生物地球化学循环讲义

1、1Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月生物地球化学循环与全球变化生物地球化学循环与全球变化延延 晓晓 冬冬中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室东亚区域气候环境重点实验室中国科学院气候变化研究中心中国科学院气候变化研究中心Tel: 82995136 Fax: 8299

2、5133Tel: 82995136 Fax: 82995133Email: Email: 2Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月要求掌握的内容要求掌握的内容1 什么是生物地球化学循环（什么是生物地球化学循环（What） 2 研究生物地球化学循环的重要性（研究生物地球化学循环的重要性（Why)3 生物地球

3、化学循环的驱动力（生物地球化学循环的驱动力（Who）4 生物地球化学循环的主要研究方法和特点生物地球化学循环的主要研究方法和特点(hoW)5 常见的生物地球化学循环常见的生物地球化学循环 (World focused BGC)6 碳循环问题（碳循环问题（Global Warming problem BGC）“迷失的碳汇迷失的碳汇”生物圈在全球碳循环中的作用生物圈在全球碳循环中的作用海洋在全球碳循环中的作用海洋在全球碳循环中的作用京都议定书京都议定书3Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Bio

4、geochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月内容内容2 研究生物地球化学循环的重要性（研究生物地球化学循环的重要性（Why)3 生物地球化学循环的驱动力（生物地球化学循环的驱动力（Who）4 生物地球化学循环的主要研究方法和特点生物地球化学循环的主要研究方法和特点(hoW)5 常见的生物地球化学循环常见的生物地球化学循环 (World focused BGC)6 碳循环问题（碳循环问题（Global Warming problem BGC）4Temper

5、ate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月什么是生物地球化学循环？什么是生物地球化学循环？什么是地球系统什么是地球系统 大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈和人类构成的相互作用着的系统大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈和人类构成的相互作用着的系统 地球系统是封闭系统（为什么？），但非孤立系统（为什么？）地球系统是封闭系

6、统（为什么？），但非孤立系统（为什么？）什么是封闭系统什么是封闭系统 与外界没有物质交换（或净交换为零）的系统与外界没有物质交换（或净交换为零）的系统 只有在封闭系统中才能讨论物质循环问题只有在封闭系统中才能讨论物质循环问题什么是孤立系统什么是孤立系统 与外界既无物质交换又无能量交换的系统与外界既无物质交换又无能量交换的系统什么是生物地球化学循环什么是生物地球化学循环 物质在地球系统中在各圈层中互相传输或转化，使物质物质在地球系统中在各圈层中互相传输或转化，使物质总量不变的过程之和总量不变的过程之和5大气圈大气圈光合作用光合作用太阳辐射输入太阳辐射输入植物植物藻类藻类自养细菌自养细菌化石燃料化

7、石燃料岩石圈岩石圈土壤圈土壤圈风搬运风搬运风输、沉降、排放风输、沉降、排放6氮气氮气氧气氧气水汽水汽氩气氩气二氧化碳二氧化碳氖气氖气氦气氦气甲烷甲烷氪气氪气氢气氢气氧化亚氮氧化亚氮一氧化碳一氧化碳二氧化硫二氧化硫臭氧臭氧氙气氙气氮氧化物氮氧化物物种物种体积丰度体积丰度来源来源数量特征数量特征大气化学组成大气化学组成大气圈大气圈岩土岩土生物圈生物圈河海河海7ElementMass of elementin a 70-kg personVolume ofpurified elementoxygen43 kg37 L33.5 cmcarbon16 kg7.08 L碳：22hydrogen7 kg98

8、.6 L46.2 cmnitrogen1.8 kg2.05 L12.7 cmcalcium1.0 kg645 mL8.64 cmphosphorus 780 g429 mL7.54 cmpotassium140 g162 mL5.46 cmsulfur140 g67.6 mL4.07 cmsodium100 g103 mL4.69 cmchlorine95 g63 mL3.98 cmmagnesium 19 g10.9 mL2.22 cmiron4.2 g0.53 mL8.1 mmfluorine2.6 g1.72 mL1.20 cmzinc2.3 g0.32 mL6.9 mmsilicon1

