我国对流层二氧化碳非均匀动态分布特征及其成因

人类活动导致大气中温室气体浓度上升,是全球气候变暖的主要原因之一.本文针对已经连续运行13年的AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）卫星反演的对流层中层CO₂浓度资料,利用地基观测结果对其进行验证,同时结合多种相关资料对我国区域CO₂浓度的时空分布及季节变化进行研究.结果显示：北半球30°N—60°N是CO₂浓度高值带,低值中心主要出现在15°S—15°N,140°W向东至100°E的低纬地区.地基观测与AIRS卫星反演结果基本一致,年增长率约为1.926 ppmv·a^-1.我国区域CO₂浓度空间分布上呈现北高南低的非均匀分布特征,4个高值中心分别位于东北地区西南部、内蒙古西部、新疆地区东部和西部,低值中心在云南和西藏地区.我国区域CO₂浓度有明显的季节变化特征,最高值出现在春季,冬夏季次之,秋季最低,其季节演变特点与风场的输送、降水量的清除和植被的吸收等密切相关.     

2008年汶川MS8.0地震前后川西含碳气体卫星高光谱特征

2008年汶川地震导致了大量地下含碳气体释放. 本文基于卫星高光谱数据采用差值法获取了汶川地震前后川西地区含碳气体异常的时空分布特征. 结果显示汶川地震前后不同含碳气体异常的时空分布特征不同. 空间分布上,CH₄,CO₂和CO异常分布于震中附近且受断裂控制明显,与热红外异常特征类似;CO和CO₂异常的范围较CH₄大,CO除沿断裂带分布外,在四川盆地也大面积出现. 异常出现时间上,CO₂异常最早,其次为CH₄和CO. 气体来源上,CO₂和CH₄主要来源于地球内部沿断裂带释放,在地球内部还原条件下,CH₄还可由CO₂还原形成;CO异常除了沿断裂带释放和由断裂带释放的CH₄氧化生成外,还由四川盆地渗漏的CH₄氧化生成. 本文结果可用于地震监测预测研究,不仅提供了新的地震前兆观测参数,还为地震热红外异常机制“地球放气温室效应”提供了科学依据,同时对地震引起的地质碳排放研究也有重要意义.      

CO2浓度升高对稻田CH4和N2O排放的影响——Meta分析

CO₂浓度升高对稻田生态系统碳(C)氮(N)循环具有重要作用,阐明CO₂浓度升高对稻田CH₄和N₂O排放的影响是农业生产应对全球气候变化的重要组成部分.文章采用Meta分析的方法,讨论了不同CO₂浓度升高状况和田间管理措施条件下CO₂浓度升高对稻田CH₄和N₂O排放的影响,结果可为未来气候条件下稻田温室气体减排提供参考.结果表明:整体平均而言,CO₂浓度升高显著增加稻田CH₄排放(增幅为23%,P<0.05),同时显著降低稻田N₂O排放(降幅为22%,P<0.05).CO₂浓度升高对稻田CH₄和N₂O排放的影响程度与CO₂熏气年限和CO₂浓度梯度有关.CO₂熏气年限≥10a时,CO₂浓度升高同时显著降低稻田CH₄和N₂O排放,降幅分别为27%和53%(P<0.05);随CO₂浓度梯度上升,CO₂浓度升高对稻田CH₄排放的促进作用呈现先减弱后增强的趋势,而对稻田N₂O排放的影响则由促进作用变为抑制作用.不同N肥施用量、秸秆还田、水分管理和水稻品种等田间管理措施不同程度地影响稻田CH₄和N₂O排放对CO₂浓度升高的响应.无秸秆和半量秸秆还田时,CO₂浓度升高显著促进稻田CH₄排放(增幅分别为27%和49%,P<0.05),而全量秸秆还田时,CO₂浓度升高对稻田CH₄排放无显著影响(P>0.05);随秸秆还田量的增加,CO₂浓度升高对稻田N₂O排放的抑制作用不断增强.对比持续淹水,间歇灌溉条件下CO₂浓度升高减弱了对稻田CH₄排放的促进作用,却增强了对稻田N₂O排放的抑制作用.未来CO₂浓度升高条件下,建议推广全量秸秆还田和间歇灌溉相结合的稻田管理措施,并辅以优化N肥管理和选育"高产低排"水稻品种等方法,达到最优的"增产减排"效果.此外,有必要进行多尺度、多要素和多方法的综合研究,以期有效降低稻田CH₄和N₂O排放对CO₂浓度升高响应的不确定性.     

