陆地碳循环研究进展

2000年12月

地　理　科　学　进　展

PROGRESSINGEOGRAPHY

Vol.19,No.4Dec.,2000

　　文章编号:100726301(2000)0420297210

陆地碳循环研究进展

耿元波,董云社,孟维奇

(中国科学院地理科学与资源研究所,北京　100101)

摘要:近年发表的关于陆地碳循环的国内外论著反映出如下观点:①陆地主要的碳库2陆地生物圈、土壤圈和岩石圈的碳贮量分别为560PgC、1400～1500PgC(有机碳)、210×107PgC(有机碳),其中岩石圈中化石燃料的贮量约为5000～10000PgC;②大气CO2“未知汇”的量大概在017～311PgC之间,“未知汇”可能存在于中纬度地区;③土地利用与土地覆被变化造成的CO2排放量估计值差异较大,可能在016～316PgC之间;④陆地碳循环模型已从静态模型发展到动态模型,而且更加注重大气CO2浓度增加和LUCC对碳循环的影响以及C、N、P和S等循环的耦合作用。关　键　词:陆地碳循环;源;汇;碳循环模型中图分类号:X144　　文献标识码:A

陆地是人类赖以生存与持续发展的生命支持系统,也是受人类活动影响最大的区域。自20世纪以来,人类活动的影响在规模上已从陆地系统扩展到整个地球系统,如大气中温室气体浓度增加、森林锐减、土地退化、环境污染及生物多样性丧失等等,特别是人类活动产生的CO2浓度急剧上升和由此导致的增温效应是目前人类面临的最严峻的全球环境变化问题。因此,从70年代后期开始,全球碳循环研究受到人类的普遍关注,特别是在几十年到几百年时间尺度上的人类活动,如化石燃料(煤、石油和天燃气等)的燃烧和非持续性土地利用(砍伐森林,开垦草地,改造沼泽等)对全球碳循环的影响。在当前的国际地圈-生物圈研究计划(IGBP)中,碳循环是全球变化与陆地生态系统(GCTE)等多个核心计划中的重要研究内容,而陆地碳循环是全球碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位,研究陆地碳循环机制及其对全球变化的响应,是预测大气CO2含量及气候变化的重要基础,这已引起科学界的高度重视。我国作为世界上最大的发展中国家,对能源的需求量很大,1992年因化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量位居世界第二[1],对中国来说,碳循环的研究十分重要也十分紧迫,尤其是搞清在全球碳循环中中国陆地是碳源还是碳汇,这关系到中国未来能源和农业的制定及怎样履行由150多个国家在联合国气候变化框架公约中所达成的共识—稳定当前的大气温室气体含量。

　　收稿日期:2000210;修订日期:2000211

　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(49971005),中科院地理科学与资源研究所知识创新工程前

沿项目(CXIOG2A002A06)和“九五”国家重大基础研究项目(95222202201)

　　作者简介:耿元波(19692),男,中科院地理科学与资源研究所博士生,研究方向为环境生物地球化

学。E2mail:gyb0741@sina1com

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1　全球碳循环概述

全球碳循环是指碳素在地球的各个圈层(大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈)之间迁移转化和循环周转的过程。在漫长的地球历史进程中,碳循环最初只是在大气圈、水圈和岩石圈中进行,随着生物的出现,有了生物圈和土壤圈,碳循环便在五个圈层中进行,碳素的循环流动就从简单的地球化学循环进入到复杂的生物地球化学循环,而生物圈和土壤圈在碳循环过程中扮演着越来越重要的角色。碳循环的主要途径是:大气中的CO2被陆地和海洋中的植物吸收,然后通过生物或地质过程以及人类活动干预,又以二氧化碳的形式返回到大气中。就流量来说,全球碳循环中最重要的是CO2的循环,CH4和CO的循环是较次要的部分。图1展示了全球碳循环的概况。

碳库单位:PgC　流量单位:PgC󰃗a　引自文献[2]

