第 13 章 全球气候变化与森林生态系统碳循环

1. 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 13．1 温室气体与气候变化 13．2 全球碳循环及相关过程 13．3 森林生态系统碳循环 13．4 全球气候变化对森林生态系统的潜在影响

2. 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。 　

4. 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。

5. 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. 国家一级保护植物------红豆杉

9. 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。

10. Acid Rain Damages Forests

11. 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。 • 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。

12. 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。

13. 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.

15. 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。

17. 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。

19. 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。

20. 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。

21. 全球变化的热门话题 • 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 • 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

22. 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℃。

23. 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》。

26. 13.1.1 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。 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。

27. 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。

28. 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):

29. 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。 • 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。

30. 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：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．

31. 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。

32. 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。

34. 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 ：

35. 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。

37. 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Wood—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 。

38. 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。

39. 13.2.3 陆地生态系统碳库 • 陆地生态系统碳库（terrestrial ecosystem carbon pool）：生态系统以有机物质的形式暂时或永久性地贮存碳的功能称为生态系统的碳库功能，具有贮存碳功能的各生态系统的组分或类型都可以称为不同名称的碳库。 • 按植被类型划分：森林碳库（forest carbon pool)、农田碳库(agriculture carbon pool)、湿地碳库swamp carbon pool)、水体碳库(aquatic carbon pool)等； • 按生态系统的组分划分：土壤碳库(soil carbon pool)、植被碳库(vegetation carbon pool)、凋落物碳库(litter carbon pool)、近地大气碳库(near earth atmospheric carbon pool)等。

40. 陆地表层碳库是最复杂的碳库，受人类活动的影响最大 。 • 陆地碳库主要以三种形式存在：植物碳库、凋落物（残落物）碳库、土壤有机碳库（腐殖质）。 1、植物碳库：陆地表层生态系统中，包括森林、草地和农田等植被系统大约贮存了466Pg C的碳，约相当于大气中碳贮存量的62％。 2、土壤：土壤和腐殖质中碳的贮量更大，约为2 011Pg C，约为大气碳贮量的2.6倍。

41. 土壤(包括凋落物)碳库是陆地生态系统中最大的碳库，约为植被碳库的4.3倍。因此，土壤碳库在全球碳平衡中具有更重要的作用。土壤(包括凋落物)碳库是陆地生态系统中最大的碳库，约为植被碳库的4.3倍。因此，土壤碳库在全球碳平衡中具有更重要的作用。 • 土壤碳量=土类总面积×土壤平均深度×土壤平均密度×平均有机碳含量 • 陆地生态系统是一个土壤—植被—大气相互作用的复杂系统，其碳库容量的估算目前存在着相当大的不确定性，根据不同的估算方法得出的结果差距很大。 • 陆地生态系统碳库存在着明显的区域差异，并受植被、土壤类型与气候带的显著影响。

43. 陆地生态系统除上述三个活动性较强的碳库以外，还存在一个比较稳定的地质碳库（化石燃料煤、石油、天然气）。这部分碳较稳定，在自然状态下不参与各圈层间的碳循环。但随着人类开发利用化石燃料的量不断增加，使该碳库中的大量非活性碳不断燃烧后被排放到大气中，转换成大气中的CO2，参与了全球碳循环的过程。陆地生态系统除上述三个活动性较强的碳库以外，还存在一个比较稳定的地质碳库（化石燃料煤、石油、天然气）。这部分碳较稳定，在自然状态下不参与各圈层间的碳循环。但随着人类开发利用化石燃料的量不断增加，使该碳库中的大量非活性碳不断燃烧后被排放到大气中，转换成大气中的CO2，参与了全球碳循环的过程。 • 人类活动对陆地生态系统碳库的影响和干扰日趋严重，这正是当今和未来全球气候变暖的根源。

44. 13.2.4 土壤呼吸 13．2．4．1全球土壤呼吸速率 • 土壤呼吸：是指土壤释放CO2的过程，严格意义上讲是指未经扰动的土壤中产生CO2的所有代谢作用，包括三个生物学过程（植物的根系呼吸、土壤微生物呼吸、土壤动物的呼吸）和一个非生物学过程（含碳化合物的化学氧化作用）。它所释放出的CO2是生物圈向大气圈释放CO2的主要来源之一。 • 土壤呼吸速率：单位面积、单位时间内土壤CO2的净呼吸量。

45. 13．2．4．2影响土壤呼吸的因素 气候 （光、温、水） CO2 土壤环境 （土壤质地、微生物、有 机质、温度、湿度、pH值） 植物 （植被类型、覆盖度、 生长发育、光合产物分 配、凋落物） 人为活动 （土地利用方式、耕 翻、施肥、灌溉）

46. 13．3 森林生态系统碳循环 一、森林在全球碳循环中的作用 （1）森林光合和呼吸作用与大气之间的年碳交换量高达陆地生态系统总量的90%，控制着全球陆地碳循环的动态。 （2）与其他植被系统比较，森林生态系统具有较高的碳贮存密度。 （3）森林植被具有较强的生存持续性以及结构和功能的稳定性，在生物地球化学循环中起着重要的调节作用，它与海洋是大气中CO2的两个重要的调节器。

47. 二、森林生态系统碳循环的基本过程 外界环境因子 树种遗传特性 大 气 碳 库 叶面积指数 光合作用 总初级生产力 呼吸作用 净初级生产力 碳分配 叶生物量茎和枝生物量根生物量 人为、动物干扰 土攘呼吸 凋落物 异 养 腐 殖 活性土壤有机碳 惰性土壤有机碳

48. 三、全球森林碳库和碳通量 • 全球植被共贮存4 660×108t碳，在地表1m厚土壤中贮存20 110×108t碳，大约是植被贮存的4.3倍。在全球植被中，面积占28％的森林约蓄积了77％的碳，其中又以低纬度热带森林贮存最多，而在土壤碳库中，近一半贮存在北方、温带森林及温带草地土壤中。

49. 碳通量（Carbon flux）：指单位时间通过一定面积输送的CO2气体物理量的速度；单位为Pg·a-1。 • 碳通量密度（flux density）：指单位时间通过单位面积界面输送的CO2气体物理量；单位为mg·m-2·h-1。 • 碳通量观测法是全球碳循环的一个主要的研究方法，但在对不同类型的森林生态系统碳通量的估算中尚有很多不确定因素。

50. 碳通量的研究方法 1、箱式法：包括静态箱式法和动态箱式法； 2、微气象法：通过测量近地面层的湍流状况和被测气体的浓度变化计算被测气体通量的方法，主要包括涡相关法、能量平衡法、空气动力学法和质量平衡法； 3、化学法：通过化学反应对CO2的吸收进行间接测定CO2通量的方法，如碱液吸收法。