微囊藻CO2-浓缩机制基因型的动态变化及其对CO2的竞争效应

由于具有高效的CO₂-浓缩机制,蓝藻在低CO₂浓度条件下具有竞争优势。然而,随着大气中CO₂浓度急剧增加,蓝藻CO₂-浓缩机制如何响应的研究较少。因此,本文以常见水华蓝藻——微囊藻为研究对象,通过对滇池微囊藻水华动态及不同CO₂-浓缩机制基因型进行监测,探讨蓝藻CO₂-浓缩机制基因的微进化特征及其动态变化。同时,设置高(0.08%)、中(0.04%)、低(0.02%)CO₂浓度(V/V)进一步揭示微囊藻不同CO₂-浓缩机制基因微进化对CO₂的竞争效应。结果表明:滇池无机碳浓度在4个采样点存在空间差异性,均呈现先降低后升高的趋势,并以HCO₃^-为主要无机碳存在形式。调查期间,东大河、观音山、洛龙河和生态所4个采样点的微囊藻均以sbtA基因型占绝对优势,相对丰度远高于bicA基因型。在不同水华时期,bicA基因型和sbtA基因型呈现相反的变化趋势,即从...     

岩溶湿地表层水体CO2分压时空分布特征及其扩散通量

为揭示岩溶湿地表层水体二氧化碳分压(pCO₂)的时空分布规律及其扩散通量,以我国最大的岩溶湿地贵州威宁草海为研究对象,分别于2019年7月(丰水期)和12月(枯水期)通过网格布点法,系统采集草海表层湿地水体,测定水样理化指标和离子组成,利用PHREEQCI软件计算水体pCO₂,并基于Cole提出的气体扩散模型估算水-气界面二氧化碳(CO₂)的扩散通量.结果表明:草海湿地表层水体丰水期pCO₂的变化范围为0.44~645.65μatm,平均值为(55.94±124.73)μatm;枯水期变化范围为35.48~707.95μatm,平均值为(310.46±173.54)μatm;丰水期水体整体pCO₂低于枯水期,空间上两期水体均呈现东部区域及河流入湖口处pCO₂较高,而中西部区域pCO₂欠饱和的特征.水-气界面CO₂的扩散通量在丰水期变化范围为-43.27~27.16 mmol/(m²·d),平均值(-34.49±12.93)mmol/(m²·d),枯水期变化范围为-33.36~28.15 mmol/(m²·d),平均值(-8.02±15.85)mmol/(m²·d),与其他岩溶湖库相比,水生植物丰富的草海在两个极端水文期CO₂扩散通量相对较低,总体表现为大气CO₂的汇.     

唐山断裂带南西段和北东段土壤气Rn和CO2浓度特征

本文通过测量唐山断裂带南西段王兰庄和北东段巍峰山的土壤气Rn和CO₂浓度, 探讨了Rn和CO₂浓度的空间分布特征及其与断裂活动的关系。 测量结果显示, 王兰庄剖面和巍峰山剖面土壤气Rn浓度范围分别为691~57 671 Bq/m³和471~32 739 Bq/m³, CO₂浓度范围分别为0.17%~7.21%和0.08%~1.71%。 两个剖面Rn和CO₂浓度均高于区域背景值, 这与唐山断裂带断层的开放状态有关。 Rn和CO₂释放强度(K_Q)在王兰庄剖面分别为2.90和4.04, 在巍峰山剖面释放强度分别为0.90和0.99。 王兰庄剖面测线中部土壤气浓度明显高于两端, 而巍峰山剖面测线中部与两端浓度平均值相近, 这种浓度空间分布特征的差异主要是断层破碎程度不同所致。 巍峰山剖面土壤气Rn浓度水平较高, 地球物理学研究发现此区域应力值高, 断层活动性较强, 表明土壤气Rn浓度与断层活动性有着密切的关系。     

