人类巨量碳排放后果分析:来自青藏高原综合调查的启示

人类巨量碳排放究竟导致什么后果,争议颇大,只有深入研究始新世以来大气CO_2浓度与环境变化,才有可能正确认识未来人类自身巨量碳排放之后果。大量研究揭示出:从始新世到渐新世末期,大气CO_2浓度大幅下降,全球变冷,形成了大陆冰川;中新世至今,大气CO_2浓度在低浓度背景之下长周期缓慢下降。当前尚不清楚何种机制主导了这一变化过程,也不清楚形成大陆冰川的水来自何方。为此,从青藏高原深部碳循环、表层水循环和环境变化的角度探讨这些问题,再分析未来人类巨量碳排放之后果。青藏高原在生长、隆升过程中,通过硅酸岩化学风化、植物光合作用、陆内俯冲(深埋)、水岩反应等方式,持续将巨量大气CO_2转化为富含碳元素的固、流体,封存在青藏高原新生的厚地壳之中,大幅降低了大气CO_2浓度,导致了全球变冷、大陆内陆(含青藏高原,下同)表层失水变干,形成了大陆冰川。渐新世—中新世之交,青藏高原生长到改变大气环流的规模,形成了亚洲季风,大陆内陆进一步荒漠化,捕获CO_2的量大幅下降,并与青藏高原内部所释放CO_2的量达到了准动态平衡,这是中新世以来大气CO_2浓度变化的主要机制。人类巨量碳排放彻底扭转了大气CO_2浓度长周期缓慢下降的趋势,大陆冰川因全球变暖所形成的液态水不会长期停留在海洋里,而以大气降水的方式重新回到干冷的大陆内陆,青藏高原将因此再次成为巨型水塔,缓解30多亿人的清洁饮用水问题。持续生长的高原和当前干冷荒漠化的大陆内陆通过前述多种方式固化人类排放的巨量CO_2,导致未来大气CO_2浓度在较高浓度背景下保持稳定,届时沙漠变绿洲,黄土高原变成有机质丰富的黑土高原,人居环境大幅改善;但在盆地内部,PM2.5难以扩散,易形成雾霾。全球平均海平面因海水热膨胀而缓慢上升,上升速率约为1 mm/a。水主要在大陆冰川与内陆表层之间循环,与海平面升降之间没有因果关系。因此,人类巨量碳排放所导致的全球变暖对于人类自身的发展是利大于弊。     

藏南碳酸岩脉成因及其气候效应

始新世末期以来,全球大气CO₂浓度持续下降,但长期以来不清楚为何这一时期全球大气CO₂浓度下降,巨量的大气CO₂赋存于何处。深入研究该问题有助于准确理解未来大气CO₂浓度变化的趋势,特别是有助于进一步评估人类自身碳排放的后果。这一时期,小印度陆块持续与大亚洲陆块汇聚,导致了以喜马拉雅为代表的山脉群和青藏高原的形成。很早就有学者从地球表层碳循环的角度提出了"青藏高原的隆升导致了全球变冷"的观点,但这一观点既没有解释清楚"巨量大气CO₂到何处去"的问题,也没有讨论青藏高原本身向大气圈排放CO₂等问题,因此该观点最近受到了强烈的质疑。这些激烈的争论充分反映了传统的地球表层碳循环研究已不能充分满足当前社会的需求。本文从深部碳循环这个视角重新探讨青藏高原在全球碳循环中的作用。在印度与亚洲陆块持续汇聚期间,以喜马拉雅为代表的巨型山脉快速崛起,然后持续遭受化学风化作用,大量消耗大气CO₂。化学风化的产物堆积在喜马拉雅山前的前陆盆地内,形成了巨量含新生碳酸盐矿物和有机碳的西瓦里克沉积杂岩,随后新生的西瓦里克杂岩又随持续平板俯冲的印度陆壳被带入青藏高原内部,与平板俯冲的印度陆壳共同经历高温变质作用。俯冲板片内的(黑)云母等含水矿物发生脱水,形成花岗岩浆。花岗岩浆再与俯冲的西瓦里克杂岩内的碳酸盐岩发生交代反应,释放出含钙、镁离子、以CO₂和水为主的高温流体,本文称其为壳源火成碳酸岩浆。碳酸岩浆沿张性裂隙上侵、冷凝之后形成藏南的碳酸岩脉。虽然青藏高原内部的火山、温泉等均向大气圈排放CO₂,但所排放的碳均为再循环来自大气圈的碳,并且排放量略小于吸收量,否则消耗大气CO₂所新生的碳酸岩脉就不会在青藏高原内部保存下来。藏南大量晚新生代碳酸岩脉的发现充分说明了喜马拉雅山脉和藏南高原是一个巨大的碳储库,在其形成过程中将巨量大气CO₂转化为流体(岩浆)的形式封存于青藏高原内部,从而大幅降低了大气CO₂浓度,最终导致了全球变冷。上述过程充分说明,大气CO₂浓度的变化实质上是受控于地球内部的构造运动。进一步可推论出,"全球变化"只是一个自然现象,虽然它有独特的运行轨迹,但与人类的碳排放量无因果关系。     

