第19卷第1期2004年2月地球科学进展ADVANCE IN EARTH SCIENCESVol.19No.1Feb.,2004文章编号:1001-8166(2004)01-0120-11中国区域碳循环研究进展与展望X戴民汉1,翟惟东1,鲁中明1,蔡平河1,蔡卫君2,洪华生1(1.厦门大学海洋环境科学教育部重点实验室环境科学研究中心,福建厦门361005;2.美国乔治亚大学海洋科学系,阿森斯乔治亚30602)摘要:中国陆地和海洋生态系统的区域碳循环在全球碳循环过程中占有重要地位。
目前,中国陆地生态系统在全球碳循环中的地位和作用已有比较深入的研究,而中国边缘海系统碳循环研究相对薄弱。
简要回顾中国碳循环(以现代过程的描述为主)的研究动态,重点阐述中国边缘海碳循环研究概况及CO2的海)气交换、有机碳循环、颗粒有机碳的输出、河流的输运等海洋碳循环过程的关键科学问题。
在汇总补充及数据更新的基础上勾画了中国区域碳循环框架。
我们认为,中国的区域碳循环过程尚有诸多未知量和不确定性,缺乏把陆、海、气作为一个系统的综合研究,海洋生态系统碳循环研究尤其需要加强。
中国边缘海的碳循环研究应当围绕CO2的汇源过程这一碳循环的中心问题,深入开展边缘海碳的生物地球化学及其与大气CO2的耦合作用等方面的研究。
关键词:碳循环;CO2;海洋生物地球化学;边缘海;中国中图分类号:P73614文献标识码:A工业革命以来,化石燃料燃烧等人类活动已经显著地改变了全球碳循环,突出地表现为大气CO2的平均浓度从过去42万年中的180~300L L/L[1]上升到目前的370L L/L[2,3]。
大气CO2时空变化受控于由海洋碳酸盐体系驱动的溶解度泵和浮游生物驱动的/生物泵0过程,以及大气CO2与陆地植被光合/呼吸作用的相互作用,因此,对CO2的研究涉及全球碳循环的系统过程[4]。
过去的10年中,我们对碳循环的了解已有长足的进展。
如目前的观测结果[5]证实了以往仅用模型展示的海洋作为碳汇的量级,直接检测到的海水中无机碳量的增加[6,7]亦证实了以往用放射性碳核素所观测到的结果。
放射性和稳定同位素的应用为全球碳循环研究提供了强有力的工具;森林的统计和植被遥感的研究表明北半球陆地是显著的碳汇[8]。
最近全球海洋通量联合研究根据最新数据更新了1995年IPCC绘制的全球碳循环箱式框图(图1)[9]。
但迄今为止,碳循环研究存在诸多不确定性,如我们依然难以定量表征由农业化、森林砍伐等人类活动所导致的全球效应[10];对陆架边缘海是大气CO2的源或汇也依然在争论之中[9,11,12];对CO2海)气交换,碳在海洋真光层、深海的迁移转化,以至最终输出到沉积物的埋藏过程和速率仍认识模糊;对El NiÌo等一些气候变异的影响也不甚了解。
查明大气CO2的源、汇的量级与机制,有助于了解人为CO2在当前全球变化背景下的归宿,不仅具有重大的科学意义,也将为人类调控全球气候变化提供重要理论基础,还对全球人类活动及各国制定经济和社会发展战略具有指导意义,而且对国家环境外交政策的制定也有重要参考价值。
中国人口众多,近来经济发展迅速,我国在1995年的化石燃料等能源的生产和消耗均已占世界的10%[13],到了2000年,我国因化石燃料燃烧所X收稿日期:2002-01-19;修回日期:2003-09-18.*基金项目:国家自然科学基金项目/南海北部海气CO2通量与上层生物地球化学过程的相互作用0(编号:40176025);国家重点基础研究发展规划项目/地球圈层相互作用中的深海过程和深海记录0(编号:G2000078500)资助1作者简介:戴民汉(1965-),男,浙江人,教授,主要从事海洋生物地球化学研究.E-mail:mdai@图1碳在全球诸储库间的年平均通量[9](109t C/a)Fig.1A verage annual fluxes between global carbon pools方框中左边数字为储量(109t C),右边括号中数字为平均每年因人为输入导致的增加量(109t C/a)排放的CO2已达0.73Gt C,占全球排放量的10.6%[14],中国的碳循环问题也因此日益受到国际社会的关注。
此外,中国地域广大,自然地域类型多样,陆地和海洋的生态系统受季风驱动,受到青藏高原和西太平洋暖池这两个重要的地球气候系统驱动力的直接调制,区域碳循环过程与全球变化的相互作用十分突出。
中国的江河资源丰富但受人类扰动的程度也非常剧烈,长江、黄河、珠江等大河流系对全球碳循环也有显著影响。
本文将简要回顾碳循环在中国的研究动态以及所涉及到的尚未确定的过程,注重探讨的是碳循环的现代过程,提出我国进一步进行碳循环研究之浅见,重点阐述中国边缘海的碳循环研究动态和深入开展研究的思路。
1中国陆地生态系统碳循环中国陆地生态系统在全球碳循环中的地位和作用已有比较深入的研究。
方精云等[15]通过定量研究陆地植被碳库和土壤有机碳库,初步建立了以1991年为基础的中国陆地系统碳循环模式[16],但这一结果尚有争议,不少数据也已更新。
1.1中国的CO2排放据研究[14],中国因化石燃料使用所排放的CO2在1996年达到最高,相当于0.805@109t C/a,以后有所下降,2000年为0.734@109t C/a;水泥生产造成的CO2排放已升高为0.0816@109t C/a;生物量燃烧的量约为0.175@109t C/a。
此外,按照方精云等[16]的计算方法,目前中国的人体呼吸相当于0.102@109t C/a。
