同位素与全球环境变迁5.ppt

5碳同位素5.1自然界中的碳,自然界稳定的碳同位素有两种，其丰度分别为12C98.89213C1.108自然界中碳库与碳同位素的分布如下表,,,,由上表可以得出以下几点认识（1）依库存量排序，有四个主要碳库a.沉积岩中的无机碳b.沉积岩中的有机碳c.海洋中溶解的无机碳d.化石燃料,,沉积岩是最主要的碳库，其中80的碳以无机碳形式存在。世界上绝大多数的碳（90以上）被埋入地下岩石中。上表中在海洋中未列出海洋生物，表明海洋生物碳库量很小。虽然以上四个碳库是最大的，但是对于影响大气和环境、影响人类和生物生存的碳循环而言，它们大多影响不大。,,（2）碳库交换最主要发生在a.大气/海洋CO2（可逆过程）b.大气/陆上植物（光合作用，不可逆过程）c.海洋生物的光合作用（不是直接与大气CO2作用，而有间接影响，不可逆过程）,,（3）只有沉积岩无机碳的13C值0‰（1‰），海洋总溶解无机碳（TDC）的13C值～0‰，其余都14C/12C大气低层14C/12C大气14C/12C海洋14C/12C海洋表层14C/12C海洋底层,,在大气中14C很少，14C/12C平均值10-12。由于光合作用植物吸收大气中的14CO2。当植物死亡被被埋藏时，植物就与外界隔绝，不再进行碳的交换。植物内的14C就依半衰期衰变，由埋藏有机物中的14C/12C比值，可以进行定年。,,14C的产生速率呈长期波动。进入大气的宇宙射线粒子通量是地磁场强度的函数。地磁场强度与太阳风的磁屏蔽性质的变化有关。太阳风性质反映了日冕的变化。太阳黑子数目是太阳表面附近对流变化的最好指示。14C的产生速率与太阳黑子数目有关。,,大气中14C含量的变化会被树木年轮记录下来。目前已经从树木年轮中获得了近5000年来大气中14C记录，用以表述太阳活动变化。近千年来太阳活动有五个极小期，即1020－1085年，1260－1350年，1415－1550年，1640－1730年，1800－1830年。太阳黑子数变化曲线和14C记录曲线十分吻合。在工业化以来，大气中CO2的14C/12C或14C值下降，这是由于大气中12CO2含量的增加。,,在1958－1962年，由于热核试验大量的放射性碳（14C）被释放到大气中，大多数直接进入平流层。在1963年，北半球对流层的放射性核的浓度达到最大。在1964年，在南半球达到最大。其后，由于人类热核试验减少，大气中14C进入陆地生物和海洋，这个浓度稳定减少。,5.12陆地水中的碳同位素,江、河、湖水中的总溶解无机碳的13C值与下列因素有关①大气CO2与水体平衡的程度。②在岩石风化中，原先存在的碳酸盐岩溶解的总溶解无机碳的13C值一般在13‰；硅酸盐岩风化中，大气CO2对形成的CaCO3贡献，大气CO2的13C值一般在-6-7‰。,,③有机物降解反应后形成的CO2（水）量，其13C在-25‰。④水中有机物光合作用从水体中吸纳的12C的程度。,5.13海水中的碳同位素,海洋中的碳库有四种溶解无机碳（35000X1013gc）溶解有机碳（1000X1013gc）颗粒态有机碳（3X1013gc）海洋生物（碳库很小，忽略）最主要碳库是海水中溶解无机碳,5.13.1海水中溶解无机碳的四种形态,CO2（水）H2CO3（水）HCO3-（水）CO32-（水）产生它们的反应H2OCO2H2CO3H2CO3HHCO3-HCO3-HCO32-,,pH值影响海水中碳的存在形态海水pH8.5，溶解无机碳的99是以HCO3-形态存在的。淡水pH57，溶解无机碳主要为HCO3-和H2CO3。,,海水中总溶解无机碳的13C0。现代在25时，相对于海水，大气CO2亏损重碳同位素（13C）约79‰，大气的13C-7-9‰。,5.13.2海洋有机碳及生物泵作用,（1）生物泵海洋中生物大多生存于海洋上层的透光层。海洋浮游生物的光合作用，使碳被固定在有机物中，形成富集轻碳同位素的有机物。这些有机颗粒以粪粒或动植物尸体的方式最终下沉，留下表层海水同位素偏重（13‰）。,,海水依据密度分层，而密度主要取决于温度。等密度面被定义为等重面。海水表层生存的生物会以粪粒或动植物尸体的方式向下沉积。这样就产生一个穿过等重面的“碳流”，它滋养了光合作用层以下的生物。,,有机物沉到海洋深部，由于有机物再溶解和细菌的分解，有机碳又被氧化成二氧化碳。深部水中的碳含量大大超过了表层海水，并含有更多的营养物质。