9、.0 g0.43 mL7.5 mmElement70-kg 动物或人动物或人体中元素含量体中元素含量Volume ofpurified elementoxygen43 kg37 Lcarbon16 kg7.08 Lhydrogen7 kg98.6 L46.2 cmnitrogen1.8 kg2.05 L12.7 cmcalcium1.0 kg645 mL8.64 cmphosphorus 780 g429 mL7.54 cmpotassium140 g162 mL5.46 cmsulfur140 g67.6 mL4.07 cmsodium100 g103 mL4.69 cmchlorine95

10、 g63 mL3.98 cmmagnesium 19 g10.9 mL2.22 cmiron4.2 g0.53 mL8.1 mmfluorine2.6 g1.72 mL1.20 cmzinc2.3 g0.32 mL6.9 mmsilicon1.0 g0.43 mL7.5 mm重量百分率重量百分率氧：氧：61碳：碳：21.8%氢：氢：10%氮氮: 2.6%钙：钙：1.4%磷：磷：1.1%钾：钾：0.2%硫：硫：0.2%钠：钠：0.14%氯：氯：0.13%镁：镁：0.03%铁：铁：0.006%氟：氟：0.004%锌：锌：0.003%硅：硅：0.001%人体中元素含量人体中元素含量70-kg 动物或

11、动物或人体中元素含量人体中元素含量大气圈大气圈河海河海岩土岩土生物圈生物圈8 中国植物器官中元素含量中国植物器官中元素含量（常绿阔叶林）（常绿阔叶林）大气圈大气圈河海河海岩土岩土生物圈生物圈9 常量元素常量元素 (gkg)微量元素微量元素 (mgkg)NPKCaMgFeNaZnMnCrTiCuPbBaSr乔木层乔木层湿地松湿地松7.660.292.012.830.760.4117.317.72462.112.035.241.0312.93.53马尾松马尾松10.10.432.493.780.790.1922.322.66452.062.827.041.7324.911.7草本层草本层湿地松湿地

12、松12.40.974.802.331.132.1949.134.91992.6725.519.75.0624.25.13马尾松马尾松15.30.434.942.651.544.0457.857.06655.5863.919.812.137.68.79土壤层土壤层湿地松湿地松5.400.1822.52.3110.442.777.487.441395.2485127.737.8123061.3马尾松马尾松7.360.2021.70.569.9053.181.833.024298.0557136.944.3125652.4中国植物器官中元素含量中国植物器官中元素含量（人工常绿针叶林）（人工常绿针叶林

13、）大气圈大气圈河海河海岩土岩土生物圈生物圈10地壳中的元素丰度地壳中的元素丰度元素元素重量百分率 Oxygen46.6 Silicon27.7 Aluminum8.1 Iron5.0 Calcium3.6 Sodium2.8 Potassium2.6 Magnesium2.1 All others1.5氧氧硅硅铝铝铁铁钙钙钠钠钾钾镁镁其它所有其它所有大气圈大气圈生物圈生物圈河海河海岩土岩土11全国土壤全国土壤( (A A层层* *) ) 化学组成化学组成( (g/kg )g/kg )元素元素均值均值标 准标 准差差元元素素均值均值标 准标 准差差元素元素均值均值标 准标 准差差元素元素均值均值

14、标 准标 准差差As As 11.2 11.2 7.86 7.86 K K 1.86 1.86 0.460.463 3 Ni Ni 26.9 26.9 14.314.36 6 Ge Ge 1.70 1.70 0.30 0.30 Cd Cd 0.090.097 7 0.070.079 9 A Ag g 0.130.132 2 0.090.098 8 Pb Pb 26.0 26.0 12.312.37 7 Sn Sn 2.60 2.60 1.54 1.54 Co Co 12.7 12.7 6.40 6.40 B Be e 1.95 1.95 0.730.731 1 Se Se 0.290.290

15、0 0.250.255 5 Sb Sb 1.21 1.21 0.670.676 6 Cr Cr 61.0 61.0 31.031.07 7 M Mg g 0.78 0.78 0.430.433 3 V V 82.4 82.4 32.632.68 8 Bi Bi 0.37 0.37 0.210.211 1 Cu Cu 22.6 22.6 11.411.41 1 C Ca a 1.54 1.54 1.631.633 3 Zn Zn 74.2 74.2 32.732.78 8 Mo Mo 2.0 2.0 2.54 2.54 F F 478 478 197.197.7 7 B Ba a 469 469

