末次间冰期以来地球气候系统的突变

地球气候系统的突然变化是近年来地学研究的热点。取自极地冰芯、海洋沉积物和陆地的古气候记录表明,末次间冰期以来全球经历了一系列数百年—千年时间尺度的气候突变事件,证明了在末次冰期—间冰期旋回大尺度气候变化背景下,全球气候存在较大不稳定性这一基本事实。尽管末次间冰期以来这些数百年—千年时间尺度气候突变事件的成因和影响范围还存在明显的不确定性,但已从诸如末次间冰期(MIS 5e)中期的干冷事件、末次冰期的Dansgaard-Oeschger旋回、Heinrich事件和Younger Dryas事件以及发生在全新世冰后期的一些降温事件的研究中,获得对过去130 ka来气候变化过程总体上的认识和理解。综述了近年来的主要研究成果,介绍了有关末次间冰期以来全球气候突变事件发生的时间、过程和机制等最新的研究进展。     

末次间冰期以来渭南黄土地区土壤有机碳碳库的演变

冰期-间冰期的陆地碳库变化成为最近十几年来碳循环研究的热点之一,以深海氧同位素、模型模拟和古环境证据等手段展开对不同时间尺度上不同碳库之间碳通量变化研究.土壤碳库的巨大储量导致了土壤碳库的任何微小波动都比陆地生态系统其他碳库更容易影响陆地生态系统碳循环以及大气CO₂浓度,并最终影响到全球气候变化.通过对过去4万年来黄土高原地区土壤有机碳碳库的演变研究发现,深海氧同位素第3阶段期间,土壤有机碳碳密度相对于磁化率在细节上更能够表现出气候的小波动,这一期间的土壤有机碳碳密度快速上升,在较高的水平上多次波动,可能是因为这一时期的气候环境整体上更适宜碳在黄土古土壤中的累积和保存.在末次盛冰期(LGM)时,土壤有机碳碳密度急剧下降,伴随气候的快速波动,其间有一次较大规模的反弹,持续约2 ka,最低值出现在14 ka BP和19 ka BP.对比深海氧同位素曲线,土壤有机碳碳库与其在末次盛冰期和全新世都表现出良好的一致性.而磁化率在大约15 ka BP以后就开始增加,似乎超前于土壤有机碳碳密度和深海氧同位素的增加.并且,在全新世早期到晚期土壤有机碳碳密度经历了逐渐上升继而下降的变化过程,该时段的最高值出现在大约7~5 ka BP.      

从第三极到北极： 多年冻土碳循环研究进展

多年冻土区储存着大量的土壤有机碳, 其碳库变化及生态系统碳反馈机制是当前全球气候变化研究中备受关注的热点问题。为了增强对多年冻土碳循环的认识, 通过综合第三极和北极地区多年冻土碳循环研究, 概述了土壤有机碳库大小、 脆弱性及生态系统碳交换过程, 分析了涉及大气、 海洋和陆地综合影响的多年冻土区生态系统碳循环。研究表明： 第三极和北极多年冻土区碳储量不确定性较大, 影响和控制有机碳分解和生态系统碳交换的生物地球化学过程仍需进一步研究, 进而改进生态系统碳循环相关的模拟研究。在全球气候变化背景下, 研究多年冻土碳库变化及其对气候变化的响应, 是预估未来气候变化的关键环节。     

EFFECTS OF LAND USE CHANGES ON THE CARBON STORAGE OF TERRESTRIAL ECOSYSTEM——A CASE STUDY OF HULUN LAKE AND TAIHU LAKE BASINS

