研究中应该重视的问题。

关键词:碳循环；全球变化；人类活动

0 引言

气候变暖近年来一直是全球变化领域研究热点和国际环境谈判的焦点[1].IPCC第四次评估报告表明：1906～2005年，地表平均温度已经上升了0。74℃［2]；世界气象组织评估认为，2010年为全球有记录以来最热年份，比1961～1990年间平均气温高了0。53℃，中国2010年平均气温较常年偏高0.7℃，是 1961年以来第十个最暖年，也是第十四个连续气温偏高年[3]。全球气候变暖的主要原因有人为因素也有自然因素，虽然究竟哪类因素起主导作用任然存在争议，但这不属于本文讨论范围，笔者认为人类活动与温室效应的影响是导致气候变暖的主要原因.

地球温室效应是由于人类在长期生产和生活叶，不断向大气层大量排放各种各样有害气体而造成的.在这些有害气体中，最主要的是二氧化碳。此外，还有氟、氯化碳、臭氧、甲烷、氢氧化物、氯化物等40多种微量气体。二氧化碳等有害气体不能吸收太阳短波辐射，而让太阳热辐射顺利通过大气层到达地而,而且它们能够吸收大部分地面长波辐射，而使地面辐射热无法散发到外层间去，像温室的作用一样,从而导致地面和低层大气温度逐渐升高［4］.这就是地球温室效应.因气温效应的气体称为温室效应气体。

生物地球化学循环研究的进展和挑战

地球上的生命和非生命互为依存，构成了一个复杂而有机的系统。而生物地球化学循环则是这个系统的一个重要组成部分。它描述的是生物、大气、水、土壤和岩石相互作用的全球循环过程。近年来，随着对环境和生态问题的关注不断提升，在这个领域的研究也愈加深入。本文将探讨一下生物地球化学循环研究的进展和挑战，分别从以下几个方面进行讨论。

一、碳循环

碳在地球上的存在十分广泛，它是构成生物体的重要组成部分，同时也是各种矿物和燃料的主要成分。碳循环涉及到了大气、海洋、陆地和生物圈之间的相互作用。近年来，全球变暖问题引起了广泛的关注，它使得碳循环的研究成为了一个热点。

目前，学者们已经能够精确地预测碳在陆地和海洋之间的交换，并且发现了碳在地球系统中的更细致的变化。然而，在全球变暖的背景下，碳循环存在着很多未解之谜，例如，从植物到土壤中有多少碳被封存？海洋中的碳同化固定到了哪个深度？碳的源和汇分别是什么？

二、氮循环

氮是生命活动必不可少的元素之一，它在全球循环系统中也起着至关重要的作用。氮循环描述的是氮在地球上不同媒介之间的交换过程，包括其在大气、水、土壤和植物体内的变化。

目前，学者们已经能够证实氮与全球变化之间存在很紧密的联系，但是氮循环的生态效应仍然令人疑惑。例如，人类对氮循环的过度干预是否会带来大气的污染和生态系统的崩溃？氮对海洋的影响是否和温室效应有关？这些都是需要进一步研究的问题。

三、磷循环

磷是生命体必不可少的元素，它在生物体内发挥着重要的功能。磷还是大气、水体和土壤等多种介质中含量较低的元素。磷循环描述的是磷在自然界中的分布和运动。

由于磷在生命体内具有重要的生理功能，西方在农业、工业以及生活中经常大量使用化肥、肥料和清洗剂等含有磷元素的物质，导致磷污染问题越来越严重。尽管人们已经开始对磷的固定和转移进行研究，但是磷的生物地球化学循环还有很多未知之处等待学者们的探索。

摘要：在地球系统中,海洋、大气和陆地以及其中的生命与非生命部分都存在着相互联系。人类正在以各种方式根本性地改变着地球的各种系统和循环。一个崭新的地质时代"人类世"不期而至。碳循环是一个极其复杂的地球化学循环过程,包括碳元素在各个储库的贮存和在不同储库之间的流通。不同时间尺度的碳的自然循环都保持着动态平衡状态。人类活动触动了这种平衡机制,成为当前全球碳循环变化的主要驱动因子。

关键词：人类活动；碳循环；全球碳循环；

引 言

自工业革命以来，人类活动使得大气中CO2浓度一直在持续增加。可以预见在未来相当长的时间内，大气CO2浓度还会不断增加。IPCC在2001年发布了第三次评估报告。该报告指出，在过去的42万年中，大气CO2浓度从未超过目前的大气CO2浓度，在20世纪中大气CO2浓度的增加是前所未有的。估计到21世纪中叶，大气中CO2将比工业革命前增加1倍。大气CO2浓度的增加对全球变化的影响已引起了广泛的注意，该报告指出，工业革命以来的全球气温已增加了约0.6℃，这主要是由于大气中人为温室气体(如CO2、CH4、N2O、CFCs)浓度增加所致，其中CO2的作用居首位。初步预测，21世纪全球增暖将超过过去10 ka来自然的温度变化速率。

1、 全球碳循环概述

1.1 碳循环概述

1.1.1碳元素的分布———碳储库

从全球的角度讲,碳元素分布于地球各圈层若干主要的储库中(图1)。

（1）大气圈

大气中所含碳元素最少,主要是CO2、CH4和CO气体。CO2是最主要的温室气体,工业革命以来,人类活动使大气中CO2浓度持续增长,导致了全球气候变暖、海平面上升等后果。

图1 地表系统的碳储库

（2）水圈

通常大洋碳储库被分为表层和深层两个储库来研究。表层海水与大气圈存在活跃的交换,广阔的大洋水体中溶解了大量的CO2,浮游生物也会通过制造自身的骨骼壳体而将碳元素固定下来。表层碳储库较之深海储库储量较小,但它的重要性不容小觑,它不仅是海—气相互作用的主要场所,还是进入深海的通道。深海碳库得益于大洋表层水的“泵”作用:生物泵———海水表层溶解的CO2被浮游生物利用制造成有机质和碳酸钙质的骨骼,生物死亡后沉到海底进入海洋沉积,推出海洋和大气的碳循环;碳酸盐泵———表层海水对碳酸盐过饱和,不断地有碳酸盐矿物晶体形成,在沉入深海的过程中随着压力的升高和温度的降低逐渐溶解,至补偿深度(CCD)碳酸盐全部消失。