图1　全球碳循环概况

Fig11　OutlineofGlobalCarboncycle

2　陆地碳库的贮量

在全球碳循环中,大气圈与陆地植物群落间的CO2交换量最大,其次是大气与海洋之间。很多研究表明陆地碳循环对于大气二氧化碳浓度上升有着重要影响[3～5]。目前陆地碳循

环研究的主要问题包括:①陆地生态系统各主体类型中碳的贮量和流量(源、汇);②人类活动对这些变量的影响;③温度和大气CO2浓度升高对各陆地生态系统碳循环的潜在效应以及二者之间的循环因果关系[6]。

陆地碳库包括陆地生物圈、土壤圈和岩石圈等。碳库容量的概貌可参见图1。对陆地生

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物量碳素贮量的估计差异较大,范围在480～1080PgC之间[7],目前普遍接受的估计是560PgC[8～10],其中森林约为422PgC,草原约为9216PgC,沙漠、冻原、湿地、农田分别约为519、910、718、2115PgC[11]。当植物枯死或凋落后,碳素由活生物量转移到凋落

[12,13]

物库中。凋落物的碳素总贮量估计为60PgC,凋落量为40～55PgC󰃗,凋落物中碳素a

的平均周转时间约为115年。对于平均气温高于30℃的热带生态系统,凋落物分解速度可能超过输入速度,因此基本上没有净的积累,而在寒冷气候下,输入速度要超过土壤中的分解速度。泥炭是凋落物积累的一种极端情况,其碳素总贮量估计在160～165PgC之间[14]。

陆地土壤是地球表面最大的碳库,其有机碳总贮量约在1400～1500PgC之间[15～17]。

[18]

Parton等将土壤碳库区分为活性(active)、缓性(solw)和钝性(passive)3部分。活性碳库由活的土壤微生物及其代谢产物组成,周转迅速,存留时间小于1年;缓性碳库包括植物材料中经生物代谢难以分解的成分,存留时间为几十年;钝性碳库包括化学代谢反应中不能够分解的有机质成分,如木质素和部分纤维素,存留时间一般在几百年至数千年之间。

岩石圈是地球上最大的碳库,但其与生物圈、水圈和大气圈之间的碳循环量很小,规

[10]

模仅在0101～011PgC󰃗a之间,而且岩石圈中碳素的周转十分缓慢,因此,在许多碳循环模型中均未将岩石圈考虑在内(化石燃料除外)。岩石圈中的碳以有机碳和碳酸盐两种形态存在。根据各类岩石的碳素平均含量和相应质量,估算出整个岩石圈的有机碳贮量为210×107PgC,其中化石燃料约为5000～10000PgC[14,19]。整个岩石圈的碳素总贮量为910×107PgC,地球共包含有大约110×108PgC[10,20]。

我国有关碳循环的基础研究比较薄弱,目前陆地生态系统的碳贮量和净第一性生产力(NPP)碳量还没有被准确确定,而且陆地生态系统的碳通量估计也存在较大的差异[21],今后需要大力加强这方面的工作。

3　陆地碳源和碳汇

在几十年到几个世纪的时间尺度上,人们主要关心的是碳在大气圈、海洋和陆地生态系统(包括植物和土壤等)三个碳库之间进行的连续交换,即碳的流量问题或者说是碳源和碳汇的问题。碳源可以理解为向大气圈释放碳的通量、过程或系统,碳汇可以理解为从大气圈中清除碳的通量、系统、过程或机制。大气圈与陆地生态系统之间碳的交换过程存在的未知问题最多,受人类活动的影响最大,是全球碳循环的研究重点,CO2、CH4和CO三种气体的源与汇则是主要的研究对象,其中以CO2最为重要。311　CO2源与汇的研究进展

化石燃料燃烧与土地利用变化产生的CO2超过同期大气CO2的增量及海洋的吸收量,

)问使得CO2收支失衡,一部分CO2“失踪”,导致所谓的碳的“未知汇”(“missingsink”题。自从1938年Callendar首先提出CO2收支不平衡这一问题以来[22],60多年过去了,这