土地利用和覆被变化对陆地生态系统碳循环有着显著的影响,研究土地利用变化对陆地生态系统碳储量的影响,有利于揭示人类活动和气候变化对陆地生态系统碳循环的驱动机制,同时为制定合理的区域碳排放政策提供参考.本研究采用1980年、1995年、2000年和2005年4期遥感影像解译的土地利用数据,借助IPCC第四次报告推荐的计算方法和对应参数,选择我国东部亚热带和温带的两个典型大湖——太湖流域和呼伦湖流域1980～2005年碳收支情况进行估算,结果表明:1)1980～2005年太湖流域的土地利用结构变化主要表现为农田的逐年减少和聚居地的持续增长,而呼伦湖流域则主要表现为由于林地向草地的转化和草地向其他土地的转化所导致的林地面积的减少和其他土地面积的增加.2)在碳源/汇方面,太湖流域和呼伦湖流域均表现为碳汇,对于太湖流域来说,林地和农田是主要的碳汇,聚居地是碳支出的主要贡献者,2000年以来呼伦湖流域固碳能力出现比较明显的下降,林地和草地的变化是导致碳储量变化的主导因素.3)通过两个流域碳储量变化情况的比较,发现人类活动对陆地生态系统碳储量的影响较为显著;此外,植被类型差异以及成林时间也是影响固碳能力的主要原因.     

基于InVEST模型的辽宁省海岸带碳储量时空变化研究

陆地生态系统碳储量与全球气候变化密切相关,研究海岸带地区土地利用变化对生态系统服务碳储量的影响,对于区域生态系统保护及社会经济可持续发展具有重要意义.以辽宁省海岸带地区为例,分析了1995—2018年海岸带地区的土地利用变化特征,运用InVEST模型碳储量模块估算了1995—2018年区域生态系统的碳储量,结果表明:(...     

全新世渭河流域植被演替对陆地生态系统碳储量的影响

陆地生态系统古碳储量演化历史既是理解过去区域碳循环过程的基础,也是预测未来陆地碳库变化趋势的重要参照。以往由于实测记录的缺乏和现代碳循环模型应用的局限,难于实现过去陆地碳库的准确重建。本研究通过地质时期86个点位的孢粉记录与古碳循环模型模拟的结合,在定量化重建全新世渭河流域古气候参数空间格局的基础上,模拟了自然植被时空演化过程及其陆地生态系统碳储量变化。结果表明,全新世早期到中期,流域森林面积覆盖度由34%增至63%,导致陆地生态系统碳储量从2.48 Pg C增至3.40 Pg C;全新世中期到晚期,流域森林面积覆盖度降至20%,陆地生态系统碳库储量随之减少了1.03 Pg C。空间上,流域碳密度变化主要受控于植被类型的分布,后者又与地貌条件密切相关。全新世中期全球增温情形下渭河流域森林植被大面积扩张和碳储量显著增加的结果,预示着未来全球变暖背景下该流域陆地生态系统具有较强的碳汇潜力。     

《地球系统碳循环》

该书由陈泮勤主编，黄耀、于贵瑞副主编，科学出版社2004年12月出版。本书阐述了国内外近20年来在地球系统碳循环与全球变化领域的研究进展，内容主要包括：地球系统碳循环与全球变化；碳循环的历史记录：碳通量、碳储量的测定方法与技术等等。书的出版受到了中国科学院知识创新工程重大项目“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”（KZCX1-SW-01）资助。     

陆面碳循环研究中若干问题的评述

陆面碳循环是全球碳循环研究的重要内容 ,所涉及的研究领域很广。对碳循环研究中所涉及的有关主要问题——碳元素的源和汇、“漏失汇”(missing sink)、植被净初级生产力 (NPP)、土壤呼吸、CO2 的“施肥效应”、目前和末次冰期极盛时陆地生态系统的碳储量、“反褶积”(deconvolution)分析方法以及气候变化对净碳通量的影响等方面的研究内容及其进展情况作了简要回顾和介绍。总结了不同研究方法的优缺点及各自存在的问题 ,并对有关研究结果和未来的发展趋势作了评述。     

