全球气候变暖与CO2及植物光合作用的关系

全球气候变暖与C02及植物光合作用的关系摘要近年来，全球气候变暖成为了大家关注的焦点问题。有理论提出，全球气候变暖，且CO2含量的增加是引起气候变暖的主要原因，但根据有关资料总结认为全球气候变暖是一个基本的事实，但未来的趋势变化存在不确定性且其倾向于变冷；同时c°2的温室效应具有相当的滞后性，现在的说法过分夸大了C02的温室效应。另一方面，增加的CO2对植物光合作用的影响是复杂而多变的，就目前的研究状况来看，CO2的增加有利于植物的光合作用，但仍需进一步的研究与实验才能得出准确的结论。0引言目前，全球气候变暖成为了焦点问题，本文将从地球历史的气候变化及影响气候变化的因素、气候变暖与否的证据以及CO2的增加对植物光合作用的影响等方面对全球变暖的现象进行阐述。1地球气候的变化1.1地质时期的气候变化地球的古气候曾发生过多次大变动，表现为冷暖交替，其周期约为2.5亿年，大冰期和大间冰期成一循环，其较近的有3次：一是震日纪大冰期，距今约6亿年以前，全球气候寒冷；其后是汉武纪至石炭纪的大间冰期，距今约6-3亿年，气候温暖，特别是石炭纪时期气候温暖湿润，森林茂密，形成大片煤层。二是石炭纪至二叠纪大冰期，距今3-2亿年,主要影响南半球；其后是三叠纪至第三纪大间冰期，距今2亿-200万年，气候温暖,株罗纪普遍有煤生成。三是第四纪大冰期,距今约200万年开始,全球气候寒冷。在第四纪大冰期中有4次亚冰期和3次亚间冰期,最后1次亚冰期约在1万年前结束。每次亚冰期发育期需9万年,退缩期只需1万年,期间还会有更小的波动,其发育期为2-3万年,退缩期为1千年。对南极和格陵兰冰芯、中国黄土、深海沉积研究结果,认为地球有10万年一个冷暖交替的周期,间冰期约1万年。变暖是变冷速率的3倍,变暖是直接攀升的,变冷是波浪式下降。大约在18000年以前最冷，以后变暖，5000-7000年以前较暖，气候比现在高2-3°C,目前是处在一个间冰期的末期。［4］1.2人类历史时期的气候变化利用全球海气耦合模式（ECH0-G）⑸研究发现近千年全球温度变化明显呈现“暖期-调整期-冷期-短调整期-暖期”的两峰一谷的“V”字型变化格局⑹。暖期逐次变短，暖度逐次变弱；冷期逐次变长，冷度逐次变强。在中国历史上，仰韶文化和殷墟时期，约在公元前1000年，是温暖期，年温约比现在高2C以上，1月气温约比现在高3-5C。周朝前期，约在公元前1000年至850年，气候比较冷，汉水有2次结冰。春秋至西汉时期，约在公元前700年至公元初，总体较暖，鲁国冬天无冰，齐鲁千亩桑［4］，但根据有关的孢粉分析结果，战国并不是持续的暖期或冷期，而是包含了早晚两个冷期和中期（300BC前后）一个显著的暖期⑺8］。三国至南北朝时期，约在公元初至公元600年，气候冷，年温比现在低2-3C。隋唐时期，约在公元600-900年，较暖，关中能长梅。宋朝时期以后至13世纪，中国出现了可与欧洲的中世纪暖期相对应的温暖气候，在此时期，亚热带北界和暖温带北界均较今约偏北至少1个纬度［9］。但葛全胜等［8］的研究表明:中世纪温暖期并不是一个持续稳定的暖期，而是一个既“暖”又“冷”的时期，在这个暖期中可区分出3个暖峰和2个冷谷，其中第1个冷谷在11世纪前期（宋朝时期），持续时间较短，寒冷程度较弱［9,10,11，12,13］，年温比现在低lew；第2个冷谷在12世纪（元末以后），持续近百年，寒冷程度也较强［9，10，11，12，13］，人可在太湖冰上行走⑷。2气候变化的影响因素2.1自然的气候波动2.1.1地球轨道因素的变化。地球公转有3个因素；地球轨道偏心率1地轴倾斜度及春分点位置。地球轨道偏心率的变化有96000年的周期。地轴倾斜度既黄赤交角的变化有40000年的周期。春分点沿黄道向西移动，周期为21000年。由此研究太阳辐射量变化，发现23万年前65°N夏季太阳辐射量与现在77°N上的一样，19万年前的与现在59°N上的一样。