二维能量平衡模式中大气温度对二氧化碳增温效应的响应

利用一个考虑了辐射能传输的二维能量平衡气候模式,解析地分析了二氧化碳浓度改变后冰界纬度的变化,得到了冰界纬度随CO2浓度变化的关系以及全球平均温度的变化曲线.结果表明,当CO2浓度由工业革命前的280×10-6增加到700×10-6时,冰界仅后退(北半球向北)几个纬度;当CO2的浓度继续增加时,冰界纬度会加速向极地退缩,直至出现全球无极冰覆盖的现象.同样地,当CO2浓度由280×10-6增加到700×10-6时,全球地表平均温度虽然在增加,但增加的速率很小,并且增加的速率在减小,而当大于700×10-6之后,温度增加的速率会快速增大,温度将加速上升.对不同反照率进行敏感性试验,发现当反照率从0.1到0.32时,结果并没有显著地改变,即结果对反照率的变化并不敏感.这一计算结果表明,在目前的状态下,由CO2引起的增温作用似乎处于变化很小的准饱和状态,即目前气候不会因为CO2浓度的增加而迅速变暖.较为实际的情形可能是大气温度在缓慢增加到一定程度后才会迅速升高.这并不意味着可以忽视CO2的增温效应,因为根据计算结果,这个临界值大概在700×10-6左右,当CO2浓度增加到超过临界值之后,气温会剧烈上升,气候将会处在一个非常温暖的阶段.     

平衡气候敏感度

平衡气候敏感度(equilibrium climate sensitivity,ECS)指平衡全球平均温度对大气中CO2浓度相对于工业化前加倍的响应[1-2].一般公认工业化之前大气中CO2浓度为280×10-6,因此开始多取560×10-6为CO2加倍后的浓度,后来多采用600×10-6,约相当对1900年加倍.最初ECS的值只是专家的估计[3],包括IPCC第1次[4]、第2次[5]及第3次[6]评估报告,均采用3℃±1.5℃,或者1.5～4.5℃.大量的研究出现在第3次评估报告发表之后的21世纪.     

大气CO2富集对根际NaCl盐渍的人参果植株干物质生产和水分利用的影响

对单株砂培盆栽的半木质化枝条扦插生根的一月龄人生果（Solanum muricatum Ait.）栽培品种＂Xotus＂,每周浇两次200mL NaCl质量浓度分别为0mg·L-1和25mg·L-1的Hoagland营养液处理2个月,第二个月在控制空气CO2体积分数为（350±10）×10-6、（700±10）×10-6和（1050±10）×10-6的植物生长箱内试验。结果表明,人参果植株干物质生产量和耗水量受根际NaCl盐渍而下降,又随大气CO2升高而增加。根际NaCl盐渍能增大植株叶片蒸腾系数、根/冠比和干物质向枝干和根部分配的比例及积累量,降低根系吸收水分的效率和耗水量。升高大气CO2能促进叶片发育及干物质向地上部其他器官和地下部组织分配,增加总叶面积、比叶干重和各种器官中干物质增长量,提高干物质生产率和水分利用率。根际经25mg·L-1NaCl盐渍处理的植株,总干物质增长量和水分利用率相应下降50%～54%和24%～37%;与350×10-6CO2的处理的植株相比,700×10-6及1050×10-6CO2的处理分别使这两项指标提高到79%～106%和61%～88%以及133%～189%和99%～142%。大气CO2富集能改善受NaCl盐渍的植株干物质生产力、提高水分利用率。根际NaCl盐渍和大气CO2富集对人参果植株干物质生产和水分利用有生物互作效应。它们的共同作用会促进植株干物质的增长及叶片中合成的干物质向其他器官分配,提高干物质生产率和水分利用率,同时减少总叶面积、枝条和根系干重、根系吸水效率、植株耗水量和叶片蒸腾系数。因此,全球大气CO2富集将有利于该作物的干物质生产和水分利用。     