史前土地利用碳循环模型构建及应用——以伊洛河流域为例

学术界对全新世CO2浓度在8kaB.P.后逐步回升的原因有诸多看法.合理估算全新世人类土地利用对陆地生态系统碳储量的影响,是理解上述问题的主要途径之一.然而,史前土地利用面积的估算和空间分布常因数据缺乏而成为研究的难点.本文基于前人的半定量考古遗址预测模型,建立了一个估算史前土地利用碳循环的模型.它以遗址的环境和古文化参数作为输入数据,实现土地利用面积和空间分布的恢复,进而获得人类土地利用导致的陆地生态系统碳储量的时空变化.利用现代土地利用数据的检验模拟表明,模型具有较好的空间模拟能力.将该模型应用于我国旱作农业起源中心之一的伊洛河流域,揭示出仰韶文化前期(7～6kaB.P.)该流域内约7%的土地被人类开发利用,主要分布于下游河流两岸坡度较缓的低地; 该过程导致流域碳储量损失了约15Tg C(1Tg=1012 g),占流域总碳库的3%.因此,人类活动在史前时期已较明显改变了地表景观,并对陆地生态系统碳循环产生了一定的影响.     

冰芯记录中末次间冰期-冰期旋回气候突变事件的研究进展

冰芯记录中的气候变化是古气候研究中的重要组成部分. 极地、中低纬度和热带地区的冰芯记录表明, 在冰期间冰期旋回大尺度气候变化背景下, 全球经历了一系列数百年至千年时间尺度的快速气候突变事件, 诸如末次间冰期的干冷事件、末次冰期的DansgaardOeschger事件、 Heinrich事件和Younger Dryas事件等, 虽然这些穿插在冰阶中的暖湿气候事件、间冰阶中的干冷气候事件的成因、机制和影响范围还存在明显的不确定性. 主要介绍不同区域冰芯记录中末次间冰期冰期旋回这些气候突变事件发生的时间、过程和机制等的研究进展.     

New estimates of carbon transfer to terrestrial ecosystems between the last glacial maximum and the Holocene

Ice core records of atmospheric CO₂ show an ≈ 80 ppm rise between the last glacial maximum (LGM) and the mid-Holocene during a corresponding world-wide expansion of the terrestrial biomass and changes in ocean chemistry. Therefore, the absolute amount of carbon transferred to the atmosphere, probably from the oceans, remains uncertain. To address this issue, I evaluated changes in terrestrial ecosystem carbon storage and isotopic fractionations between the LGM and the mid-Holocene using a process-based terrestrial carbon cycle model forced with two general circulation model (GCM) simulations of each interval. The results indicate that global carbon storage in terrestrial ecosystems (vegetation and soils) increased by 668 Gt C during the last glacial–interglacial transition, a value within the range obtained from a revised global carbon isotope mass-balance analysis (550–680 Gt C), and consistent with independent estimates from the marine isotopic record.     

最后4个冰期旋回中国黄土记录的东亚冬季风变化

开展高分辨率的黄土记录研究, 是揭示过去气候变迁和变率的主要途径.选择黄土高原中部的灵台和赵家川剖面, 对L5以上的黄土-古土壤序列进行了石英颗粒的提取和粒度分析.结果表明, 石英粗颗粒(> 43μm) 体积分数变化揭示了最后4个冰期旋回东亚冬季风存有的快速变化特征, 并同深海氧同位素记录具有良好的对应关系; 然而, 在每一个冰期时段, 石英粗颗粒体积分数的变化幅度和频率存有较大差异, 可能意味着对应的冰期下垫面状况和气候系统内部的非线性响应机制并不相同.值得注意的是由石英粗颗粒体积分数反映的东亚冬季风变化, 在某些时段不仅同磁化率记录的夏季风变化不协调, 而且同深海氧同位素记录存有明显差异.深入研究这种由不同代用指标反映的古气候变化间的差异, 对理解黄土记录的全球性意义显得尤为重要.      