2.1.2太阳辐射能输出的变化。太阳是一颗变星，其输出能有变化。太阳黑子活动11年、22年、100年和超长周期。太阳黑子极值年附近,大气环流的季风成分大；极值年之间,行星风成分大。气候变化与太阳关系密切。⑷根据各种气候待用指标建立的近千年温度序列表明，Wolf、Sp6rer、Maunder和Dalton4个太阳活动极小期时，全球温度距平的最低值均在-0.5〜-0.4〔[⑹。目前的太阳活动极大期已经持续了8个太阳活动黑子Ila周期，并有可能于未来1-2个太阳黑子周期内结束。在百年尺度的太阳活动周期中，208a(deVries)的周期是比较突出的。因此，根据太阳活动200a周期看，未来100-200a内有可能进入一个新的太阳活动极小期，全球温度有下降的可能。[1]2.1.3大气透明度的变化。大气气溶胶是大气与悬浮在其中的固体或液体微粒共同组成的多项体系。火山喷发后产生的火山灰能悬浮在空气中与人类活动所产生的硫化物等共同形成气溶胶。它的增加一则可以增大行星反射率,减少到达地面的太阳辐射,即有阳伞效应；二则可增加地-气系统对太阳辐射的吸收；三则它们还是地面长波辐射的强吸收体即有温室效应；四则也能影响云量,增加云的反射率和吸收率。一般而言,气溶胶对平流层总有加热作用,对对流层总有冷却作用。[18]2.2人类活动的影响联合国人口活动基金会执行主任拉斐尔萨拉斯在1980年的世界人口状况的报告中就已经预言：“过去20年和今后20年的欲望爆炸在对有限资源、虚弱的生态系统的影响和对贫困的斗争以及对政治、经济、社会结构的影响上很可能变成一个很大的问题。”而事实正是如此。据相关资料记载，公元初期至1850年，全球人口由1.7亿增长至13亿，但自1850年以来，全球人口从13亿增长70亿，增幅超过以往的任何时期。而同期森林采伐的速度更快，自1960年以来，作为衡量森林资源压力的关键指标的林地对人口的比例不断下降，人均可用森林面积下降了50%，仅为0.6hm2，至到2025年，这一数字预计将下降到0.4hm2。这些数字表明，人类活动对气候的影响不可忽略甚至是至关重要的。2.2.1人类活动改变了气候系统的化学系统，特别是大气中微量成分的变化。根据以上数据可以看出，人口总数大幅度的快速增长使得森林等植被遭到大规模破坏，同时为满足生活需求，人类不断增加对化石燃料的消费,这些都在显著增加大气中的CO2的含量。大气中CO2浓度从工业革命前约280ppmv增加到2000年的368ppmv［17］。根据研究表明，目前CH470%的排放量与人类活动有关，人类大量饲养反刍动物；大规模种植水生植物和利用浅水养殖种植；燃烧各种生物体；垃圾处理和污水处理；化石燃料的开发生产和输送等五大方面的活动产生大量的CH。化石燃料的燃烧；硝酸和已二酸以及氨肥的生产过程；生物质的燃4烧；土壤耕作和大量使用氮肥；养殖场排放等都产生大量的NO、CFCS、HFCS、PFCS、SF等26都是人类工业活动形成的，主要用作烟雾喷射剂、制冷剂、发泡剂、有机溶剂和灭火剂而被广泛应用，也在冶金工业和电力行业大量使用。［18］以上文章中提到的CO、CH、NO、CFCS、SF包括O在内的气体是主要的6种温室气体，2 4 2 6 3它们能够起到类似玻璃的作用，即大气中的这些温室气体能够让太阳短波辐射透过（即很少吸收短波辐射）到达地面,从而使地球表面升温；但阻挡地球表面向宇宙空间发射的地面长波辐射（即明显吸收长波辐射），从而保持地表面的温度。如果以上述6种气体对温室效应的贡献率排队，根据国际电工委员会IEC1634号报告，CO约占60%,CH约占15%,O约占8%,2 4 3CFC-12约占8%,NO约占5%,CFC-11约占4%,SF约占0.01%。26但林振山、孙娴［19］的研究给出了不一样的结果。他们应用最新的多尺度分析EMD（经验模态分解方法）技术来研究在不同时间尺度上CO2温室效应对全球气候（温）变化的最大权重，并在此基础上了研究未来20年的全球气温的变化趋势究竟是继续升温还是降温。林振山、孙娴用EMD将全球平均气温序列进行逐级分解（图1）,得到4个IMF分量和趋势分量Res。这说明，全球百年气温的变化存在4种不同尺度的准周期振荡和一个大尺度的演化趋势。