1.2大气C O2库1989年在青海海拔3816m的瓦里关山顶建立了世界上第一个内陆高原型的全球大气背景监测站,作为世界气象组织全球大气监测网22个全球基准站之一,1991年以来每周采集烧瓶空气样品送美国国家海洋大气管理局气候监测与诊断实验室(NOAA/CMDL)分析CO2等气体组分,并由美国科罗拉多大学的稳定同位素实验室(CU-IINSTAAR)分析D13C和D18O。
10年来瓦里关站的时间序列资料清晰地反映出北半球中高纬度地区大气CO2浓度及其D13C与全球平均水平大体一致的周期性季节波动及长期变化趋势,大气CO2平均浓度已从1991年的355.2L L/L升高到2000年的369.5L L/ L[3,17]。
为了全面评价人类活动对不同地区温室气体区域背景浓度及其变化趋势的影响,/八五0期间在中国大陆从南到北分别设立了华南鼎湖山站、华北兴隆站和东北长白山站,与基准站瓦里关站一起,在统一采样和观测设备、统一监测和分析操作规范、统一标准气体的基础上,1993)1994年开始对当地大气中CO2等指标定期或连续采样、分析[18,19]。
121第1期戴民汉等:中国区域碳循环研究进展与展望大气CO2的分析方法是非分散红外或气相色谱)氢火焰离子检测器,在瓦里关站实现了2种方法同时现场连续测量[17],以非分散红外观测系统具有较高的自动化程度、良好的稳定性和CO2浓度响应特性[20,21]。
监测表明,华南、华北地区大气CO2平均浓度比瓦里关站高23.2L L/L和2.4L L/L[19],说明这两个地区人类活动对大气本底影响明显,尤以华南地区影响更加显著,对各大气背景浓度监测站的CO2年变化幅度的分析也有类似结果[19]。
1.3陆地生态系统碳库根据方精云等[15]的结果,中国陆地植被的总碳量仅为6.1@109t C,而土壤有机碳库则高达185.7 @109t C,其中21%分布在青藏高原;而Ni[22]根据1982年出版的基线植被分布图和不同作者对各种类型植被单位面积上生物量碳密度及土壤碳密度的估计,给出了中国植被、土壤中碳储量的3种水平的估计,中国陆地生态系统碳储量最低水平估计为120.47@109t C,最高水平为189.23@109t C,中位水平为154.99@109t C。
按照中位水平估计,中国陆地植被生物量合计为35.23@109t C,土壤有机碳库为119.76@109t C(表1)。
Ni也认为草地、疏林和灌丛、高山植被等植被类型的土壤有机碳库在碳储存方面的作用十分显著,其结果对植被、土壤碳储量比例的估计比方精云等的更接近世界平均水平,但根据其方法估计的中国森林生物质碳储量比最近国内其他学者估计的[23~25]高2~3倍。
王效科等[23,24]以各林龄级森林类型为统计单元,得出中国森林生态系统的植物C储量为3.26@109~3.73 @109t C,同时发现中国森林生态系统植物碳密度与所在省份的人口密度显著负相关[23]。
方精云等[15,25]对中国森林碳库的研究则是基于对储量与生物量之间关系的研究计算的所谓/材积源生物量0[15],他们认为基于文献调研资料得到的平均生物量,计算结果可能比实际高[15]。
王绍强等[26]比较了对中国森林植被碳储量的不同研究,认为导致植被碳储量估算出现较大差异的一个重要原因是对中国陆地生态系统自然植被类型划分上的不同引起的面积差异。
将N i[22]的结果中对森林生物质碳的估计修订为方精云等[25]的结果,中国陆地植被生物质碳储量为24.02@109t C。
李克让等[27]应用0.5b网格分辨率的气候、土壤和植被数据驱动的生物地球化学模型估算了当前中国植被和土壤的碳储量,结果表明,中国陆地生态系统植被和土壤总碳储量分别为13.33@109和82.65表1中国各类陆地植被的碳储量(Ni2001的中位估计)[22]Table1Carbon storage in the terrestrialecosystems of C hina植被类型面积总碳储量生物质碳土壤有机碳104km2109t C109t C109t C 森林112.0331.7515.9615.80疏林和灌丛216.3737.509.4528.05草原58.547.490.72 6.76温带荒漠83.82 5.700.50 5.20冻原和高山植被202.0937.02 1.9535.07湿地33.19 4.950.87 4.08作物183.4630.55 5.7424.80戈壁、流石滩70.150.010.020.01总计959.65154.9935.23119.75 @109t,这与我们采用的数据)))植被碳储量24.02@109t C和土壤碳储量119.76@109t C是接近的。
1.4中国陆地生态系统在全球碳循环中的作用方精云等[16]研究得出中国陆地植被净生产量是2.33@109t C/a,每年产生1.48@109t C的凋落物,提供0.224@109t C的粮食和0.0209@109t C 的木材,以及生物质燃料,而且他们认为扣除土壤呼吸、生物质燃烧、人体呼吸等因子,中国陆地生物圈系统是一个CO2源,每年向大气释放0.44@109t C 的CO2,如果考虑化石燃料的使用,则中国大陆每年向大气净释放量相当于全球总释放量12.8%~ 21.8%的CO2;王庚辰[28]利用其他研究结果修订了上述碳循环模式的数据,认为中国陆地植被系统是一个CO2的弱汇,每年可吸收相当于0.24@109t C 的大气CO2,但如果考虑化石燃料燃烧等人为活动的影响,则中国是一个源,每年向大气排放相当于0.57@109t C的CO2。