这样，海洋表层的富含轻碳同位素的营养物质不断地输送到深海，这就是生物泵的作用。,,深部海水上涌会引起海水表层浮游植物产率的增加，引起更多的碳被固定在有机物中。,,（2）海洋浮游生物有机碳13C值与海水温度的关系海洋浮游生物有机碳13C值一般在-10-31‰。大多数温水型浮游生物的13C值在-17-22‰。,,浮游植物/CO2（水）之间的碳同位素分馏程度与海水温度变化呈反比关系。当海水温度升高，浮游植物与CO2（水）之间的分馏系数（）减少，所以浮游植物的13C值上升，可达-13‰；同时海水中的CO2（水）溶解度降低。,,相反，在冷水环境下（极区寒带），表层水温在10℃-2℃时，浮游植物与CO2（水）之间的分馏系数（）变大，海洋浮游植物13C迅速下降，甚至可达-32‰；同时海水中的CO2（水）溶解度升高。,5.13.3海水13C剖面,McNicholandDruffel1992报道了1987年六月在北太平洋，从水深3米到5765米，采集海水样测定出的溶解无机碳的13C值。见下图,McNicholandDruffel1992报道的1987年六月北太平洋海水13C剖面,,在海水表层海洋生物的光合作用最强，海水中溶解无机碳的13C值最高。从海水表面向下，由于光合作用逐渐减小，溶解无机碳的13C值在总体上逐渐减小。在水深～900米处是海水氧含量最小处，导致有机物的溶解，使得此处海水中12CO增加，海水溶解无机碳的13C值达最小。从1000米以下，海底环流使海水氧含量又有上升，活的生物量又有所增加，生物摄取的12C增加，引起海水溶解无机碳的13C值又上升。,,因此，虽然整个海水的13C值≈0，但是在海水不同深度，溶解无机碳的13C值在变化。,5.13.4海洋沉积碳酸盐13C值与埋藏生物量的关系,从海洋中沉积的无机碳酸盐（主要是灰岩）的13C值主要与当时海水中溶解无机碳的13C值有关，海水中溶解的无机碳13C值又取决于当时海洋生物总量。,,当海洋生物量增多时，意味着从海水中清除轻碳同位素（12C）增加，这样，海洋库中溶解无机碳的同位素组成变重，因而当时从海水中沉积的无机碳酸盐（海洋灰岩）13C值应该升高。反之，当海洋生物量迅速降低时，或大量生物绝灭时，生物从海水中清除轻碳同位素（12C）迅速减少，这样，海水中相对富集轻碳同位素（12C），因此从海水中沉积的无机碳酸盐13C值降低。,,这样，海相灰岩的13C值可以作为海洋生物总量的一个指示剂。海相灰岩的13C值高，反映当时海洋生物量增加；反之，海相灰岩的13C值低，反映海洋生物量减少。在海洋灰岩13C值的长期变化中发现存在有一些短时期的负波动峰，被称为“碳同位素事件”或碳同位素“负异常”，它们有时被确认为是生物绝灭事件。这些事件已被作为全球地层对比的一个重要标志。例如，在前寒武纪/寒武纪界限，二叠纪/三叠纪界限等,,这是测定的元古代末期我国三峡剖面灰岩碳同位素组成情况。在大部分时期13C值高。研究证实，在南沱冰期，全球温度的大幅下降引起大量浮游植物死亡，使海水13C为负峰值。在南沱冰期后，全球温度和海平面迅速上升。在陡山沱时期，以疑源类为主的海洋浮游植物繁盛。在陡山沱中期，发生广泛海侵，藻类在近岸发育，形成藻席。到了灯影时期，疑源类丰度减少，但近岸藻类发育，形成丰富的藻席。这些反映，在震旦纪海洋浮游植物的“爆发”。,,另一方面，研究证实，在文德时期海水存在分层现象，在氧化的表层海水之下是富营养的缺氧深水，它有助于阻碍下沉有机物的氧化，导致陡山沱和灯影时期海水13C在总体上为正值。Hsu等（1985）认为，在陡山沱组顶部和寒武系底部出现的突然13C负波动反映了某种原因引起海洋分层海水的扰动，缺氧的深水与表层海水的混合，他们称为“死劫难海”，使得海洋浮游生物产率的降低。,5.14生物成因碳酸盐形成中的动力学同位素分馏和新陈代谢同位素分馏,在同位素平衡分馏情况下，生物碳酸盐的13C值大于溶液的值。但是实际上，许多生物碳酸盐的13C值小于溶液的值，这是生物碳酸盐形成中的非平衡同位素分馏所致。,,到目前为止，对于在海水和生物碳酸盐之间的碳氧同位素分异研究的主要观点如下（1）在CaCO3缓慢地从溶液中沉积时往往处于平衡同位素分馏。平衡同位素分馏使得碳酸盐中的13C值可达13‰。（2）某些生物成因碳酸盐的形成远远偏离与周围水溶液的同位素平衡，18O亏损常可达4‰，13C亏损常可达14‰。