EmpiricalModeDecomposition图1.1881〜2002年全球平均气温EMD各分量分析表明,MF1表示3〜4a尺度的振荡,表现出疏密相间的振荡特征°IMF2表示准6a周期振荡，IMF3的震荡周期是20~24aoIMF4反映出准60年的振荡周期。这些IMF分量不仅包含了气候系统外在强迫的周期变化,还包含了气候系统的非线性反馈作用。通过计算各分量的方差贡献（表1）,表明：全球气温变化趋势方差贡献最大（40.19%）其次以准60a（24.15%）代际低频振荡为主用。表11881-2002年全球气温变化各IMF分量方差贡献Table2VariancecontributionbyIMF1-4andRescomponentsoftheGlobalmeantemperature(%)during1881~2002yearIMF1IMF2IMF3IMF4Res全球温度17.5511.346.7724.1540.19因此他们得出结论：从20-60年尺度上来看,未来20年全球气候变化已经开始处于降温阶段。紧接着他们又对大气中CO2的含量做了分析，图2给出了近百年大气CO2含量时间序列的EMD分析结果。EmpiricalModeDecomposition图21881-2002年大气C02浓度的EMD分量Fig.2IMF1-2andRescomponentsofatmosphericCO2concentrationduring1881-2002year从图2可以看出大气CO2含量只有IMF1和IMF2两个分量，其中的IMF2分量与图1全球温度的IMF3分量无论是振幅还是周期，二者之间都是非常的相似。而除此之外，全球温度的IMF1、IMF2和IMF4分量与大气CO2含量的两个IMF分量并无任何相似之处。表2给出了大气CO2含量各IMF分量方差贡献。表2大气CO2含量各IMF分量方差贡献Table2VariancecontributionbyIMF1-2andRescomponentsofconcentrationofCO2(%)IMF1IMF2Res大气CO2含量0.270.2599.48综合上述研究结果，林振山、孙娴得出最终结论：从世纪尺度上来看，大气CO2含量对全球气温变化的权重最多为40.19%。从20年尺度来看，占大气CO2含量0.25%权重的Imf2将对占全球气候变化权重6.77%的气温的周期或准周期震荡产生影响。因此，大气CO2含量对全球气温变化的权重最多占40.19%+6.77%=46.96%,也就是说全球气温变化的53.04%的权重是由非CO2温室效应所决定的。另一方面，大气CO2含量的变化对全球温度周期震荡的最大贡献为6.77%/(1-40.19%)=11.32%。因此，CO2的温室效应并不能作为造成全球变暖的唯一尺度。2.2.2人类活动改变了热量循环和热量平衡。人类活动所排放的温室气体等在一定程度上改变了热量循环和热量平衡。2.2.3人类活动改变了土地的利用方式。人类为了满足生存需要，大量开辟农业用地,城市化过程形成大量的钢筋水泥森林,土地荒漠化的趋势有增无减，大大的改变了下垫面的性质。2.2.4人类活动改变了水分循环和水分平衡。人类修建水库、运河、渠道,疏干沼泽、围湖造田，包括人类活动导致的温室效应等产生的气温变化均会影响水分的蒸发与降雨，从而影响到洋流，进一步影响到水分循环和水分平衡。2.2.5干扰和破坏自然生态平衡。人类大量砍伐森林、草地过度放牧等破坏自然的行为已经导致了大范围的土地沙漠化自然环境遭到破坏的同时也导致了濒危物种走向灭绝，对自然生态平衡做出了不可逆的破坏。3全球是否在变暖？