O3,CO2浓度及太阳光谱变化对作物光合作用影响的数值模拟研究

对光合作用 蒸腾作用 气孔调节进行耦合 ,从生物化学尺度扩展至冠层尺度 ,发展了一个冬小麦冠层光合作用生态动力模式 ,模式考虑了O3,CO2 和光谱变化对作物光合的综合影响。利用美国光合作用实测资料对模式进行验证 ,叶片模式通过了相关显著性检验并具有较高的准确度。数值分析表明 :当O3 浓度由 0× 10 -9V/V上升至2 0 0× 10 -9V/V时 ,冠层光合速率下降 2 9%左右 ;当CO2 浓度由 330× 10 -6V/V上升至 6 6 0× 10 -6V/V时 ,冠层光合速率增加大约 37% ;当光谱比例系数由目前的 0 .5下降至 0 .4时 ,冠层光合速率将下降 2 7%左右。对于污染严重、易发生光化学烟雾的城郊附近 ,在阳光强烈的典型晴天 ,中午O3 浓度达到 2 0 0× 10 -9V/V时 ,即使气候条件不发生改变 ,CO2 浓度对作物光合作用的正效应也不足以弥补O3 浓度升高所造成的负效应 ,冠层光合速率将比目前干洁地区略有下降 ,如果进一步考虑光合作用有效辐射光谱成分下降至 0 .4左右 ,冠层光合作用将比目前的BASE值下降 35 %左右。     

小麦秸秆还田量对晋南地区裸地土壤—大气间甲烷、二氧化碳、氧化亚氮和一氧化氮交换的影响

采用静态暗箱采样—气相色谱/化学发光分析相结合的方法,对晋南地区盐碱地不同小麦秸秆还田量裸地土壤夏、秋季(2008年6～10月)的甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)和一氧化氮(NO)交换通量进行了原位观测。结果表明:观测期内,秸秆全还田(FS)、秸秆一半还田(HS)和秸秆不还田(NS)处理土壤—大气间CH4、CO2、N2O和NO平均交换通量分别为-0.8±2.7、-1.4±2.3、-6.5±1.8μg(C).m-2.h-1(CH4),267.1±23.1、212.0±17.8、188.5±13.6mg(C).m-2.h-1(CO2),20.7±3.0、16.3±2.3、14.7±1.7μg(N).m-2.h-1(N2O),3.9±0.5、3.4±0.5、3.0±0.4μg(N).m-2.h-1(NO)。交换通量表现出明显的季节变化趋势,灌溉、降雨和温度变化是影响该趋势的主要因素。相对于NS处理,FS和HS处理降低了累积CH4吸收量(66%和59%),增加了累积CO2(42%和12%)、N2O(41%和9%)和NO(30%和13%)排放量,因此,秸秆还田促进了农田土壤总的温室气体排放。计算得到FS和HS处理小麦秸秆的CO2、N2O、NO排放系数分别为73.4%±1.6%和43.3%±1.0%(CO2)、0.37%±0.01%和0.17%±0.00%(N2O)、0.06%±0.00%和0.05%±0.00%(NO),FS处理的排放系数显著高于HS处理,且均低于同一实验地种植玉米、施肥农田的小麦秸秆排放系数(N2O和NO排放系数分别为2.32%和0.42%)。可见,在采用排放因子方法估算还田秸秆CO2、N2O和NO排放量时,应考虑秸秆还田量、农作物种植和施肥因素的影响。     

大气中一氧化碳浓度变化的模拟研究

应用全球二维大气化学模式,模拟了CO、CH4和OH自由基等成分自工业革命到2020年的长期变化.模拟的全球CO平均体积分数在1840年、1991年和2020年分别为27×10-6、76×10-6和105×10-6.从1840到1991年,OH自由基数浓度从7.17×105个分子/cm3下降到5.79×105个分子/cm3,降低了19%.模拟的CH4长期变化与冰芯资料相符.模拟的20世纪80年代CO体积分数年增长率为1.03%～1.06%.大气中CO在20世纪90年代前是增长的,而到90年代初观测到CO体积分数突然下降.应用二维大气化学模式对此原因进行了模拟研究,结果表明,CO排放源的减少是CO体积分数下降的主要因子,平流层臭氧减少是另一个重要因子.尽管CO排放源的减少对大气CH4增长率的变化有较大影响,而CH4排放源减少对CO体积分数变化却几乎没有影响.     