,,（3）动力学不平衡是由于在CO2的水合和水解期间动力学同位素效应引起的，它涉及18O与13C分别可亏损达4‰和1015‰。强的动力学不平衡常表现在生物发生的迅速钙化过程中，此时在骨骼碳酸盐中13C与18O间明显地呈线性相关。,,（4）“新陈代谢”效应主要是由光合作用和呼吸作用引起的。光合作用作用优先吸收12C，使局部溶解无机碳库13C。相反，呼吸作用降低了溶解无机碳库的13C值。由光合作用和呼吸作用引起的溶解无机碳库以及因此引起的沉积CaCO3的13C的改变，被称为“新陈代谢”同位素效应。,5.15有孔虫碳同位素的应用,（1）底栖有孔虫13C值反映植被面积Shackleton1977提出，陆地生物圈碳库的变化会影响海水总溶解碳的13C值。在冰期时，由于热带雨林等植被面积的缩小，大量的12C转移到大气中，通过与海水的交换，使得冰期海水总溶解碳的13C值变轻，因而，底栖有孔虫记录的13C值较轻。相反，间冰期，底栖有孔虫记录的13C值较重。,,（2）浮游有孔虫13C指示冰期-间冰期过渡时期大量冰融水的输入浮游有孔虫13C的低值可以指示冰期-间冰期过渡时期大量冰融水的输入。原因是淡水比海水具有更轻的13C值。,,（3）底栖与浮游有孔虫13C差值反映古生产力由于海洋表层生物的光合作用合成有机物，使得表层海水13C值升高。深层水由于有机质的降解，所以13C值低。另外，由于上面所述，在冰期时，由于热带雨林等植被面积的缩小，冰期海水总溶解碳的13C值变轻。因而，底栖有孔虫记录的13C值较轻。相反，间冰期，底栖有孔虫记录的13C值较重。在冰期时浮游生产力高，浮游有孔虫13C值较重，即浮游与底栖有孔虫的13C值变化相反。因此，浮游与底栖有孔虫的13C绝对差值越大，则古生产力越高。,5.16沉积碳酸盐岩,沉积岩中主要碳库是碳酸盐岩和有机碳，它们的13C值平均值分别为1‰和-23‰。从水溶液中沉淀出的无机碳酸钙和生物碳酸钙的同位素组成主要取决于以下因素①溶液中HCO3-的13C值，②溶液中HCO3-与碳酸钙之间的平衡分馏系数，③水溶液的pH值。根据平衡分馏计算，沉积碳酸钙相对于总溶解碳（HCO3-，CO32-）富集13C，约1-3‰，而温度对碳酸盐的13C值的影响很小（0.1‰/℃）。,5.16.1海水碳酸盐,海水中溶解无机碳主要呈HCO3-。海洋总溶解无机碳的13C值0‰。在同位素平衡分馏状况下，海洋碳酸盐的13C值约为1～3‰。一些生物碳酸盐显示非平衡分馏状况，其13C值或接近于或低于海洋总溶解无机碳的值。对比有二种解释,,①沉积速率效应CaCO3HCO3-之间分馏程度与钙质沉淀速率成反比，即生物壳层和骨骼生长快时，CaCO3HCO3-之间的分馏小，只有在很慢的情况下，才可达到平衡分馏。,,②生命效应由于不同生物的生理的差别，使得其生物碳酸盐形成时处于非同位素平衡分馏状态。总的看来，现代海相碳酸盐的13C值在04‰，少数生物碳酸钙，如六射珊瑚，海星纲和海百合纲，可低到-6-9‰。海水软体动物贝壳的13C值一般在-1.74.2‰。,5.16.2淡水碳酸盐,淡水碳酸盐比海相碳酸盐一般亏损重同位素，并表现出13C值变化范围大。主要是由于淡水中溶解的无机碳有多种来源①土壤中植物碎片氧化或有机物降解反应产生的CO2，其13C值-25‰。②淡水植物的呼吸作用放出的CO2，其13C值-23‰。,,③大气CO2，其13C值-7‰。④碳酸盐岩风化出的CO2，其13C值为-7-9‰。⑤碳酸盐岩分解放出的CO2，其13C值为1‰。⑥淡水植物的光合作用作用优先吸收轻碳同位素。,,在湖水、河水和地下水中溶解的无机碳的13C值一般在-303‰，平均-8‰。淡水灰岩比海相的平均富集轻碳约57‰。淡水软体动物贝壳的13C值一般在-0.6-15.2‰。在淡水沉积物中，有机碳的13C值在-7-38‰。在对化石壳进行同位素分析之前，成岩作用的影响应该估计，因为它可能通过重结晶过程改变同位素比值。,5.16.3白云岩,在平衡条件下，沉积白云岩比共存灰岩富集13C约2‰。大多数海相白云岩的13C值与灰岩接近，说明白云岩很可能是准同生或早期成岩阶段形成的。,5.16.4大理岩,它是重要的变质岩。区域变质地质体中纯大理岩的13C值与各地质时代碳酸盐岩平均值很接近，即变质作用（即使是麻粒岩相条件下）对13C值的影响很小，一般未发生碳同位素的交换。