16、 134.134.7 7 Li Li 32.5 32.5 15.415.48 8 I I 3.76 3.76 4.444.443 3 Hg Hg 0.060.065 5 0.080.080 0 B B 47.8 47.8 32.532.55 5 Na Na 1.02 1.02 0.620.626 6 Fe Fe 2.94 2.94 0.980.984 4 大气圈大气圈生物圈生物圈河海河海岩土岩土12中国森林土壤背景中国森林土壤背景大气圈大气圈生物圈生物圈河海河海岩土岩土13 湖河名PNaKCaMgMnAlZnFeSi PbCu后海 0.1 46.47.0233.730.80.020.070.1

17、0.461.90前 海 0.24 45.97.2343.329.50.060.440.450.642.510.01北海 0.06 29.45.6330.624.30.020.410.210.50.730昆玉河 0.06 67.49.713829.900.010.020.010.56八一湖 2.62 70.914.431.633.60.0100.020.010.41玉渊潭 0.17 62.715.385.235.50.090.060.050.15140.2动物园 0.16 52.611.433.525.600.010.020.010.670.290北护城河 3.5488.4434229.80.0

18、80.060.060.233.130.15亮马河 6.8172.137.54926.80.010.030.030.0211.3朝阳公园 2.147634.524.833.70.08.0.380.320.4210.10.120.01柳荫公园 1.0544.715.732.735.20.070.40.241.173.250.01红领巾公园 2.4185.82849.740.70.070.110.420.2310150.04陶然亭 0.117812.418.127.40.010.10.160.14.90圆明园 0.0918.95.254422.80.110.140.560.832.970北京河湖中元

19、素含量（）北京河湖中元素含量（）大气圈大气圈生物圈生物圈岩土岩土河海河海14 氧(O) 857.0氢(H)108.0氯(CI) 19.0钠(Na) 10.00镁(Mg) 1.350硫(S)0.885钾(K) 0.380碳( C ) 0.028硅(Si) 0.003氮(N) 0.0005磷(P)0.00007铝 (Al) 0.00001海洋中主要元素含量（海洋中主要元素含量（g/kgg/kg）海水与生海水与生命中元素命中元素含量比较含量比较类似！类似！大气圈大气圈生物圈生物圈岩土岩土河海河海15 表3 不同区域大气沉降重金属年输入量 g/(hm2a) 区域 Hg Cd Pb 上兰（远郊区） 3.

20、17 4.30 279.53 小井峪（近郊区） 4.10 5.71 326.20 金胜（工矿区） 6.06 8.65 432.20 新城（北城区） 3.57 5.34 335.70 亲贤（南城区） 5.39 7.56 393.60 晋祠（风景区） 3.54 5.16 315.90 平均 4.48 5.79 347.19 大气沉降输入陆面大气沉降输入陆面大气圈大气圈生物圈生物圈河海河海岩土岩土16Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan

21、 Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月内容内容1 什么是生物地球化学循环（什么是生物地球化学循环（What） 3 生物地球化学循环的驱动力（生物地球化学循环的驱动力（Who）4 生物地球化学循环的主要研究方法和特点生物地球化学循环的主要研究方法和特点(hoW)5 常见的生物地球化学循环常见的生物地球化学循环 (World focused BGC)6 碳循环问题（碳循环问题（Global Warming problem BGC）17Temperate East AsiaRegional Center生物地

22、球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月为什么研究生物地球化学循环？为什么研究生物地球化学循环？许多物质及对于生命的存在和持续具有决定性的作用许多物质及对于生命的存在和持续具有决定性的作用决定生命能否存在决定生命能否存在决定生命存在的最大数量决定生命存在的最大数量不同物质的生物地球化学循环的特征差别巨大不同物质的生物地球化学循环的特征差别巨大与能量的单向流动不同，生物地球化学循环

23、使物质通与能量的单向流动不同，生物地球化学循环使物质通过生物圈过程重复使用过生物圈过程重复使用人类已经显著地改变了地球的生物地球化学循环人类已经显著地改变了地球的生物地球化学循环改变了通量改变了通量产生出新的物质转移路径产生出新的物质转移路径可能使某些储库储量改变量巨大可导致循环链断裂可能使某些储库储量改变量巨大可导致循环链断裂18Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究