口泉断裂断层气地球化学变化特征及断层活动性

2015年对口泉断裂进行了3期断层气地球化学重复观测, 分析了中段石井村剖面和北段上皇庄剖面CO₂、 Rn、 Hg浓度及通量时空变化特征, 发现这两条剖面内CO₂、 Rn浓度及通量时空变化特征基本一致。 石井村剖面CO₂通量、 Rn浓度及通量高于上皇庄剖面。 上皇庄剖面Hg浓度及通量3期随时间持续上升。 认为口泉断裂断层活动活跃, 第四纪活动性中段高于北段, 且北段断层活动呈增强趋势。     

江苏宿迁台断层气CO2浓度特征及影响因素分析

选用江苏宿迁台2021年4月1日至11月26日观测数据,分析断层气CO₂浓度与地质构造、土壤覆盖层及气象等因素的关系。研究结果显示：宿迁台断层气CO₂测点位置优良,高值出现在每年的10、11月,低值出现在每年的1、2月,7月的观测值有轻微下降趋势,8—11月的观测值有上升趋势;断层气CO₂浓度变化主要受气压和降雨量影响,与气压呈正相关性,具有较好的同步性,与降水关系密切,由于降水会阻碍地下气体的运移和释放,从而影响观测数据的稳定性,出现突跳或台阶,导致测值不能真正反映测点CO₂的释放情况。通过对干扰因素及特征的研究,丰富了断层气观测手段,为研究宿迁市及郯庐断裂带中段的断裂活动与断层气关系积累资料。     

致密油藏不同开发方式原油动用规律实验研究

致密油是重要的非常规石油资源,但由于其一次采收率低,需要开展提高采收率研究。由于致密油储层孔隙结构复杂,不同孔隙对产量的贡献差异很大,需要深入研究不同孔隙中原油的动用情况进而优化开发方式。本文采用核磁共振测试与驱替实验相结合的方法开展研究,直观反映不同注入条件下注入介质与原油的驱替过程,明确了注水和注CO₂两种开发方式不同孔隙中原油的动用规律。结果表明:水驱和CO₂驱不同孔隙区间原油动用程度随着驱替压差逐渐增大而增大;水驱和CO₂驱大孔隙中的原油绝大部分被动用,随着孔隙半径逐渐减小,原油动用的比例逐渐降低;小于0.01μm微小孔隙中CO₂驱动用效果明显好于水驱,致密油藏中CO₂更易进入小孔隙提高致密油采收率。      

核磁共振技术在二氧化碳地质封存与利用中的应用研究前景综述

二氧化碳地质封存与利用是推动“碳达峰、碳中和”的关键技术之一,研究CO₂注入-运移-封存全过程储层孔隙率、渗透率、饱和度、孔隙结构及岩石力学参数的变化规律是监测CO₂地质封存状态和泄露风险的核心工作.以分析核磁共振技术在研究孔隙结构、CO₂运移特征及岩石力学参数变化的应用现状和发展趋势为目标,在简要介绍核磁共振仪器设备和应用领域基础上,分析核磁共振技术在CO₂地质封存与利用中的应用现状和发展方向.分析表明：核磁共振技术在致密油、页岩气等非常规油气资源开发中应用广泛,在表征储层物性、饱和度和三维孔隙结构方面优势明显.目前,利用核磁共振技术研究原位CO₂封存条件下岩心动态参数成果较少,无论是CO₂驱油还是CO₂置换CH₄,均通过测量氢核的核磁共振特征或核磁成像特征来反推CO₂分布状态;在CO₂-EOR、CCS先导性实验中,时移测井资料十分有限,制约了原位CO₂     