,5.17Fossilfuel,Coal，petroleum，naturalgas，oilshale，所有这些化石燃料都强烈地富集轻碳同位素，这表明它们是生物成因的。,,（1）Coal不同时代煤的13C值在-19-29‰，平均-25‰。在煤化作用期内，即从木质素演变为煤的过程中，没有发生明显的碳同位素的分馏，所以其13C值类似于现代植物。,,（2）petroleum原油的13C值在-18-34‰，平均-28‰。比煤更富集轻碳同位素。,,石油的13C值与生油母岩的沉积环境有关。其特点①陆相沉积的腐殖植型有机物（干酪根）形成的石油往往比海相沉积的腐泥型有机物（干酪根）生成的石油更富集12C。②石油13C值变化范围大于10‰，但对单个油藏来说，13C值变化范围小。如大庆油田原油的13C值在-28.8-31.2‰。由此可用来对原油进行分类，确定原油的性质与来源。③石油13C值还与各种后期或次生作用影响有关。,,（3）Naturalgases以富集13C的顺序排列甲烷，乙烷，丙烷，,CO2。天然气的13C值一般在-21-76‰，同石油与煤相比，更富集12C，且变化范围大得多。,,甲烷的形成机理有两种①生物成因细菌在还原条件下，对有机物分解而产生。②热成因由温度引起，与有机物埋藏深度有关。在煤化作用和煤的变质作用，或石油成熟和裂化过程中都可产生。,,生物成因的甲烷比热成因的要更富集12C约2040‰，甚至更多。根据天然气中甲烷的13C值，可将天然气按不同成熟度阶段划分为①早期微生物成因的干气，13C-55-80‰，②成熟期与油伴生的天然气，13C-42-55‰，③成熟期后与凝析油有关的气，13C-36-42‰，④过成熟的干气，13C＞-36‰，⑤与煤有关的天然气，13C＞-30‰。,,（4）化石燃料的燃烧早在上个世纪50年代中期，Revelle和Suess就指出，由于人类活动，主要是人类对化石燃料燃烧，使得埋藏的古代有机碳返回大气和海洋。在上个世纪50年代中期，主要结果来自于在南极测量的大气二氧化碳含量和在深海测量的14C。在1980年左右，对极区冰芯中气体组成的测量得到了过去时期温室气体增加趋势。,在南极冰芯中测量得到的过去1千年中大气CO2的增加据Oeschger,2000,,BroeckerandPeng（1982）预计，在下一个400年内，总的化石燃料的燃烧将放出2.3X1017moles的CO2量，它近似为目前大气CO2量的四倍。,,化石燃料的燃烧加速了生物圈碳的循环，提早地挖掘出沉积圈中的埋藏碳。化石燃料的燃烧引起大气碳库发生以下变化大气中CO2量大气碳库13C值大气碳库14C值,,,,,综上所说，光合作用的重要意义在于植物利用吸收的太阳能将吸收的CO2和H2O中的C-O，H-O键打断，使C、H结合，并使之与其他元素结合，生成各种有机物。光合作用将光能转化为生物能，储存起来。这是一个脱氧的、储能的过程。,,而化石燃料的燃烧，是一个相反的过程，将生物中的C-H化合物氧化为CO2和H2O，并释放生物能。这实际上是一个氧化的过程。,,动物，包括人类，要消耗许多能量，例如运动、呼吸、大脑的活动等等。呼吸吸进氧气，呼出CO2和H2O。这有如化石燃料的燃烧，是一个氧化的过程。但不同的是，化石燃料的燃烧是一个不受控的过程，而人体的活动是一个缓慢氧化的受控过程。在这个过程中，逐渐地消耗了人体内的碳水化合物和脂肪，维持人体一定的温度。从根本意义上说，地球上的万物生长的能源来自于太阳。,5.18碳源和碳汇,全球变暖是国际社会所面临的最为严峻的挑战。要想弄清温室化的机理，必须彻底查清导致温室气体在什么地方生成，生成多少，即碳源；以及大气二氧化碳在什么地方被吸收的，吸收量如何，即碳汇。就是要搞清楚碳是如何在地球上循环的。通过弄清这个机制，就能够迅速察觉大气二氧化碳含量的变化及其规律，从而更好地预测气候的变化。,,（1）碳源和碳汇表达式大气二氧化碳含量的变化（Y碳酸盐分解Y生物氧化Y化石燃烧Y生态破坏Y呼吸）–（H岩石风化＋H海洋溶解＋H光合作用＋H水中沉积）,,公式右手边的第一个括号内表示大气二氧化碳的几个来源，简称碳源Y碳酸盐分解碳酸盐矿物在深埋到很大深度后，由于岩浆和变质作用而热分解，通过洋底热液活动或者火山作用，向大气和海洋释放二氧化碳，Y生物氧化沉积物中有机物在深埋及其后抬升到陆地表面经受风化作用，有机碳被还氧化成二氧化碳，Y化石燃烧人类对化石燃料燃烧时排放到大气中的碳,Y生态破坏人类活动对生态系统的破坏，例如砍伐森林、开荒、破坏湿地等，使得二氧化碳释放到大气，Y呼吸陆地生态系统动植物的呼吸作用。