文章编号:100020585(2001)0520564212 收稿日期:2001206201;修订日期:2001208230 基金项目:中国科学院地理科学与资源研究所知识创新工程主干科学计划(CXIO G -E01-02-04) 作者简介:陶波(1972-),男,黑龙江省哈尔滨人,博士研究生。

主要研究方向为全球变化与环境演变。

陆地生态系统碳循环研究进展陶　波,葛全胜,李克让,邵雪梅(中科院地理科学与资源研究所陆地表层系统开放实验室,北京　100101)摘要:近年来,碳循环问题日益成为全球变化与地球科学研究领域的前沿与热点问题,其中陆地生态系统碳循环又是全球碳循环中最复杂、受人类活动影响最大的部分。

本文结合IG BP和IPCC 中有关碳循环的最新报告,介绍了全球碳循环中大气、海洋和陆地生态系统等几个主要碳库的大小及特点,并重点介绍了陆地生态系统碳循环及其基本过程。

总结了当前陆地生态系统碳循环研究的四种主要方法:清单方法、反演模拟、涡度相关技术和陆地碳循环模式,介绍了它们的各自特点以及存在的问题,并对陆地碳过程中的不确定性进行了详细分析。

此外,还简要叙述了当前碳循环研究中待解决的问题和今后的发展趋势。

关　键　词:碳循环;碳汇;碳库;陆地生态系统;模式中图分类号:P467;P593 文献标识码:A工业革命以来,人类正以前所未有的速度和强度在全球尺度上对地球系统产生着巨大影响[1]。

大气中CO 2浓度已从1850年的285±5ppmv 上升到1998年的约366ppmv ,即近150年内增长了大约28%[2]。

从20世纪初至今,全球地面气温已经上升了013～016℃,最近10年已成为自1860年以来最暖的时期[3]。

进入90年代,随着温室气体和温室效应等各种气候与环境问题的日益突出和国际气候谈判中对碳源、碳汇评价的客观需要,碳循环问题日益受到人们的普遍关注。

大量研究表明,全球碳循环的动态变化与气候变化及人类活动影响(尤其是化石燃料的燃烧和土地利用/土地覆被变化)有着密切关系[2,4]。

作为大气中CO 2的源和汇,陆地生态系统碳循环是全球碳循环中的重要环节,在全球气候变化中扮演着重要角色[5]。

更好地了解陆地生态系统碳循环的动态机制是全面理解全球碳循环、正确预测未来气候变化的一个重要前提。

1　全球碳库与碳过程碳是生命物质中的主要元素之一,是有机质的重要组成部分。

概括起来,地球上主要有四大碳库,即大气碳库、海洋碳库、陆地生态系统碳库和岩石圈碳库。

碳元素在大气、陆地和海洋等各大碳库之间不断地循环变化。

大气中的碳主要以CO 2和CH 4等气体形式存在,在水中主要为碳酸根离子,在岩石圈中是碳酸盐岩石和沉积物的主要成分,在陆地生态系统中则以各种有机物或无机物的形式存在于植被和土壤中。

第20卷　第5期2001年11月地 理 研 究GEO GRAPHICAL RESEARCH Vol 120,No 15Nov 1,2001在全球几大碳库中,岩石圈碳库是最大的(见表1),但碳在其中的周转时间极长,约在百万年以上,因此,在碳循环研究中可以把岩石圈碳库近似看做静止不动的,此处不做重点讨论;海洋碳库是除地质碳库外最大的碳库,但碳在深海中的周转时间也较长,平均为千年尺度;陆地生态系统碳库主要由植被和土壤两个分碳库组成,内部组成和各种反馈机制最为复杂,是受人类活动影响最大的碳库。

表1　地球各主要碳库[6]T ab 11　C arbon pools in the m ajor reservoirs on E arth (1G t =1×1015g)碳　库大小(Gt C )碳　库大小(Gt C )大气圈 720陆地生物圈(总)2000海洋 38400活生物量600～1000　总的无机碳37400死生物量1200　表层 670水圈 1～2　深层 36730化石燃料 4130　总的有机碳1000煤 3510岩石圈 石油 230　沉积碳酸盐>60000000天然气　140　油母原质　15000000　其他(泥炭)250111　大气碳库如表1所示,大气碳库的大小约为720Gt C (1Gt =1×1015g )左右(由于估算方法等原因,不同研究者对大气碳库的估算值不尽相同,但其数量级基本一致),在几大碳库中是最小的,但它却是联系海洋与陆地生态系统碳库的纽带和桥梁,大气中的碳含量多少直接影响整个地球系统的物质循环和能量流动。

大气中含碳气体主要有CO 2、CH 4和CO 等,通过测定这些气体在大气中的含量即可推算出大气碳库的大小,因此,相对于海洋和陆地生态系统来说,大气中的碳量是最容易计算的,而且也是最准确的。

由于在这些气体中CO 2含量最大,也最为重要,因此大气中的CO 2浓度往往可以看作大气中碳含量的一个重要指标。

对冰芯记录的分析表明,在距今420000年至工业革命前这一时间段内,大气中的CO 2浓度大致在180ppmv ～280ppmv 之间波动[7]。

但从工业革命初期到目前的短短250年多内却增长了近30%,近10年内平均每年增长1～3ppmv 。

把当前大气中CO 2浓度与冰芯记录相比较,可以看出:目前的大气CO 2水平在过去420000年间是未曾有过的,在过去2000万年也可能是空前的[8]。

112　海洋碳库 海洋具有贮存和吸收大气中CO 2的能力,其可溶性无机碳(DIC )含量约为37400Gt (表1),是大气中含碳量的50多倍,在全球碳循环中的作用十分重要。