3.1变暖的证据政府间气候变化专门委员会（ICPP）第四次评估报告（AR4）指出：过去100a（1906—2005年）的升温速率已达0.74±0.18°C/100a,并认为20世纪地球北半球平均温度很可能是最近500a来，至少是1300a来50a平均气温值中最高的⑵。而且由HadCRUT2v序列，1856-1910年温度微降，1910-1945年上升0.4C,1945-1975年又微降，1975年之后上升0.5C,20世纪上升0.6C,21世纪最初的5a又上升0.1C°[2。]冰川长度及钻孔温度资料所得的结果与观测记录计算的变暖速率相当一致，这可以作为近百年全球变暖的重要旁证。此外，环境变化亦可作为全球气候变暖的旁证：冰川后退、积雪面积缩小、极冰变薄、河湖解冻早、冻结迟、鸟类迁徙及结巢日期改变、植物开花日期提早、昆虫及植物向高纬及高山扩展等。对1700种生物的研究发现，在20世纪后半叶，每10a向极区扩展6km,向高山抬升6m［2i］,为1950-1995年地面等温线扩展速度的2倍。如果只分析最近30a(1975-2005年)，等温线扩展的速度达到40km/10a。所有这些证据均说明20世纪后25a的气候变暖是毋庸置疑，而且是全球性的。［22］3.2没有变暖的证据有分析认为，上文中提到的ICPP的评估报告存在以下缺陷(1)气温观测网络覆盖范围较少(2)数据源分布不均匀(3)不同年代气温数据量存在显著差异(4)年平均温度可信度低和对城市化热岛效应考虑不足等［3］。同时，近十几年来，中国对近百年来温度变化方面的研究取得了明显进展，统一取1906—2005年，得到了中国及全球和北半球温度变化速率的统计表格［15］。通过这两组数据比较可看出，根据取样地点不同、使用材料不同等因素，统计数据得出的结论具有不确定性，全球变暖的趋势还有待确定。表3中国及全球和北半球温度变化速率［15］Table3RatesoftemperaturechangeinChina，NorthernHemisphereandworld序列名称1906—2005年1908—2007年WTG0.530.59LYT0.340.42TR0.951.11TD0.860.96CRU1.201.27NH0.720.75GL0.740.75注：WTG、LYT、TR、TD和CRU为中国温度各序列，NH和GL代表北半球和全球温度序列，单位：。C/100a.葛全胜等［24］分析了中国过去2000a温度在100a尺度上的变化速率，结果显示在过去500a中最大的升温速率为1.1±1.2C/100a,出现在小冰期向20世纪暖期的转换过程中，且这一升温速率可能也是过去2000a中最大的。虽然20世纪期间（1900—1990年）全国平均升温速率达0.6±1.6°C/100a,但仍然小于小冰期向20世纪暖期转换时的最大升温速率。这说明，虽然因人类活动引起的温室气体效应很可能影响了全球20世纪以来的增温速率，但是从中国看,类似的升温速率在工业革命以前的历史时期也曾经出现过。类似的数据统计还有1998—2008年全球温度增量仅为0.07±0.07C,［25］不仅低于1980-2005年的0.177±0.052C，更远低于ICPP—AR4估计的0.2C°［i］但与此同时，近10a的化石燃料排放的碳仍在增加，且速率超过20世纪的后10a。这些数据都表明全球变暖停滞有可能是因为人类活动之外的因素［26］，或者说有自然因素抵消了CO2的温室效应。有相关模拟实验的结果显示，ENS0及太阳辐射带来的降温在相当大的程度上抵消了人类活动造成的变暖［26］。另外还有理论提出:地球将变冷,甚至进入“小冰期”；气温可能有起伏,但变冷可能明显,根据是火山活动多,大量火山灰悬浮空中影响接受太阳辐射；气温升高使北冰洋区的冰融化,继而使海水淡化,加上北纬地区气温升高,降水增多,更使墨西哥湾流到北方的海水淡化,因此流到最北部的湾流海水轻而不能下沉回流南方,因无补给南部海底洋流就会停止,墨西哥湾流也将停止向东北的欧洲流动,从而欧洲将变得很冷,同时墨西哥湾流停流,使海水蒸发锐减,水分是重要的温室气体,它的锐减将使气温剧降,或许不出10年气温下降80C,或许在21世纪中叶进入冰期。