,,公式右手边的第二个括号内表示大气二氧化碳的几个去处，简称碳汇H岩石风化大陆硅酸盐矿物和碳酸盐矿物风化对大气二氧化碳的消耗，消耗的大气二氧化碳转换成地下水和河流中溶解的，进入海洋，形成碳酸盐矿物沉积，H海洋溶解巨大的海洋溶解的大气二氧化碳，H光合作用植物通过光合作用，将二氧化碳固定在体内，即植物储存的碳，H水中沉积沉积在海洋和陆地淡水中的有机和无机碳。,,（2）“漏失汇”问题在百年之内碳源主要考虑Y化石燃烧（化石燃料燃烧排放到大气中的碳）Y生态破坏（人类活动对生态系统的破坏）Y化石燃烧每年为5.5X1015gcY生态破坏每年为1.6X1015gc两项共7.1X1015gc,,在百年之内碳汇主要考虑H光合作用（植物光合作用）H海洋溶解（海洋溶解的大气二氧化碳）H光合作用每年为0.6X1015gcH海洋溶解每年为2.0X1015gc两项共2.6X1015gc,,每年大气纯增加约3.2X1015gc，这样，7.1X1015gc－2.6X1015gc－3.2X1015gc1.3X1015gc即在百年内全球碳平衡中一部分二氧化碳“不知去向”，这即是著名的“漏失汇”问题，二氧化碳失踪之谜。搞清所有的碳源和碳汇，并准确定量化，是当前面临的重大任务之一。,5.19陆地生态系统,地表系统有三个碳库在不断地进行碳的交换大气海洋陆地生态系统,,（3）陆地生态系统主要是植物（主要是森林）土壤湿地,5.19.1森林,每年由植物光合作用生成的有机物量（折算成碳，为430亿吨），远高于每年人类活动所产生的二氧化碳排放量（18亿吨）。森林被称为“绿色之肺”，是地球上最大的陆地生态系统，陆地碳汇中约有一半储存在森林生态系统中。,5.19.2土壤,大量有机物存贮在土壤中。土壤对于碳的隐蔽起主要作用，土壤贮存了大约70％的总陆地碳。,5.19.3湿地,湿地被誉为“地球之肾”。湿地水分具有过饱和的厌氧生态特征，微生物活动相对较弱，植物残体分解释放二氧化碳的过程十分缓慢。湿地形成了富含有机质的土壤和泥炭层，它们起到固碳作用。湿地仅占陆地面积的2％－3％，但是它固碳能力却达全球固碳能力的25％－30％，它在全球碳循环中起到重要作用。,5.20六个主要的可能引起气候变暖的因素,A.人类活动7GtC/a；B.永久冻土永久冻土的融化会为微生物活动提供条件，从而导致其蕴藏的二氧化碳被释放出来。C.泥炭沼这种土壤一旦干旱，暴露在空气之中，被细菌分解，释放出大量二氧化碳；,,D.包合物（水合物）它是一种海底的不稳定晶体，在水温升高时，会分解，释放出大量甲烷；E.海洋人类活动释放的二氧化碳有1/4被海洋溶解。随着水温的升高，海水中溶解的二氧化碳能力会下降；预计到2100年，随着温度上升，海洋的碳汇能力将减少10％－30％；F.人类活动会加快植被的生长，植被是个碳汇；但是随着全球气温的变暖，以及人类砍伐森林，会使得植被减少，变为碳源。,5.21人类如何应对温室气体含量增加,解决大气二氧化碳含量增加的问题，主要有四条途径。,,第一条途径人类主动减少温室气体的排放量。早在1997年12月由149个国家和地区的代表在日本东京通过京都议定书。京都议定书规定所有发达国家在2008年到2012年间必须将温室气体的排放量比1990年削减5.2％。同时规定包括中国和印度在内的发展中国家可自愿制定削减排放量的目标。,,我国是最大的发展中国家，我国的温室气体的排放量占到发展中国家排放总量的50％，全球排放总量的15％，是全球除美国之外的第二大温室气体排放国。随着我国经济的快速发展，能源消耗必将迅速增长。依目前的情况估计，预计到2050年，中国的能源消耗将占到全球总消耗的60％。我国在参与“联合国气候变化框架公约”的谈判中面临越来越大的压力。,,美国前副总统戈尔2005年10月10日分别在中国科学院研究生院和清华大学做了两场报告，名为“全球气候变暖”。在报告中他列举了人类活动导致的大气二氧化碳含量升高是引起全球气候变暖的主要原因。他显示的大量照片说明，全球气候变暖引起了全球冰川溶化和各种自然灾害的增加。,,他在回答一个学生提问“如何看待美国拒绝签订京都议定书”时回答，“其中一个重要原因是未能在废气排放量以及相关标准制定上与中国达成谅解”。戈尔在国内强烈批评布什总统退出这一条约。