24、所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月缓解和控制的机制和方法探索缓解和控制的机制和方法探索与生物地球化学与生物地球化学循环有关的主要循环有关的主要人类活动影响：人类活动影响：温室效应温室效应酸雨酸雨农药富集农药富集水生生态系统水生生态系统富营养化富营养化19 不同物质的生物地球化学循环特征差别巨大不同物质的生物地球化学循环特征差别巨大Chemical Atmosphere Oceans Biosphere Land (crust)SminorlargesmalllargeNlargeminorsmallmodestOsmallsmallminorlargeCmino

25、rsmallminorlarge20 酸酸沉沉降降 化化石石燃燃烧烧 湖湖泊泊 森森林林 地地下下水水 土土壤壤 酸沉降导致的生态和环境问题酸沉降导致的生态和环境问题人类健康人类健康生态退化生态退化水生生物产量水生生物产量和品质下降和品质下降森林草地森林草地生长衰退生长衰退21 家畜家禽 人体 土壤 肥料 污泥污染 大气沉降 灌水 其他 土壤动物 土 壤 微 生物 蔬菜 粮食作物 元素的生物地球化学循环对环境的影响元素的生物地球化学循环对环境的影响22Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Bi

26、ogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月碳的生物地球化学循环影响气候碳的生物地球化学循环影响气候工业革命改变了工业革命改变了的碳循环的碳循环工业革命改变碳工业革命改变碳循环原理：循环原理：大气中二氧化碳升大气中二氧化碳升高具有施肥效应高具有施肥效应大气中二氧化碳升大气中二氧化碳升高会加强温室效应，高会加强温室效应，通过温度升高影响通过温度升高影响碳循环碳循环balanced+气候变暖气候变暖23Temperate East AsiaRegional

27、 Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月内容内容1 什么是生物地球化学循环（什么是生物地球化学循环（What） 2 研究生物地球化学循环的重要性（研究生物地球化学循环的重要性（Why)4 生物地球化学循环的主要研究方法和特点生物地球化学循环的主要研究方法和特点(hoW)5 常见的生物地球化学循环常见的生物地球化学循环 (World focused BGC)6

28、碳循环问题（碳循环问题（Global Warming problem BGC）24Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月生物地球化学循环的驱动力生物地球化学循环的驱动力 太阳辐射：自然驱动力太阳辐射：自然驱动力太阳辐射太阳辐射光合作用光合作用生物圈生物圈 人类：另一驱动力人类：另一驱动力燃烧化石燃烧化石土

29、地利用改变土地利用改变矿物开发利用矿物开发利用25生态系统中的物生态系统中的物质和能量的循环质和能量的循环过程过程C, H20, P, N.生物地球化学循环的驱动力：太阳辐射生物地球化学循环的驱动力：太阳辐射26Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月内容内容1 什么是生物地球化学循环（什么是生物地球化学循

30、环（What） 2 研究生物地球化学循环的重要性（研究生物地球化学循环的重要性（Why)3 生物地球化学循环的驱动力（生物地球化学循环的驱动力（Who）5 常见的生物地球化学循环常见的生物地球化学循环 (World focused BGC)6 碳循环问题（碳循环问题（Global Warming problem BGC）27Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东

31、亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月生物地球化学循环的特点生物地球化学循环的特点 地球系统组成、格局、过程、复杂地球系统组成、格局、过程、复杂大气、土壤、水、生物、岩石大气、土壤、水、生物、岩石地理分布分异地理分布分异涉及物理、化学、生物和人文过程涉及物理、化学、生物和人文过程 地球系统过程时间尺度和演化过程多样地球系统过程时间尺度和演化过程多样地质运动（亿地质运动（亿十亿年）十亿年）生物演化（百万生物演化（百万千万年）千万年）人类进化（万人类进化（万十万年）十万年）生物、物理、化学过程（秒生物、物理、化学过程（秒万年）万年）人文过程（年人文过程（年千年）千年）28生物的

32、生物的非生物的非生物的有机的有机的动物动物自养生物（植物和细菌等）生物残体生物残体微生物微生物大气圈大气圈土壤土壤水水沉积物沉积物泥炭泥炭 媒媒石油等石油等岩石岩石无机的无机的易利用的易利用的难利用的难利用的同化、光合固定同化、光合固定,死亡死亡, ,呼吸呼吸, ,排泄排泄, ,淋洗淋洗侵蚀、燃烧侵蚀、燃烧高压地质过程高压地质过程沉积变岩石沉积变岩石抬升、侵蚀抬升、侵蚀风化风化29Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodo

33、ng中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月生物地球化学循环的主要研究方法生物地球化学循环的主要研究方法 调查和实验调查和实验 库量、通量库量、通量 过程机制过程机制 数学模型数学模型 库量库量 通量通量 周转时间和平均停留时间周转时间和平均停留时间 系统动态模型系统动态模型30储库储库库量库量M总输出总输出E总输入总输入I周转时间：周转时间：EM0平均停留时间：平均停留时间：0)( dttto库量变化速率：库量变化速率：EIdtdM312215511121XaXaXadtdX生物生物 X3土壤土壤 X2岩石岩石 X1大气

34、大气 X4海洋海洋 X5人为施加人为施加 通量通量 Io4423322252232211122XaXaXaXaXaXaIdtdXo3343322233XaXaXadtdX4453344424XaXaXadtdX4452251155XaXaXadtdX生物地球化学循环生物地球化学循环模型的一个例子模型的一个例子32132141168056. 0107143. 004. 0148056. 0002763. 05XXXXXdtdX生物生物 560Gt X3土壤土壤1500Gt X2大气大气650Gt X1海洋海洋37900 Gt X4 人为施加人为施加 通量通量 I=523204. 0107857.

35、 0XXdtdX3313107857. 0107143. 0168056. 0XXXdtdX144148056. 0002763. 0XXdtdX简单碳循环模型（演示）简单碳循环模型（演示）3334Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月内容内容1 什么是生物地球化学循环（什么是生物地球化学循环（What）

36、 2 研究生物地球化学循环的重要性（研究生物地球化学循环的重要性（Why)3 生物地球化学循环的驱动力（生物地球化学循环的驱动力（Who）4 生物地球化学循环的主要研究方法和特点生物地球化学循环的主要研究方法和特点(hoW)6 碳循环问题（碳循环问题（Global Warming problem BGC）35Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点

37、实验室气候环境重点实验室2010年年3月月水的生物地球化学循环水的生物地球化学循环太阳能驱动下的太阳能驱动下的水循环水循环人类活动改变水人类活动改变水循环原理：循环原理：不同植被具有不同植被具有不同的蒸腾率不同的蒸腾率不同陆面具有不同陆面具有不同的蒸发率不同的蒸发率363738Temperate East AsiaRegional CenterImpacts of Global ChangeIntroduction Global Change ScienceChapter 8延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环

38、境重点实验室2006年年2月月G1G;F1F;S1S; d1d;UU1;R1R降水P温度T草地蒸腾G森林蒸腾F土壤水分土壤蒸发S地下水U径流R降水P温度T人工植被蒸腾G1人工植被蒸腾F1土壤水分土壤蒸发S1地下水U1径流R1抽水o1入渗d入渗d1调水调水39Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月氮的生物地

39、球化学循环氮的生物地球化学循环人类活动干预的人类活动干预的局地循环为主，局地循环为主，但影响全球环境但影响全球环境的氮循环的氮循环人类活动改变氮人类活动改变氮循环原理：循环原理：农业施肥农业施肥工业排放引起工业排放引起的的大气氮沉的的大气氮沉降降4041氮循环：氧化和还原途径众多氮循环：氧化和还原途径众多 大气是最大的氮库：大气是最大的氮库： 79% 79% N N2 2 岩石和沉积中很少岩石和沉积中很少 海洋中缺乏海洋中缺乏 人类活动包括：合成氨和化肥施用人类活动包括：合成氨和化肥施用 生物学传输机制生物学传输机制最主要的最主要的N2N2还原为氨态氮的途径：固氮菌固氮还原为氨态氮的途径：固氮

40、菌固氮氨态氮被生物转化为有机氮：同化氨态氮被生物转化为有机氮：同化氨态氮氧化成硝态氮：硝化氨态氮氧化成硝态氮：硝化有机氮分解为氨态氮：氨化有机氮分解为氨态氮：氨化硝态氮还原为气态氮：反硝化硝态氮还原为气态氮：反硝化42Nitrates NO3Nitrites NO2Ammonia NH3Gaseous N2人类活动自然Water4344植被对氮循环起着重要的控制作用，植被对氮循环起着重要的控制作用，没有植被的地方氮将逐渐减少没有植被的地方氮将逐渐减少45Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to B

