全球气候变化与森林生态系统碳循环

全球气候变化与森林生态系统碳循环第1页，共58页，2023年，2月20日，星期六过去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。1.气候变暖

Globalwarming全球生态或环境中的十大问题第2页，共58页，2023年，2月20日，星期六第3页，共58页，2023年，2月20日，星期六臭氧层（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。2.臭氧层破坏

Ozoneissue第4页，共58页，2023年，2月20日，星期六3.生物多样性减少

Biodiversityloss1)物种多样性减少Speciesdiversity：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Ecosystemdiversity：森林、草原、湿地、水生生境遭受破坏。3)遗传多样性减少Geneticdiversity。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。第5页，共58页，2023年，2月20日，星期六第6页，共58页，2023年，2月20日，星期六第7页，共58页，2023年，2月20日，星期六国家一级保护植物------红豆杉第8页，共58页，2023年，2月20日，星期六4.酸雨蔓延

AcidRain

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。第9页，共58页，2023年，2月20日，星期六AcidRainDamagesForests第10页，共58页，2023年，2月20日，星期六5.

森林锐减Forestdecreasing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。第11页，共58页，2023年，2月20日，星期六

6.土地荒漠化

DesertedLand

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。

第12页，共58页，2023年，2月20日，星期六7.大气污染AirPollution

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.第13页，共58页，2023年，2月20日，星期六第14页，共58页，2023年，2月20日，星期六8.水体污染

Waterpollution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。第15页，共58页，2023年，2月20日，星期六第16页，共58页，2023年，2月20日，星期六9.海洋污染Oceanpollution

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。第17页，共58页，2023年，2月20日，星期六第18页，共58页，2023年，2月20日，星期六10.固体废物污染

Wastepollution

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。第19页，共58页，2023年，2月20日，星期六全球变化的概念全球变化（globalchange）: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（globalclimatechange）：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。第20页，共58页，2023年，2月20日，星期六全球变化的热门话题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第21页，共58页，2023年，2月20日，星期六13．1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℃。

第22页，共58页，2023年，2月20日，星期六全球变暖的事实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》。第23页，共58页，2023年，2月20日，星期六第24页，共58页，2023年，2月20日，星期六第25页，共58页，2023年，2月20日，星期六13.1.1温室效应与温室气体温室效应（greenhouseeffect)：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。第26页，共58页，2023年，2月20日，星期六温室气体（greenhousegas)：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。第27页，共58页，2023年，2月20日，星期六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):第28页，共58页，2023年，2月20日，星期六13.1.2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。第29页，共58页，2023年，2月20日，星期六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．第30页，共58页，2023年，2月20日，星期六13.2全球碳循环及相关过程全球碳循环（globalcarboncycle）：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。第31页，共58页，2023年，2月20日，星期六碳循环途径：（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。第32页，共58页，2023年，2月20日，星期六第33页，共58页，2023年，2月20日，星期六大气碳库：海洋碳库：陆地生物圈碳库：岩石圈碳库：13.2.1地球上的主要碳库第34页，共58页，2023年，2月20日，星期六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。

13.2.2全球碳循环第35页，共58页，2023年，2月20日，星期六第36页，共58页，2023年，2月20日，星期六碳失汇现象碳失汇（missingcarbonsink）：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7.0PgC／a的CO2，有3.4PgC／a用于增加大气中的CO2浓度，2.0PgC被海洋吸收，剩下的1.6PgC的CO2则去向不明。第37页，共58页，2023年，2月20日，星期六导致碳失汇的原因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。第38页，共58页，2023年，2月20日，星期六13.2.3陆地生态系统碳库陆地生态系统碳库（terrestrialecosystemcarbonpool）：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（forestcarbonpool)、农田碳库(agriculturecarbonpool)、湿地碳库swampcarbonpool)、水体碳库(aquaticcarbonpool)等；按生态系统的组分划分：土壤碳库(soilcarbonpool)、植被碳库(vegetationcarbonpool)、凋落物碳库(littercarbonpool)、近地大气碳库(nearearthatmosphericcarbonpool)等。第39页，共58页，2023年，2月20日，星期六陆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466PgC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2011PgC，约为大气碳贮量的2.6倍。第40页，共58页，2023年，2月20日，星期六土壤(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。第41页，共58页，2023年，2月20日，星期六第42页，共58页，2023年，2月20日，星期六陆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。第43页，共58页，2023年，2月20日，星期六13.2.4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。第44页，共58页，2023年，2月20日，星期六13．2．4．2影响土壤呼吸的因素气候（光、温、水）

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）

土壤环境（土壤质地、微生物、有机质、温度、湿度、pH值）CO2第45页，共58页，2023年，2月20日，星期六13．3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。第46页，共58页，2023年，2月20日，星期六二、森林生态系统碳循环的基本过程外界环境因子叶面积指数总初级生产力树种遗传特性净初级生产力叶生物量

茎和枝生物量

根生物量凋落物腐殖活性土壤有机碳惰性土壤有机碳异养大气碳库光合作用呼吸作用碳分配土攘呼吸人为、动物干扰第47页，共58页，2023年，2月20日，星期六三、全球森林碳库和碳通量全球植被共贮存4660×108t碳，在地表1m厚土壤中贮存20110×108t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。第48页，共58页，2023年，2月20日，星期六碳通量（Carbonflux）：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（fluxdensity）：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。第49页，共58页，2023年，2月20日，星期六碳通量的研究方法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。第50页，共58页，2023年，2月20日，星期六13．3．2中国森林生态系统碳库的分配特征我国森林生态系统的碳库总量约为15.9PgC(不包括凋落物层碳库)，其中森林植被总碳库约为5.4PgC，约占森林生态系统碳库的34％；土壤总碳库为10.5PgC，约占66％。土壤碳库约为植被碳库的2倍，土壤碳库仍是森林生态系统最大的碳库。第51页，共58页，2023年，2月20日，星期六13．3．3适应全球气候变化的森林碳管理对策减缓温室气体浓度的急剧增加有两条途径：一是控制温室气体排放，减少释放源；二是增加吸收汇。适应未来全球气候增暖的森林碳管理措施：①对现有森林进行保护式管理；②通过管理扩大碳贮存；③替代式管理经营；④发展为适应未来全球气候增暖的经营管理策略。第52页，共58页，2023年，2月20日，星期六13．4全球气候变化对森林生态系统的潜在影响全球气候变化对森林生态系统的作用主要表现在CO2浓度升高及降低的直接作用和温室气体引起全球气候变化的间接作用