,,第二条途径使由光合作用形成的化合碳难以氧化、重返大气。目前主要有湿地和海洋可以做到如此。目前科学家呼吁要保护湿地。由于污染和生态环境的破坏，湿地生态系统正在遭受严重威胁，湿地保护工作已经引起了国际社会的广泛关注。,,热带海洋中生存的大量浮游生物通过光合作用消耗大气二氧化碳，然后通过生物泵作用，将碳输送到深海，沉积下去。但是，目前由于人类向世界海洋大量投放除草剂和杀虫剂等有害物质，热带海洋中浮游生物受到了大量伤害。因此，保护海洋，减少对海洋的污染也是当务之急。,,第三条途径通过固碳方式来实现。固碳也叫碳封存，分为物理固碳和生物固碳。（1）物理固碳是将二氧化碳储存在开采过的油气井、煤层或深海底。,,目前，全球发电厂的二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放量的1/4。一座大型燃煤发电厂（100万千瓦）每年产生600万吨二氧化碳，相当于200万辆小汽车的二氧化碳排放量。收集煤炭发电厂产生的二氧化碳，并将其埋入地下，能对延缓大气二氧化碳含量上升有重要贡献。,,将温室气体深埋于海底。利用海岸附近的大型工厂分离二氧化碳和其它气体，通过加压使二氧化碳气体液化，再将其装船运至距离海岸10公里的水域，这里的海水至少有3000米深。在该处海底钻一个至少500米深的洞穴，通过一条管道注入二氧化碳液体。海水在3000米深处产生的压力和深海冰冷的温度使得液态的二氧化碳的密度远大于海水的密度。,,（2）生物固碳是利用植物的光合作用，提高生态系统的碳吸收和储存能力。生物固碳是固定大气二氧化碳最便宜且副作用最少的方法。,,近年来，国际上已经开展了广泛的生物固碳技术的开发和应用，主要包括a.保护现有的碳库，加强农业和林业的管理，从而保持生态系统的长期固碳能力.b.扩大碳库，主要是改变土地利用方式，并通过选种、育种和种植技术，增加植物的生产力，增加固碳能力。人类通过植树造林、保护现有的森林、退耕还林、建立农林复合系统可以增强陆地对碳的吸收量。,,第四条途径开发和利用对大气没有排放的新的能源，例如风能、水能、太阳能等等。可持续地生产生物产品，利用生物质能替代化石能源等。,5.22目前存在的问题,所有陆地生态系统在整个碳循环中的作用目前都存在很大的不确定和不准确性，各种观测结论相差很大，甚至完全相反。,,（A）森林许多年来，人们一直认为森林是地球的“绿色之肺”，认为森林作为地球最大的光合作用系统，吸收大气中的二氧化碳，起着减缓因人为因素而导致的大气二氧化碳浓度快速增长的作用。,,俄罗斯科学家卡尔纳乌霍夫通过模式分析后发现，虽然每年由光合作用生成的有机物量（折算成碳，为430亿吨），远高于每年人类活动所产生的二氧化碳排放量（18亿吨），但是大多数光合作用形成的化合碳，由于植物的呼吸、树木的腐烂等又以二氧化碳形式返回大气，两者相差仅每年0.45亿吨，这比人类活动产生的二氧化碳释放量几乎低50倍。因此，完全依赖森林的自然机制来消除人类活动所释放到大气的二氧化碳是难以实现的，树木不能解决全球变暖的问题。,,森林光合作用导致的碳增加和呼吸作用导致的碳丢失之间的差别比较小。未来随着全球温度的上升，虽然光合作用似乎随着大气二氧化碳含量和氮沉积的增加而增加。然而，植物本身和有机物被微生物分解引起的呼吸作用也会随着全球温度的上升而增加的更快，因此导致森林的碳汇作用将减弱，最终全球的森林可能会变成一个碳源（Grace和Rayment,2000）。直到目前人类活动都只是加快了植物的生长速度，总体上是个碳汇。但是将来，酷热干旱的气候以及森林的砍伐将会使得局面发生逆转。,,目前在全球森林碳平衡研究中存在许多不确定性，这引起了有关森林生态系统是大气二氧化碳之源还是之汇之争。,,（B）土壤迄今为止人类对于土壤碳库，包括当今人类的农业土壤碳库的动态与演变机制的研究仍存在许多空白。主要是对于全球农业土壤碳库的总量不清楚，对于土壤对碳的储藏潜力不明，对于增加土壤对碳的储藏能力的措施和技术途径不甚了解。因而不能正确评价土壤碳库对气候变化的响应。,,（C）永久冻土层全球变暖汇导致季节性永久冻土层扩大和溶化，这为微生物活动提供了条件，使得游离出的碳进入大气，从而加剧全球变暖。粗略统计，到2050年永久冻土面积可能比今天缩小15％～30％。但是对此目前难以预料。,,（D）海洋有许多研究人员认为，陆地植被对平衡碳源和碳汇贡献不大，而是海洋吸收了更多的碳。