⑷关于对流层全球温度变化及趋势的一项研究结果表明［27］，据往年气温记录分析，高层大气升温大于低层，且高层年平均温度先于低层增温，但目前高层年平均温度变化趋势已经开始转向降温，低层还未开始转变，可预测低层年平均温度将跟随高层逐渐转向降温。根据以上证据可以看出，全球变暖确实是一个基本事实，但在自然因素的影响下，未来较有可能趋向变冷。4大气CO2浓度升高对植物光合作用的影响2CO2是植物光合作用的原料，植物在光合作用中将CO2转变为含碳化合物，从而固定能量。如前文所述，大气中CO浓度从工业革命前约280ppmV增加到2000年的368ppmv"］，平均每年以1.2-1.4ppm的速率递增阴,这些都是伴随着全球总人口的快速大幅度增长所产生的生活需要而产生的。但是CO2的增加是否如预想的有利于植物的光合作用还有待观察。4.1光合作用对C02浓度升高的短期响应目前，光合作用对C02浓度升高短期响应的机制已有了初步的了解。通常是由C02的两个相反的效应作用的结果：一是高的CO2促进了气孔的关闭，而使CO2进入叶肉细胞受阻，二是CO2对RubisCO（二磷酸核酮糖梭化酶/加氧酶）活性的促进，继而提高植物的光合速率。［29］在这两个条件的影响下，在大量实验中，当大气CO2浓度倍增时，光合速率的增大幅度从2%-300%不等。4.2光合作用对浓度升高的长期响应大量的研究发现，CO2浓度的增加，短时期内将使光合速率提高，但经过一段时间如数天或数月后，光合作用的这种促进作用便逐渐下降或消失。对其原因进行研究，张其德等认为有3个主要因素：（l）RubisCO活性的下降，这可能与它的含量下降、比活性下降及其活性状态变化有关；（2）光合产物的反馈抑制，当光合速率的提高超过了光合产物合成、运输和利用的能力时，淀粉的积累作为反馈信息抑制了植物的光合作用；（3）光合作用有关的其他酶的变化，C植物中PEP羧化酶对CO浓度的响应表现为下降或不变，而在C植物中，贝yPEP羧3 2 4化酶表现为活性增加，随着CO2浓度升高碳酸配酶活性表现为下降［29］，但各种酶的活性变化因植物种类而异，难以一概而论。因此，co2浓度升高对植物光合作用的影响仍然需要大量的实验和长期的观察来得出结论，同时，植物的光合作用对co2和多种环境因子的相互作用做出的反应及响应机制，并不简单，也不易预测，同样需要更多的研究。5结论历史上，地球的气候一直处于不断变动中。目前，全球变暖是基本事实，但是其未来变化的趋势是不确定的，但是是倾向于变冷的。在引起全球变暖的众多因素中，人类活动产生的温室气体引起的大气成分的改变起到了一定的作用，但其温室效应并不足以与自然因素抗衡，因此目前的许多言论过分的夸大了巴的温室效应。同时，C02的增加对植物光合作用的影响就目前来看是有利的，但是在长期发展中的作用究竟如何仍然需要大量的实验和长期的观察，不可一概而论。参考文献[1]翟水晶，杨邦，姜修洋，李志忠，近2000a温度变化及全球变暖不确定性，亚热带资源与环境学报，第7卷第1期2012年3月出版.MannME，ZhangZH，HughesMK，etal．Proxy-basedreconstructionsofhemisphericandglobalsurfacetemperaturevariationsoverthepasttwomillennia[J]．ProcNatl.Acad.Sci.USA，2008，105:13252-13257．MannME，ZhangZH，RutherfordS，etal．GlobalsignaturesanddynamicaloriginsoftheLittleIceAgeandmedievalclimateanomaly[J]．