个问题仍然是困扰科学界的一大难题。它所依据的确凿资料在于以下三个方面:①1957年开始的大气CO2浓度监测数据;②近200年的冰芯CO2数据;③化石燃料燃烧释放的CO2

[23,24]

数据。在1958～1978年间这部分碳汇大约有37PgC,80年代平均约有118PgC󰃗,这a

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一“未知汇”一般认为存在于陆地生态系统,分布区域可能在北半球中纬度地带[25,26],而土壤和植被是可能的汇[27]。

化石燃料燃烧排放的CO2是目前了解得最清楚的一个量值,每年约为610PgC

[6,9,10,13]

,如果这些CO2全部存留在大气中,将使大气CO2浓度以018%󰃗a的比率递增,但

实际上目前的增加速率仅为014%󰃗a(115ppmv󰃗a),也就是说不考虑别的排放途径,每年

化石燃料排放的CO2中也只有56%(3136PgC)保留在大气中[28],其余33%(2PgC)被海洋吸收[26,29],两者合计约占化石燃料燃烧年排放量的%,也还存在11%(0166PgC)的“未知汇”。若考虑土地利用变化等途径排放的CO2,目前“未知汇”的量有以下几个估

[9]计:215,119±112[30],117PgC[10],117PgC是较新的估计,也是普遍接受的估计。

在进行大气CO2源汇平衡的运算中,通过海洋环流和海水CO2溶解模型、生物地球化学模型以及测量大气-海洋CO2分压差异估计的80年代全球海洋碳吸收通量比较一致,[31]

在2±018PgC󰃗a左右,而对土地利用变化造成的CO2排放量的估计差异较大,它约占化石燃料燃烧排放量的18%～60%(1960年以后)[6],其中80年为016～215PgC󰃗a,90年为[9]111～316PgC󰃗就只能存在于陆地,目前a。如果海洋的吸收量是准确的,那么“未知汇”

全球碳循环研究的重点就在于确定“未知汇”在陆地上的空间分布、吸收强度以及影响陆地碳汇的因素。

对于“未知汇”在陆地上的空间分布和吸收强度有许多不同的看法。Fan等[32]通过分析1988～1992年大气CO2空间分布资料认为:北美(大部分在51°N以南)和欧亚-北非可能是汇,前者平均吸收量达(117±015)PgC󰃗a,后者平均吸收量仅(011±016)PgC󰃗a,而且北美具有很高的可信度,其它的陆地表面(热带-南半球)可能为

[32]源,平均释放012±019PgC󰃗a。然而,许多学者的看法与Fan等有很大的差异,Potter等[33]认为1987年美国和加拿地生态系统的碳汇通量分别为0112和0110PgC󰃗a,1988年分别为0105PgC󰃗a和0117PgC󰃗a,北美陆地生态系统每年吸收的大气CO2只能抵消80年代晚期北美化石燃料燃烧源的20%,而且全球范围的陆地生态系统碳汇范围也只

[34]

有014～216PgC󰃗a;Holland等对美国森林碳汇的估计(80年代晚期至90年代早期)及

[35]

Houghton等对美国土地利用变化(森林再生等)碳汇的估计(80年代以来)分别为

[32]

0117PgC󰃗～0135PgC󰃗a和0115a,较之Fan等对北美碳汇的估计相差甚远,仅能抵消美国年释放量的10%～30%。另外,Houghton[30]认为北半球中纬度森林吸收CO2的范围在015～018PgC󰃗a之间,尚未观测到但可能也被陆地生态系统吸收的为111±113PgC󰃗a;

[36]

Cao等模拟CO2和气候效应得到的北半球碳汇约为0158PgC󰃗a,且没有明显的东西差别。模型的不完善以及使用不同的资料和模型进行计算是造成差异的CO2观测资料的稀少、