Quantifying CO2 fluxes from soil surfaces to the atmosphere

Measurements of CO₂ fluxes from ground surface of the atmosphere (soil respiration) are needed to quantify biotic and abiotic reaction rates in unsaturated zones and to gain insight into the importance of these processes on global warming. The use of three techniques (dynamic closed chambers, static chambers, and gradient calculations) to determine soil respiration was assessed by measuring fluxes of microbially produced CO₂ from an unsaturated mesocosm (2.4 m dia.×3.2 m thick) and two unsaturated minicosms (0.58 m dia.×1.2 m thick), one maintained at 18–23 °C (HT) and the other at 5 °C (LT). By injecting known and constant CO₂ fluxes into the bottom of the HT minicosm and measuring the resulting fluxes, it was shown that the dynamic closed chamber (DCCS) technique yielded accurate measurements of fluxes over the range observed from natural unsaturated media. Over this same range, results showed that the concentration gradient method yielded reasonable estimates of fluxes but its accuracy was limited by uncertainties in both the concentration gradient and the gaseous diffusion coefficient in the soil atmosphere. The static chamber method underestimated the actual flux at higher CO₂ fluxes and when adsorption times of >24 h were used.     

Climate change during the last 150 million years: reconstruction from a carbon cycle model

Variations of the atmospheric CO₂ level and the global mean surface temperature during the last 150 Ma are reconstructed by using a carbon cycle model with high-resolution input data. In this model, the organic carbon budget and the CO₂ degassing from the mantle, both of which would characterize the carbon cycle during the Cretaceous, are considered, and the silicate weathering process is formulated consistently with an abrupt increase in the marine strontium isotope record for the last 40 Ma. The second-order variations of the atmospheric CO₂ level and the global mean surface temperature in addition to the first-order cooling trend are obtained by using high-resolution data of carbon isotopic composition of marine limestone, seafloor spreading rate, and production rate of oceanic plateau basalt. The results obtained from this model are in good agreement with the previous estimates of palaeo-CO₂ level and palaeoclimate inferred from geological, biogeochemical, and palaeontological models and records. The system analyses of the carbon cycle model to understand the cause of the climate change show that the dominant controlling factors for the first-order cooling trend of climate change during the last 150 Ma are tectonic forcing such as decrease in volcanic activity and the formation and uplift of the Himalayas and the Tibetan Plateau, and, to a lesser extent, biological forcing such as the increase in the soil biological activity. The mid-Cretaceous was very warm because of the high CO₂ level (4–5 PAL) maintained by the enhanced CO₂ degassing rate due to the increased mantle plume activities and seafloor spreading rates at that time, although the enhanced organic carbon burial would have a tendency to decrease the CO₂ level effectively at that period. The variation of organic carbon burial rate may have been responsible for the second-order climate change during the last 150 Ma.     

Can biomass burning produce a globally significant carbon-isotope excursion in the sedimentary record?

Negative carbon-isotope excursions have been comprehensively studied in the stratigraphic record but the discussion of causal mechanisms has largely overlooked the potential role of biomass burning. The carbon-isotopic ratios (δ¹³C) of vegetation, soil organic matter and peat are significantly lower than atmospheric carbon dioxide (CO₂), and thereby provide a source of low ¹³C CO₂ when combusted. In this study, the potential role of biomass burning to generate negative carbon isotope excursions associated with greenhouse climates is modeled. Results indicate that major peat combustion sustained for 1000 yr increases atmospheric CO₂ from 2.5× present atmospheric levels (PAL) to 4.6× PAL, and yields a pronounced negative δ¹³C excursion in the atmosphere ( 2.4‰), vegetation ( 2.4‰) and the surface ocean ( 1.2‰), but not for the deep ocean ( 0.9‰). Release of CO₂ initiates a short-term warming of the atmosphere (up to 14.4 °C, with a duration of 1628 yr), which is consistent with the magnitude and length of an observed Toarcian excursion event. These results indicate that peat combustion is a plausible mechanism for driving negative δ¹³C excursions in the rock record, even during times of elevated pCO₂.     

Der Kohlendioxid-Gehalt und die Kalzitsättigung der Ilm, einschließlich einiger Vergleichsuntersuchungen im Thüringer Raum

The CO₂ content, air saturation and calcite equilibrium of the River Ilm and some of its tributaries were analysed. CO₂ content was measured by degasing the CO₂ from water. The CO₂ level is a very sensitive indicator for a low pollution in oxygen saturated waters. Clean running waters have a CO₂ content close to the air saturation of 0.1–0.3 mg C l⁻¹. Ground water and springs are rich in CO₂. Polluted waters are characterised by higher CO₂ contents, also organic pollution can result in high values of CO₂. Carbon dioxide concentration of streams and brooks is limited by re-aeration.