Science，2009，326:1256-1260．[4]蒋耀新，地球气候的变化及其趋势，甘肃科技，第20卷第1期2004年1月.[5]BradleyRS,HughesMK,DiazHF.ClimateinMedievalTime[J].Science,2003,302(5644):404.[6]高建慧，刘健，近千年全球温度变化特征及成因的模拟分析，鲁东大学学报(自然科学版)，2010,26(3):266-270[7]张兰生，方修琦，任国玉等。我国北方农牧交错带的环境演变[J]。地学前缘，1997(1):127-136.[8]葛全胜，方修琦，郑景云，中国历史时期温度变化特征的新认识——纪念竺可桢《中国过去五千年温度变化初步研究》发表30周年，地理科学进展，第21卷第4期2002年7月，1007-6301(2002)04-0311-07。[9]满志敏,张修桂.中国东部中世纪温暖期的历史证据和基本特征的初步研究[A].见:张兰生主编.中国生存环境历史演变规律研究(一)[C].北京:海洋出版社,1993.95-103.张丕远主编.中国历史气候变化[M].济南：山东科学技术出版社,1996.1-403.葛全胜,郑景云,满志敏等.过去2000年中国东部冬半年温度变化序列重建及初步分析[J].地学前缘,2002,9(2)：169-181.满志敏.中国历史时期气候变化研究[M].济南：山东教育出版社(inpress),2002.葛全胜,郑景云,方修琦等.过去2000年中国东部冬半年的温度变化幅度研究[J].第四纪研究,2002,22(2)：166-173.JansenE，OverpeckJ，BriffaKR，etal．Palaeoclimate[M]//SolomonS，QingD，ManningM，etal，eds．ClimateChange2007：ThePhysicalScienceBasis.ContributionofWorkingGroupItotheFourthAssessmentReportoftheIntergovernmentalPanelonClimateChange．Cambridge:CambridgeUniversityPress，2007:463-497．TangGuo-li，RenGuo-yu，ZhouJiang-xing．ChangeofurbanheatislandintensityanditseffectonsurfacemeanairtemperaturerecordsinSouthwestChina[J]．JournalofAppliedMeteorologicalScience，2008，19(6):721-730．[唐国利，任国玉，周江兴．西南地区城市热岛强度变化对地面气温序列的影响[J]．应用气象学报，2008，19(6):721-730．]WangShao-wu，WenXin-yu，HuangJian-bin．Globalcoolinginthefuture?[J]．ChineseSciBull，2011，55，doi:10.1007/s11434-010-4177-1．[王绍武，闻新宇，黄建斌．不久的将来气候会变冷吗?[J]．科学通报，2010，55(30):2980-2985．]丁一汇，张锦，徐影，宋亚芳，气候系统的演变及其预测M],北京气象出版社,2005。程东来，钟学斌，温室效应与气候变化及人类活动的关系，咸宁学院学报，第28卷第6期2008年12月，1006-5342(2008)06-0086-)3。林振山，孙娴，CO2温室效应对全球气候(温)变化的影响及其预测，2005年气象学会年会S2。NX\7aQ乙oCCSPandSGCR(ClimateChangeScienceProgramandtheSubcommitteeonGlobalChangeResearch).Tempera