41、iogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月磷的生物地球化学循环磷的生物地球化学循环地质作用为主的地质作用为主的磷循环磷循环人类活动改变磷人类活动改变磷循环原理：循环原理：农业施肥农业施肥人类生活人类生活水生生态系统水生生态系统磷循环改变磷循环改变水体富营养化水体富营养化4647磷循环传输机制磷循环传输机制 最大储库：最大储库： 海洋沉积和陆地土壤海洋沉积和陆地土壤 主要传输机制主要传输机制：大陆抬升大陆抬升岩石风化岩石风化水中溶解水中溶解 生物同化

42、溶解磷酸盐生物同化溶解磷酸盐生物间传输生物间传输传输传输沉降沉降侵蚀侵蚀人类开发和农业施用人类开发和农业施用4849硫的生物地球化学循环硫的生物地球化学循环主要储库为岩石圈和沉积物人类活动影响剧烈通过陆气交换对环境施加影响生物循环过程复杂厌氧自养菌生长厌氧自养菌生长化能自养菌生长（能源多样）化能自养菌生长（能源多样）50深海化能自养（利用深海化能自养（利用H2S）5152535455Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaod

43、ong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月内容提要内容提要主要发生在海洋中主要发生在海洋中生物循环强烈生物循环强烈河流输入为主河流输入为主深海输出为主深海输出为主硅的生物地球化学循环硅的生物地球化学循环565758Temperate East AsiaRegional Center生物地球化学循环讲义生物地球化学循环讲义Introduction to Biogeochemical Cycles延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实

44、验室2010年年3月月内容内容1 什么是生物地球化学循环（什么是生物地球化学循环（What） 2 研究生物地球化学循环的重要性（研究生物地球化学循环的重要性（Why)3 生物地球化学循环的驱动力（生物地球化学循环的驱动力（Who）4 生物地球化学循环的主要研究方法和特点生物地球化学循环的主要研究方法和特点(hoW)5 常见的生物地球化学循环常见的生物地球化学循环 (World focused BGC)59Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Ya

45、n Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月内内 容容2 missing carbon sink3 陆地生态系统与全球碳循环陆地生态系统与全球碳循环4 海洋与全球碳循环海洋与全球碳循环5 环境因素与碳循环环境因素与碳循环6 全球碳循环模型全球碳循环模型7 京都议定书京都议定书8 中国的碳收支中国的碳收支9 未来全球碳循环展望未来全球碳循环展望60Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChap

46、ter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月61Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月年年大气中大气中CO2浓浓度度ppm大气中储大气中储C量量GtC累积排放量累积排放量GtC备注备注1800280

47、5940工业革命前工业革命前2000369782480当前包括其当前包括其它排放它排放差值差值89188292?62Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月岩石圈63Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global Cha

48、ngeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月1 碳通过大气圈，生物圈，土壤圈，岩石圈和水圈的碳通过大气圈，生物圈，土壤圈，岩石圈和水圈的变化和传输的总过程变化和传输的总过程2 碳的生物地球化学循环为大气中氧气的产生提供了碳的生物地球化学循环为大气中氧气的产生提供了必要条件必要条件3 碳在生物圈中存在的形式：有机物（碳在生物圈中存在的形式：有机物（OC)4 碳在水圈中存在的形式：碳在水圈中存在的形式：DIC,DOC,POC,OC5 碳在岩石圈中存在的形式碳在岩石圈中存

49、在的形式:OC(包括化石燃料），碳包括化石燃料），碳酸盐酸盐6 碳在土壤圈中存在形式：碳在土壤圈中存在形式：OC(活生物，死生物物质）活生物，死生物物质）7 碳在大气圈中存在形式：碳在大气圈中存在形式：CO2, CH4,CO64Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月内内 容容65Temperate East As

50、iaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月 Atmospheric increase = Emissions of Fossil fuels + Emissions of land use -Oceanic uptake 3.2(0.2) 6.3(0.4) 1.6(0.8) 1.7(0.5) 3.3(0.2) 5.5(0.5) 1.6(0.7) 2.