Keeling等（1989）利用二氧化碳含量和13C/12C比值的测定得出，在北半球的碳汇主要不是森林，而是海洋。现今人类释放的二氧化碳有1/4都被海洋溶解。随着全球气温的升高，海水溶解二氧化碳的能力下降，那么将会有更多的二氧化碳留在大气中。但是这个界限和量目前还不能准确定出。,,陆地生物圈人类可以加以控制，但是海洋对于碳循环起一个最重要的作用，而人类并不能控制它。迄今为止，对海洋的估计还存在很大误差，特别是对于南部海洋。目前陆地说与海洋说争执不下（Schimel,1998）。,,（E）甲烷在二十世纪排放的温室气体中，甲烷气体占20％，二氧化碳占60％，其他气体占20％。在过去25年中，二氧化碳的排放量一直在稳步上升，而甲烷的排放量却在波动。,,自1999年开始，由人类活动造成的甲烷排放量增加，特别在亚洲北部地区，这可能是由于亚洲经济快速增长带来的后果。但是同时，全球湿地的甲烷气体排放量在下降。但是当全球干旱气候结束后，大气中的甲烷气体的排放量又将再次升高，从而加剧全球变暖。海底蕴藏着大量以包合物形式存在的甲烷矿藏。包合物是一种极不稳定的晶体，如果压力和温度发生变化，它就会将其中包含的大量甲烷释放到大气中。但是目前人类对此没有很好地了解。,,（F）云层云层既有阻挡太阳到达地面，使温度降低的作用；另一方面，它又可以拦截从地面反射的红外线的温室功能。一般，低矮厚重的云层，主要由小水滴组成，它们阻隔阳光的作用为主；相反，高天的纤细的云朵通常由冰粒组成，它们以温室作用为主。未来云会如何变化，云层的演化对未来气候会产生什么影响，这也是摆在科学家面前的一大难题。,,我国的情况2004年第236次香山科学会议的专家感到十分忧虑的是我们现在有三个不明我国农业土壤碳库总量，碳库收集潜力，增加碳库的措施和技术途径。这不利于正确评价我国土壤碳库对气候变化的影响。,,从我国第二次全国土壤普查以来，已经过去二十多年了。这二十多年正是我国经济快速发展时期。在这期间我国的土壤中碳含量是增加还是减少了，迫切需要有一个明确的回答。在我国工业排放迅速增加的同时，农业是否在减少然而，自二十世纪90年代以来美国等国学者却对我国的农业土壤的碳效应有过很多研究，在国际会议中，外国学者的往往拿出对我国的详细研究结果和数据，而我国学者却无言可答。,,伴随着我国经济的快速发展，加大对我国农业土壤碳库的研究刻不容缓。对这些问题的研究，在制定我国的环境政策、规范工农业生产、在国际谈判中的条件和地位都是十分重要。,,2004年第241次香山科学会议，会议的议题是“中国湿地退化、保护与恢复”。近50年来，我国丧失了大面积天然湿地，现存湿地多受到人类活动强烈干扰，其生态状况不断恶化、功能严重退化。特别在长江中下游、松花江中下游、三江平原等地区，由于大面积湿地的消失和退化，区域性灾害日益频繁。而东部沿海红树林湿地、青藏高原湿地、西北内陆湿地等的退化，直接威胁到我国生物多样性。,5.23大陆碳酸盐岩和硅酸盐岩的风化作用,陆地上岩石的化学风化作用将消耗大气中的二氧化碳以溶解的化合物形态将其带入海洋中，在那里含碳化合物被海洋生物群所吸收并沉积于海底沉积物中。陆地上岩石的风化，主要指碳酸盐岩和硅酸盐岩的风化。,,（1）碳酸盐岩方解石中的碳酸钙或白云石中的碳酸镁和碳酸钙会受到地下水中各种酸（主要是H2CO3）的作用。H2CO3是由空气中CO2的与水反应时在土壤中产生的CO2H2OH2CO3CaCO3H2CO3Ca22HCO3-MgCO3H2CO3Mg22HCO3-,,在风化中形成的Ca2和Mg2离子与HCO3-离子，由地下水带入附近的河水中，最终进入海洋。在海洋中，海洋生物摄取Ca2和HCO3-，构成碳酸钙骨骼和壳Ca22HCO3-CaCO3H2OCO2↑Mg22HCO3-MgCO3H2OCO2↑生物死后碳酸钙骨骼和壳被埋藏。在以上的过程中，有一半的HCO3-离子最终形成CaCO3沉积；而另一半，则转变为CO2逃逸到大气。,,结论是一个大气中的CO2分子，在大陆碳酸盐的风化后，产生一个海洋碳酸盐分子沉积，以及一个CO2分子返回到大气中。所以，从一个长周期而言，大陆碳酸盐岩的风化对于大气CO2的含量并没有影响。,,（2）硅酸盐岩硅酸盐岩风化与碳酸盐岩风化不同，其反应的化学平衡式可表达为CO2H2OH2CO3CaSiO32H2CO3Ca22HCO3-H2SiO3MgSiO32H2CO3Mg22HCO3-H2SiO3,,在风化中形成的Ca2离子与HCO3-离子由地下水或地表水带入附近的河流中，最终进入海洋。