主要原因,也是难以区分陆地碳汇的最主要原因[37]。但是,对于北半球中纬度地区是碳汇,似乎都没有异议。现在已经对北美(AmeriFlux)和欧洲通量(EuroFlux)进行了高塔监测,并逐步向南美、非洲和亚洲进行延伸[38,39],其目的是在全球各种陆地生态系统建立世界范围的监测塔网站进行长期的碳通量和生态资料的收集,通过测量植物和土壤吸收与排放的CO2来追踪碳循环,确认“未知汇”的区域和提供陆地碳汇的大小。

了解影响陆地碳汇的因素是理解全球碳循环的一个重要前提。CO2浓度增加造成的施肥效应、N沉降增加造成的增肥效应、废弃农场和砍伐森林的再生等都是造成陆地生态系统(特别是森林)吸收CO2的原因。Fan等[32]将北美高达117PgC󰃗a的碳汇归因于森

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林的再生、人为N沉积、CO2施肥作用以及全球变暖;Potter等[33]推论气候变化、近期森

[40]

林再生是陆地生态系统碳汇的主要原因。Delucia等进行的实验研究表明,CO2等温室气体增加促进了植物生长,推论世界森林将能吸收50%左右人类活动释放到大气中的CO2。

[41]

早期估计全球N沉降增加对陆地碳汇的贡献可高达115PgC󰃗a,欧洲和北美的N沉降最重,按照模式计算,人为N沉降刺激北美碳吸收达0129～0135PgC󰃗a,而欧亚则更高(0167

[42][43]

～0186PgC󰃗a)。但最近Nadelhoffer等的研究结果认为过去估计的N沉降施肥效应

对碳汇的贡献过高,只有1󰃗3的N可被植物利用,因此N沉降增加对北半球陆地生态系统

[44][45]

(森林)吸收CO2的贡献是很小的,仅在0125PgC󰃗a。对此,Jenkinson等和Sievering有不同的看法,前者认为Nadelhoffer等的认识中可能有遗漏因素,后者认为森林C吸收的上限应该在1～2PgC󰃗a。312　CH4、CO源与汇研究进展

CH4全球的释放由天然源(160TgCH4󰃗a)和人为源(375TgCH4󰃗a)释放组成,现在

[31]

估计的总量为(535±125)TgCH4󰃗a。人为源包括天然气泄漏、石油煤矿开采及其他生

产活动、热带生物体燃烧、反刍动物、城市垃圾处理场、稻田等。天然源包括天然沼泽、湿地、河流湖泊、海洋、热带森林、苔原、白蚁等。人为源估计占总释放量的60%～80%左右,其中20%左右(100TgCH4󰃗a)与化石燃料的生产与使用有关,主要是煤矿和石油、天然气开采过程中的泄漏。天然湿地(沼泽地、浅水湖沼和苔原等)是CH4的主要源,全球天然湿地的CH4排放约占总释放量的20%,随着全球变暖的继续,微生物活动增强,天然湿地的释放量可能会进一步加大。稻田是CH4的另一个重要源,但到目前稻田CH4排放量

[46]

的估计也不确定,范围在20～100TgCH4󰃗a,较为可信的估计量为40TgCH4󰃗a。除了大气中每年增加37TgCH4󰃗a以外,大气CH4的汇主要是与OH自由基在对流层大气中的氧化反应(490TgCH4󰃗向平流层输送(40TgCH4󰃗a)、a)和干燥土壤的吸收(30TgCH4󰃗a),

[47]

全球CH4汇的大小在(560±100)TgCH4󰃗a。

大气中CO浓度较低(45×10-12～250×10-12),滞留时间约2个月。CO的源汇平衡主要取决于人类活动的排放量,少量的CO由植被吸收,大量的CO汇是在大气中与羟基(OH)反应,由于CO与OH反应生成CO2很快,所以CO在全球碳的源汇平衡计算中包括在CO2的流量之内[2]。