近13万年来黄土高原干湿气候的时空变迁

第四纪时期，黄土高原粉尘物质的搬运、沉积及其后的成土过程受控于干湿气候的变化。对黄土高原这一特定地区而言，风成沉积序列在地域上的差异主要与东亚地区的季风环流在时间和空间上的变化有关。本文的研究揭示出，近１３万年里，最为显著的成壤期有６期，与这６个成壤期对应的时段也应当是夏季风环流加强、气候温湿的时期；在空间上，全新世适宜期及末次间冰期中与深海氧同位素阶段５ａ，５ｃ，５ｅ对应的时期，夏季风足可以深入到毛乌素沙漠腹地，并具有占优势的环境效应。在阶段３的早、晚期及５ｂ时期夏季风虽然也能深入沙漠－黄土边界带，但其环境效应在黄土高原北部及毛乌素沙漠南缘已不再显著。在阶段２、阶段４及阶段３的中期夏季风已不能深入沙漠－黄土边界带。     

温室气体浓度变化及其源与汇研究进展

对工业革命以来大气中主要温室气体浓度变化和增长趋势作了简介。概述了冰芯研究的最新成果:420 ka BP以来CO2浓度变化情况及其揭示的气候变化机制;全新世期间CH4浓度的波动;气候事件中N2O浓度的快速波动及工业化前的水平。总结了全球温室气体源与汇的研究现状,重点介绍了全球碳循环研究中的未知汇问题,列举了根据不同资料和模型估计的陆地碳汇位置和幅度以及影响因素对陆地碳汇的贡献等认识上的差异。简单介绍了国内有关温室气体源与汇研究,如稻田CH4排放、岩溶系统碳循环和黄土中温室气体组分特征等方面的研究成果和认识。     

末次冰期以来南海北部下陆坡区沉积有机质地球化学特征及其意义

选取南海北部下陆坡-深海平原过渡带典型沉积柱状样,通过对其沉积有机质的整体有机地球化学特征进行表征,探讨了南海下陆坡-深海平原区沉积有机质在冰期/间冰期旋回中的赋存状态、来源变化以及与古气候环境之间的相应关系。结果表明,总有机碳（TOC）、总氮（TN）和有机质稳定碳同位素（δ13Corg）与冰期/间冰期旋回有明显的对应关系,冰期时对应高值,间冰期时对应低值;而有机质稳定氮同位素（δ15N）表现为全新世时其值偏低,末次冰消期其值偏高,与气候旋回没有相关性; C/N值和δ13Corg值都表明南海北部下陆坡沉积有机质来源是陆相和海相的混源,且在末次冰期/间冰期尺度上主要以海相来源为主。     

碳酸盐风化碳汇与森林碳汇的对比——碳汇研究思路和方法变革的必要性

目前,全球碳循环研究主要集中在海洋碳汇以及陆地土壤和植被碳汇,而对岩石风化碳汇仅考虑地质长时间尺度的硅酸盐风化作用,而认为碳酸盐风化在长时间尺度上对碳汇无贡献。然而,碳酸盐相对于硅酸盐有快得多的溶解速度,且对全球变化(特别是气候和CO2变化)的响应迅速,同时由于生物作用和人为活动的影响,使得碳酸盐风化碳汇的能力需要重新评价。最新的研究发现,由碳酸盐溶解、全球水循环及水生生物光合利用溶解无机碳共同作用,即水-岩-气-生相互作用形成的大气碳汇,远远大于之前只估计了河流输运的无机碳汇,其量级与森林碳汇量相当,因此有必要对传统的碳汇研究思路和方法进行某些变革,这有可能为解决所谓的全球“碳失汇”问题找到一条出路。      

末次冰消期热带湖光岩玛珥湖古季风变化记录

末次冰消期热带湖光岩玛珥湖沉积物高分辨率的生物硅、总有机碳、总氮和总氢等有机地化指标记录显示了一系列百年至千年尺度的快速变化 ,表明季风环流系统运行的强烈不稳定性。这种不稳定变化与格陵兰冰芯记录的气候事件相比较 ,表现出一定的遥相关 ,但也表现出了末次冰消期初始转暖低纬度区超前高纬度区的显著不同 ,这种变化可能与低纬度区热带水文循环的驱动作用相关