51、0(0.8) 1980s 1990s66Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月S Sc ch hi im me el lS Sc ch hi im me el l e et t a al l. . 2 20 00 01 1e et t a al l. . 2 20 00 01 1 : : 2 2. .8 8G G

52、t tC C/ /y yr r: : 2 2. .8 8G Gt tC C/ /y yr rNet fluxGtCyr-1Area(1012m2)Flux per of unit area (gCm-2yr-1)North America-0.820-40EURASIA-1.736-46Rest area-0.447-8Net fluxGtCyr-1Area(1012m2)Flux per of unit area (gCm-2yr-1)North America-0.820-40EURASIA-1.736-46Rest area-0.447-8Net fluxGtCyr-1Net fluxG

53、tCyr-1Area(1012m2)Area(1012m2)Flux per of unit area (gCm-2yr-1)Flux per of unit area (gCm-2yr-1)North AmericaNorth America-0.8-0.82020-40-40EURASIAEURASIA-1.7-1.73636-46-46Rest areaRest area-0.4-0.44747-8-867Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓

54、冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月内容提要内容提要1 温室效应与全球碳循环温室效应与全球碳循环2 missing carbon sink3 陆地生态系统与全球碳循环陆地生态系统与全球碳循环4 海洋与全球碳循环海洋与全球碳循环5 环境因素与碳循环环境因素与碳循环6 全球碳循环模型全球碳循环模型7 京都议定书京都议定书8 中国的碳收支中国的碳收支9 未来全球碳循环展望未来全球碳循环展望68Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Ca

55、rbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月69Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月1光合作用是光合作用是CO2从大气中进入生物圈的唯一途

56、径从大气中进入生物圈的唯一途径2生物圈中生物圈中CO2释放有释放有4种途径：呼吸，燃烧，凋落和人种途径：呼吸，燃烧，凋落和人类利用（包括土地利用变化）类利用（包括土地利用变化）3进入土壤中的碳有一种途径：凋落进入土壤中的碳有一种途径：凋落4土壤释放土壤释放CO2的途径只有一种：呼吸的途径只有一种：呼吸5生态系统中储藏着大量的碳，对其不适当利用或破坏生态系统中储藏着大量的碳，对其不适当利用或破坏可能导致其释放出大量的碳到大气中可能导致其释放出大量的碳到大气中6CH4和和CO量较少，对碳循环作用微小量较少，对碳循环作用微小7热带雨林中储藏着最大量的碳，由于对其破坏已释放热带雨林中储藏着最大量的碳，

57、由于对其破坏已释放出大量的出大量的CO28光合过程与环境温度湿度和光合过程与环境温度湿度和CO2浓度密切相关浓度密切相关9呼吸过程与环境温度和植被结构密切相关呼吸过程与环境温度和植被结构密切相关70Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月内容提要内容提要1 温室效应与全球碳循环温室效应与全球碳循环2 missing

58、 carbon sink3 陆地生态系统与全球碳循环陆地生态系统与全球碳循环4 海洋与全球碳循环海洋与全球碳循环5 环境因素与碳循环环境因素与碳循环6 全球碳循环模型全球碳循环模型7 京都议定书京都议定书8 中国的碳收支中国的碳收支9 未来全球碳循环展望未来全球碳循环展望71Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月

59、10207003800372Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodong中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所东亚东亚-气候环境重点实验室气候环境重点实验室2010年年3月月1海洋碳循环是物理、化学和生物综合过程海洋碳循环是物理、化学和生物综合过程2大气与海表的碳物理交换和化学过程大气与海表的碳物理交换和化学过程3大气与海表的生物的碳光合交换大气与海表的生物的碳光合交换4表层生物残体体向下层输送富积表层生物残体体向下层

60、输送富积5碳由海底从极地向赤道的洋流输送碳由海底从极地向赤道的洋流输送6碳在赤道上升并向极地洋流输送碳在赤道上升并向极地洋流输送7高浓度中层与低浓度中层的碳垂直混合高浓度中层与低浓度中层的碳垂直混合8随河流来自陆地的有机物沉积随河流来自陆地的有机物沉积9从储量看海洋有一定的碳汇功能，但其能力受到表层从储量看海洋有一定的碳汇功能，但其能力受到表层海储碳能力较低的限制海储碳能力较低的限制73Temperate East AsiaRegional Center全球碳循环全球碳循环Global Carbon Cycle: Global ChangeChapter 4延晓冬延晓冬 Yan Xiaodon