4　大气CO2浓度升高对陆地生态系统碳循环的影响

大气CO2浓度监测始于1957年,由Keeling领导的研究组在夏威夷的MaunaLoa和南极分别进行,夏威夷MaunaLoa岛观测站(1915°N,15516°W)已连续进行了40多年大气CO2测量,是世界上最长、最可靠的大气CO2浓度记录,从1959年到1998年,大气CO2浓度从315183ppmv增加到36617ppmv,增加了1611%,平均每年增加1130ppmv。如果

～2050年)CO2浓度将是工业前(280CO2的浓度继续增加,到21世纪中叶(2030

～600ppmv),全球年平均气温将升高115～415℃[48,49],降水可能增ppmv)的两倍(560

加7%～15%[23]。这无疑会对陆地生态系统碳循环产生巨大的影响。首先考虑到的是CO2

浓度增加是否会增加陆地植被对CO2吸收量,也即增加碳素的固定量。通过长期的模拟实验研究,已经得出了部分结果,例如在海滨沼泽生态系统中,在增加CO2浓度的情况下,若

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是C3植物和C4植物混杂的群落,C3、C4植物的生产力都有所增加,C3植物要高于C4植物,若是单一C3植物的群落,地上部分生物量净增约15%,地下部分(根)生物量净增超过80%,而在单一C4植物群落中,地上部分和地下部分生物量对CO2都无明显的响应[50]。热

带森林生态系统也有类似的结果,当生态系统暴露在CO2浓度为610ppmv的气氛中,地上部分生物量仅增加6%(相对正常浓度340ppmv),而地下部分生物量却增加了30%,土壤呼吸量增加了一倍[51]。对草地生态系统来说,加倍的大气CO2浓度会促进植物对资源(水分、养分等)的利用效率,从而增加净生产力[52,53]。对农作物来说,若大气CO2浓度从340ppmv增加到680ppmv,将使C3类作物(小麦、大豆和水稻等)产量增加10%～50%,C4类作物(玉米、甘蔗等)产量增加0～10%,C3作物对CO2倍增的响应要比C4作物显著的多[]。否定的观点认为,这种状况在高度施肥的温室中可能是真实的,但自然界的植物生长主要受土壤养分和水分的,而不是缺少CO2,因而CO2浓度增加对植物的影响究竟是正还是负尚难以定论,至少在量值上比试验条件下观测到的要小[55]。但实际上,许多有关CO2增加与植物水分的研究表明,C3和C4植物在CO2浓度升高后对水分利用的效率分别可增加60%～160%[56]。若CO2浓度升高增加了陆地植被对CO2吸收量,一部分失踪的人为碳汇就找到了归宿,剩下的工作就是测量各种植被所增加的碳贮量,碳循环的链条也就能够续上,但是问题远不是那么简单,地球是一个复杂的巨系统,源汇的分布、强度及其转化还有着太多的未知数。

5　陆地碳循环模型研究进展

为研究陆地碳循环与全球变化之间复杂的相互作用以及实现碳循环的定量模拟和预测,模型方法已经成为陆地碳循环研究中不可替代的手段。利用碳循环模型可以模拟碳循环的动态变化,估计土壤和植被的碳存贮现状以及预测未来的碳存贮潜力。在几十年到几个世纪的时间尺度上,陆地碳循环模拟主要解决3个方面的关键问题:①气候变化对陆地碳循环的影响。②大气二氧化碳浓度上升对陆地碳循环的影响。③土地利用与土地覆盖变化的影响。