从千年尺度上看,海洋决定着大气中的CO 2浓度[6]。

大气中的CO 2不断与海洋表层进行着交换,这一交换量在各个方向上可以达到90Pg/yr ,从而使得大气与海洋表层之间迅速达到平衡[6]。

由于人类活动导致的碳排放中约30～50%将被海洋吸收,但海洋缓冲大气中CO 2浓度变化的能力不是无限的,这种能力的大小取决于岩石侵蚀所能形成的阳离子数量。

由于人类活动导致的碳排放的速率比阳离子的提供速率大几个数量级,因此,在千年尺度上,随着大气中CO 2浓度的不断上升,海洋吸收CO 2的能力将不可避免地会逐渐降低[9]。

一般来讲,海洋碳的周转时间往往要几百年甚至上千年,可以说海洋碳库基本上不依赖于人类的活动,而　5期陶　波等:陆地生态系统碳循环研究进展565且由于量测手段等原因,相对陆地碳库来说,对海洋碳库的估算还是比较准确的。

113　陆地生态系统碳库据估算,陆地生态系统蓄积的碳量约为2000Gt 左右(见表1)。

其中土壤有机碳库蓄积的碳量约是植被碳库的2倍左右(从热带森林的1∶1到北部森林的5∶1不等[2]),表2列出了不同研究者对植被碳库和土壤有机碳库的估算值,从中可以看出,无论是对植被碳库还是土壤碳库,各估算值之间都有很大差异,这主要是由于不同估算方法之间的差异(假设条件、各类参数取值、测定的土壤深度、调查的土壤类型、植被类型全面与否等)以及估算中的各种不确定性造成的。

从全球不同植被类型的碳蓄积情况来看,陆地生态系统碳蓄积主要发生在森林地区[6],森林生态系统在地圈、生物圈的生物地球化学过程中起着重要的“缓冲器”和“阀”的功能[10],约80%的地上碳蓄积和约40%的地下碳蓄积发生在森林生态系统[11],余下的部分主要贮存在耕地、湿地、冻原、高山草原及沙漠半沙漠中;从不同气候带来看,碳蓄积主要发生在热带地区,全球50%以上的植被碳和近1/4的土壤有机碳贮存在于热带森林和热带草原生态系统,另外约15%的植被碳和近18%的土壤有机碳贮存在温带森林和草地,剩余部分的陆地碳蓄积则主要发生在北部森林、冻原、湿地、耕地及沙漠和半沙漠地区[2]。

另外,植被碳库和土壤有机碳库中还包含不同的子碳库,其周转时间或长或短,这就形成了所谓的“暂时性碳汇”(Temporary Sink )。

例如,CO 2浓度升高使树木生长加快从而形成碳汇,这些树木一般要存活几十年到上百年,然后腐烂分解,通过异养呼吸返回到大气中。

因此,自然生态系统的碳蓄积和碳释放在较长时间尺度上是基本平衡的,除非陆地生态系统碳库的强度加大,否则任何一个碳汇迟早会被碳源所平衡。

表2　对陆地生态系统碳库的估算T ab 12　The estim ates on the m agnitude of carbon pools in terrestrial ecosystem碳库大小(Gt )作者时间碳库大小(Gt )作者时间植被碳库827Woodwell 1978土壤碳库1456Schlesinger 1977558Olson et al .19781395Post et al .1982748Prentice &Fung 19901515Schlesinger 1984550Moore et al .19891143Prentice &Fung 199073712Smith et al .19921500Walson et al .1990550Siegenthaler et al .19931500Siegenthaler et al .1993754Crammer &solomon 19951367Crammer &solomon 1995640Mingkui Cao et al .19981358Mingkui Cao 1998500～950Cramer et al 1999850～1200Cramer et al .1999陆地生态系统是一个植被-土壤-气候相互作用的复杂大系统,内部各子系统之间及其与大气之间存在着复杂的相互作用和反馈机制,各种数据较难获得。

对已有数据和海洋碳循环模式模拟结果的分析表明,陆地生物圈对大气中CO 2浓度年际变化的影响要比海洋566　地 理 研 究20卷更大[2]。

同时,它也是全球碳循环中受人类活动影响最大的部分,与人类活动有关的化石燃料燃烧、水泥生产及土地利用变化等都会造成CO 2的排放,极大改变了大气中各组成成份的原有状况,如据Houghton 等估算,在1850～1990年间,由于土地利用变化造成的全球CO 2排放约为124Gt [12]。

可见,人类活动的介入已经极大地改变了全球碳循环的原有模式。

可以说,当前全球碳循环中最大的不确定性主要来自陆地生态系统。

据估算,由于化石燃料燃烧和土地利用变化释放的CO 2其一半左右将保留在大气中,剩余的部分则被海洋和陆地生态系统吸收。

但在目前的全球碳收支中,由于化石燃料燃烧和土地利用变化造成的碳排放量明显比存留在大气中的碳量和各已知碳汇之和大[13,14],例如,在1850～1998年间,由于化石燃料燃烧和水泥生产造成的碳排放约为270±30Gt [15],其中约176±10Gt 留在了大气中[16],同期内的海洋碳吸收约为120±50Gt [17,18],由于土地利用变化造成的碳排放约为136±55Gt [12,19],也就是说,在这一期间陆地生态系统存在一个大小约110±80Gt 的碳汇,这样才能维持全球碳收支的平衡。