大气CO2浓度升高及气候变化对作物冠层光合影响的数值模拟

利用美国Licor-6200光合作用测定仪,对黄淮海地区代表性冬小麦品种鲁麦23号叶片光合作用速率进行了较为全面的测定,分别确定了冬小麦叶片光-光合作用响应曲线和CO2-光合作用响应曲线,在此基础上,建立了叶片光合作用模式,并进而建立了一个具有瞬时时间尺度,空间积分为叶片尺度的冬小麦冠层模式,利用模式分别分析了大气中CO2浓度升高和温度变化对冠层光合作用的不同影响,并在此基础上进一步进行了综合数值分析.单因子分析表明晴天状况下,冠层光合速率随CO2浓度升高而上升,当CO2浓度由330×10-6上升至660×10-6时,冠层光合日总量可增加19.7 %;冠层光合速率随辐射增加而增大,辐射量增加10.0 %,冠层光合日总量可增加6.7 %;冠层光合速率随温度升高而下降,温度升高1 ℃,冠层光合日总量减少2.9 %.多因子综合数值分析表明在辐射量较大的气候背景下,冠层光合日总量对温度和CO2变化响应更加敏感.本文的实测数据为研究气候变化对中国农业影响提供了最基本的可靠模型参数,冠层光合模型为未来改进作物模型提供了理论基础.     

CO2和O3浓度倍增对作物影响的研究进展

文中利用自行设计的OTC - 1型开顶式气室进行了 9a的田间试验 ,取得了一批质量可靠的试验数据 ,分析了CO2 浓度倍增对大豆、冬小麦、棉花、玉米、春小麦和谷子的生物量、产量及品质的影响 ,结果表明CO2 浓度倍增对上述 6种作物的生物量及产量的影响均是正效应 ,对冬小麦、棉花和谷子品质的影响可能是有利的 ,对玉米品质的影响可能是不利的 ,对大豆的影响不大 ;分析了O3 浓度倍增对冬小麦、水稻、油菜和菠菜生物量、产量及品质的影响 ,结果表明O3 浓度倍增对上述 4种作物生物量的影响均是负效应 ,对冬小麦和水稻的产量影响是负效应 ,但是冬小麦和水稻籽粒中粗蛋白和 17种氨基酸含量都有所增加 ;分析了CO2 和O3 浓度复合倍增对大豆生物量、产量及品质的影响 ,结果是生物量和产量呈增加趋势 ,说明了CO2 的正效应大于O3 的负效应。采用作物模型数值模拟方法 ,分析了CO2 和O3 浓度倍增对冬小麦生物量及产量的影响。     

地球能量失衡与全球变暖

地球系统能量收支平衡即能量守恒,在大气顶部,入射的太阳辐射与出射辐射(包括反射的太阳辐射和地气系统发射的长波辐射)基本平衡.但是近百年来人类活动向大气排放的温室气体明显增加,例如CO2从工业革命前(1750年)的280×10-6,到2019年的(410±0.2)×10-6,增加148％;CH4和N2O增加了260％和1...     

种植不同作物对农田N2O和CH4排放的影响及其驱动因子

以种植玉米(Zea mays)、大豆(Glycine max)和水稻(Oryza sativa)的农田生态系统为研究对象,于2003年6~10月系统观测了N2O和CH4的排放、土壤温度和湿度以及相关的生物学因子。玉米和水稻分别施化肥氮300 kg.hm-2,大豆未施氮肥。研究结果表明,作物类型对农田N2O和CH4排放具有显著的影响。土壤-玉米系统、土壤-大豆系统和土壤-水稻系统的N2O季节性平均排放通量分别为620.5±57.6、338.0±7.5和238.8±13.6μg.m-2.h-1(N2O)。种植作物促进了农田生态系统的N2O排放,玉米地土壤和裸地土壤的N2O平均排放通量分别为364.2±11.7和163.7±10.5μg.m-2.h-1(N2O)。土壤-玉米系统、土壤-水稻系统、玉米地土壤和裸地土壤N2O排放受土壤温度的影响,与土壤湿度无显著统计相关,但受土壤温度和水分的综合影响。土壤-大豆系统N2O排放随作物绿叶干重的增加而指数增加,与土壤温度和水分条件无统计相关,由大豆作物自身氮代谢所产生的N2O-N季节总量约为6.2 kg.hm-2(N)。土壤-水稻系统CH4平均排放通量为1.7±0.1 mg.m-2.h-1(CH4),烤田抑制了稻田CH4的排放。烤田前影响稻田CH4排放的主要因素是水稻生物量,烤田后的浅水灌溉及湿润灌溉阶段的CH4排放与土壤温度和水稻生物量无关。本研究未观测到旱作农田有吸收CH4的现象。