同样，由海洋生物摄取Ca2和HCO3-，构成碳酸钙骨骼和壳Ca22HCO3-CaCO3H2OCO2↑Mg22HCO3-MgCO3H2OCO2↑,,硅酸盐岩风化的最终结果是一个大气中的CO2分子在硅酸盐岩的风化中转变为一个碳酸盐分子以及一个CO2分子返回大气中，在这一过程中，大气中有一个CO2分子的纯的丢失。这样，从一个长周期而言，硅酸盐岩风化对于大气CO2浓度的降低具有重要影响。,5.24碳的生物循环与地球化学循环,虽然大气与海洋之间进行着碳的交换，但是，陆地生物远比海洋对大气碳同位素组成的影响重要的多。1X109吨碳的二氧化碳从大气转到海洋，可使大气二氧化碳的13C值下降0.0027‰。相反，从生物圈每转化1X109吨碳到大气，或由化石燃料的燃烧每转化1X109吨碳进入到大气，则可以使得大气二氧化碳13C值下降0.026‰。,,对于大气碳库而言，地球上有两个碳循环起主要影响碳的生物循环与地球化学循环。,,（1）碳的生物循环绿色植物从空气中获得二氧化碳，经过光合作用转化为葡萄糖，再综合成为植物体的碳水化合物。而后经过食物链的传递，成为动物体的碳水化合物和脂肪。植物和动物经过呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气，另一部分则构成生物机体或在体内贮存。动植物死后，残体中的碳经过微生物的分解作用成为二氧化碳而最终排入大气，从而完成二氧化碳的一个循环。这个循环一次平均约需要20年。,,大气CO2光合作用植物的呼吸作用，细菌的分解作用植物和有机物中,,（2）碳的地球化学循环碳的地球化学循环是描述在百万年尺度上，碳在岩石和海洋-大气体系间的转换。,,碳地球化学循环主要是（1）在硅酸盐和碳酸盐风化期间对大气CO2的消耗，以及将它转换成地下水和河流中溶解的；（2）在海洋中作为碳酸盐矿物的沉积；（3）地球岩石圈板块的运动将海底传送到大洋海沟，在此俯冲作用将古老的地壳和沉积物带到地球的炽热内部。在巨大深处，碳酸盐矿物熔化，释放出二氧化碳，被地壳之上的火山作用喷发出，引起释放CO2返回大气和海洋；,,（4）代表死的生物的残余物的有机物在沉积物的深埋以及其后由于抬升到大陆表面后的风化作用。,,碳的生物循环会在几十年到几万年中对大气CO2的含量和碳同位素组成变化产生主要影响，而碳的地球化学循环则在以百万年的时间尺度上，缓慢地对大气和海洋CO2的含量和碳同位素组成变化有重要影响。,5.25碳循环中的反馈,（1）生物圈碳循环大气二氧化碳含量上升全球温度上升植物更繁盛植物的埋藏量和土壤细菌分解作用加强使得释放的二氧化碳量上升转而又会引起大气二氧化碳含量上升，..。如此往复，这是一个生物圈碳循环的正反馈，将导致大气二氧化碳含量迅速上升。,,大气二氧化碳分压上升全球温度上升植物更繁盛和植物光合作用加强植物吸收二氧化碳量上升大气二氧化碳分压下降，..。如此往复，这是一个生物圈碳循环的负反馈，可以稳定大气二氧化碳含量不致于大波动。,,以上两种反馈作用哪种在什么情况下起主导作用，不清楚。,,（2）地球化学大循环负反馈大气CO2分压全球地表温度大陆硅酸盐风化速率大气CO2分压全球地表温度,,（3）在行星时间尺度内，大气CO2含量的变化在研究太阳的演化与地球地表温度的稳定之间的关系中具有重要意义。例如，如果20亿年以前地球大气的组成和其对太阳的反射率和现在一样，那么，由于当时太阳的辐照低，地球地表的温度据推算应该低于0℃。然而，目前地质学和生物学的证据都证明，地表的平均温度从来没有低过5℃。那么对此如何解释呢,,对此最被接受的一种观点是虽然当时太阳的辐照低，但那时大气圈比之今天有更多的温室气体，使得地表温度升高。SaganandMullen（1972）提出，早期大气富集ammonia和其它还原气体。ammonia是光化学不稳定的，在一个地质上的短时期，它会光分解为N2。另一个温室气体是CO2。它是光化学稳定的。,,CalderiaandKasting（1992）提出了一个简单的数学模型。随着太阳系形成时间的增长太阳辐射强度地表温度大陆硅酸盐风化速率大气CO2分压生物产率,,照如此下去，在未来的某个高太阳辐射时，大气CO2分压就有可能低到光合作用的临界水平之