Leemans等曾将陆地碳循环模型的发展分为三个阶段,最早的碳循环模型是碳平衡模

型[57],例如Esser于1987年提出的OBM模型[58]。这类模型根据陆地生态系统的分类,模拟各类生态系统的净初级生产力(NPP),并从实测数据分析不同生态系统类型的碳密度,再根据分布面积的估计,然后用简单相乘的方法计算全球陆地的碳平衡,但没有包括陆地生态系统对全球变化的反馈效应,属静态模型;第二阶段的陆地碳循环模型是在地理空间数据库基础上,通过植被-气候关系模拟陆地潜在的植被分布,从而预测气候变化对陆地碳平衡的动态影响。但对不同生态系统的碳密度仍没有机理性的解释,并且没有包括土地利用和土地覆盖变化(LUCC,Landuse󰃗coverchange)对潜在碳存贮密度的影响,例如CASA模型[59,60];模型发展的第三阶段是模拟生物地球化学循环的动态和机理过程,并将植被组成与结构变化及土地利用和土地覆盖变化(LUCC)等影响引入到模型中,预测全球变化情景下陆地碳循环的动态,例如Melillo发展的TEM模型[61]。后两个阶段主要以动态模型为主。目前,国外已发表了大量的陆地碳循环模型,但是国内有关碳循环模型的报道不多,尤其是区域尺度的碳循环模型[62],而且多是静态模型[63]。

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为了对陆地碳存贮和碳循环模式作出合理和准确的预测,当前碳循环模型的发展趋势表现为以下4个方面:①建立全球碳循环动态模型,并更加注重碳循环的机理过程,模拟从几十年到几个世纪不同时间尺度上的碳循环动态[];②从单一碳循环模拟向碳、氮、磷等多种元素循环相耦合的模拟。研究表明,在多种时间尺度上碳循环都和其它元素的循环相关连,特别是氮、磷和硫[41],而且可利用氮的不足将生态系统碳的吸收和存贮[],因此,碳循环模型中必须直接或间接地模拟其它营养元素对碳循环的影响;③开始注重土地利用与土地覆盖变化对陆地碳循环的影响。当前,对未来土地利用与土地覆盖变化模式的预测仍是碳循环模拟中的主要不确定因素,并已成为碳循环模型研究的新热点[57,65];④碳循环模型与遥感、GIS技术结合,模拟大尺度的碳循环过程[66,67]。

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306地　　理　　科　　学　　进　　展　　　　　　　　　　　19卷

ProgressesofTerrestrialCarbonCycleStudies

GengYuan2bo,DongYun2she,MengWei2qi

(InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing　100101,China)

Abstract:Progressesofterrestrialcarboncyclestudiesareintroducedintermsofsomerecenthomeandoversealiteraturesinthispaper.Theseprogressesareasfollows:①.e.thebiomassofterrestrialbiosphere,pedosphereMajorterrestrialcarbonreservoirs,i

andlithosphere,theirorganiccarbonstoragesare560PgC,1400～1500PgC,210×107PgCrespectively,andcarbonstoragesoffossilfuelsinlithosphereareabout5000～10000PgC.Organiccarbonstoragesofforest,grassland,desert,tundra,wetlandand9216PgC、519PgC、910PgC、718Pgfarmlandintheterrestrialbiosphereare422PgC、

2115PgCrespectively.②The“C、Missingsink”ofCO2atatmosphereisabout017～311PgC,andtheassessingvalueof117PgCisgenerallythoughttobesatisfactory.Itispossiblethatthe“Missingsink”islocatedinmiddlelatituderegionoflandintheearth.③

ThefluxesofCO2(Source)fromLUCC(Landuse󰃗coverchange)arebetween016and316PgC,andresultsoffluxfromdifferentresearchershavemuchdifference.ThevalueofglobalsourceandsinkofCH4is(535±125)TgCH4󰃗aand(560±100)TgCH4󰃗arespectively.④SomestudiesshowthatincreasingconcentrationofCO2inatmospherecanincreaseNPPofvegetation.⑤Thedynamicmodelsofterrestrialcarboncyclinghavebeendevelopedrecently,andtheeffectofLUCCandthecouplingofcyclingofC、N、PandShavebeenpaidmoreattentiontointhesemodels.

Keywords:terrestrialcarboncycle;source;sink;modelofcarboncycle