The headwater region (softwater) of the River Ilm is unsaturated, the hard water in the middle- and underflow is oversaturated. In summer and autumn high saturation could be found, but without autochthonous calcite precipitation like in hard water lakes.     

山西地震带北段与张家口——渤海地震带不同深度CO_2和Rn气体通量的差异性

2014年在山西地震带北段和张家口—渤海地震带布设35个测量剖面,测量土壤气CO_2、Rn浓度及深度20 cm、1 m的CO_2和Rn通量。测量结果表明:(1) CO_2、Rn浓度与深度20 cm、1 m的CO_2、Rn通量的平均值和最大值变化趋势大致相同,均呈自西向东的增大趋势;(2)深度20 cm、1 m的CO_2和Rn通量相关性均不明显,但1 m深的CO_2、Rn通量明显较高;(3) CO_2和Rn浓度、通量变化主要与区域复杂的地震活动性和断层活动性有关,主要受到地表化学成分和区域岩石地球化学影响。     

华北地区冬小麦田水热、二氧化碳和甲烷湍流输送特征的实验研究

本文利用2012年4月30日至5月10日华北地区大气湍流实验资料,分析了冬小麦田下垫面温度、湿度、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的湍流统计和输送特征,利用涡旋相关法计算的CH4通量值确定了松弛涡旋累积(REA)法计算CH4通量的经验系数.结果表明,不稳定层结下,温度、湿度、CO2和CH4的归一化标准差随稳定度参数z/L的关系满足-1/3幂次关系.热量、水汽和CO2水平方向的湍流输送和垂直方向的比值与稳定度参数z/L存在一定的相关关系,但CH4没有类似特征.实验期间,感热通量数值较低,潜热通量较高;CO2在夜间表现出微弱的向上输送,其余时段为向下输送,可以认为实验站所在地区是碳汇;CH4的湍流输送整体为向下输送,无明显的日变化规律,可以认为是CH4汇.利用松弛涡旋累积法获取CO2和CH4通量的参数取值分别为0.61和0.30.     

Kohlendioxid-Messungen in einem Durchfluß-Meßsystem mit einem neu entwickelten CO2-Sensor am Beispiel eines Hartwassersees (Willersinnweiher, Ludwigshafen am Rhein)

The concentrations of free dissolved carbon dioxide in lake water were measured with a newly developed CO₂ sensor, which was installed in a through-flow measurement system. The results of measurements demonstrate the CO₂ dynamics in lake Willersinnweiher. The CO₂ concentrations showed a correlation with the oxidation of CH₄ in the metalimnion and caused shifts in the carbonate system, thus affecting the autochthonous precipitation and dissolution of calcite.

From the results of measurement appears that the CO₂ sensor is capable of very exact measurements of dissolved free CO₂ in lake water. At the same time, the parameter is easily determined in the field without large expenditures.     

北京城区二氧化碳浓度和通量的梯度变化特征——I浓度与虚温

根据北京塔7层涡动系统2012年5月至2013年12月的湍流观测数据,分析了北京城区二氧化碳浓度在不同高度层次的日变化和月变化特征,并初步给出不同季节和日变化时间段内二氧化碳的浓度垂直廓线.结果表明:二氧化碳浓度整体随高度而下降;各观测层均有浓度的明显日变化,夏季最为明显,冬季相对平缓;近地层浓度直接受城市供暖、地表植被、交通运输等碳源影响,更高观测层浓度则受对流输送和天气过程影响较大;垂直方向上,冬季浓度变化范围最大,夏季层间浓度变化最明显;在一天中的任何时刻,近地面层二氧化碳浓度的日变化最低值一般出现在夏季,50m以上则出现在春季,浓度最高值总是出现在冬季;根据对二氧化碳浓度四季垂直廓线变化的分析可以看出,边界层二氧化碳浓度强烈受到碳源、下垫面植被、大气稳定度、环境温度和天气过程等因素的影响.