慕士塔格夏季近地表大气CO2浓度变化特征

利用CIRAS SC型号的CO₂和H₂O分析仪, 对东帕米尔高原慕士塔格地区2003年夏季(6~8月)近地表大气CO₂浓度和水汽进行精确持续观测, 给出了我国内陆高原大气近地表 CO₂ 浓度夏季的变化特征. 观测表明, 该地夏季CO₂浓度呈整体下降趋势, 并因受陆地植被光合作用、呼吸作用和土壤微生物等的影响, 有明显的日周期变化. 在短时间尺度上, 其变化趋势与瓦里关站点观测结果基本一致, 与Mauna Loa站点观测结果差别明显. 通过考察当地 CO₂浓度与大气水汽的关系, 发现两者具有很显著的反相关性. 上述现象揭示, 慕士塔格近地表大气CO₂含量的变化不仅受植物光合作用的影响,同时大气中水汽的含量在控制CO₂含量方面起着重要作用.     

始新世-渐新世界线的全球气候事件：从“温室”到“冰室”

新生代以来,全球气候在持续不断的变冷,从两极无冰的"温室地球"变为现今两极终年有冰的"冰室地球",经历了多次冰盖扩张的变冷事件。始新世-渐新世界线（E/O）附近,δ¹⁸O值大幅度正偏,在短期内由 1．2‰迅速增加到 3．0‰,底层海水温度从12 ℃降低为 4．5 ℃。保存在大洋和大陆中的记录表明：E/O界线附近,全球气温大幅降低,海陆生物均有不同程度的灭绝,指示了气候变冷、变干的趋势。始新世-渐新世转换期间,南极洲与澳大利亚之间的塔斯曼尼亚海道和南极洲与南美洲之间的德雷克海峡（DrakeStrait）相继打开,形成环南极洋流,从而阻止赤道地区的热量向南极传送,导致南极大陆"热隔绝",使南极大陆东部为冰川所覆盖。最近的研究显示,E/O事件是与大气CO₂含量快速变化密切相关的瞬时气候变化,其变化速率类似于现今地球由于人类活动引起大气CO₂的变化,表明大气CO₂浓度的变化在这一事件中起了极为重要的作用。     

未来百年全球气候变化分析

未来百年全球气候变化的影响是当前学术界激烈争议的议题,深入探讨全球气候变化的驱动机理才能正确认识全球气候变化.持续生长的青藏高原吸收了巨量的CO2,导致大气中CO2浓度大幅下降,使地球从温室气候进入到以冰期、间冰期交替出现为特征的冰室气候,青藏高原成为新生碳储库.在间冰期,青藏高原和蒙古高原将淡水输送到中低纬度内陆区(...     

近2 Ma BP以来地球轨道参数周期上全球海平面变化机制

海平面的变化往往对区域生态环境、社会经济造成严重影响.通过对全球相对海平面变化(relative sea level,简称RSL)记录的再分析结果,合成了近2 Ma BP以来的全球RSL变化记录,分析了合成RSL记录对原始RSL记录数理特征的继承性,并基于频谱、滤波等数理分析验证了合成RSL记录的合理性.在此基础上,讨论了合成RSL与大气CO₂浓度、中高纬度海域表层海水温度(sea surface temperature,简称SST)、全球大洋底栖氧同位素(δ18O_B)等参数指标间的相关性,结果显示:(1) 合成RSL不仅与原始RSL记录的变化趋势基本一致,继承了原始RSL记录对全球气候变化的响应特征,而且显示出合成RSL记录对地球轨道参数周期变化响应明显;(2) 近2 Ma BP以来,在冰期-间冰期旋回中,合成RSL与δ18O_B变化呈良好的负相关,相关系数r平均值可以达到约0.81,高于合成RSL与大气CO₂浓度及中高纬度海域SST变化的相关系数;(3) 在地球轨道参数周期上,合成RSL与极地冰盖体积(δ18O_B)的变化几乎同时,在偏心率周期上,合成RSL落后于SST和大气CO₂浓度变化;在斜率周期上,合成RSL落后于SST变化而领先于大气CO₂浓度变化.推测这些变化的诱导因素可能是在太阳辐射量改变的前提下,大气CO₂浓度及大洋SST变化对极地冰盖体积产生了差异影响,进而引起海平面发生变化.      

柴达木盆地中新世-早上新世有机碳同位素记录和植被演化历史

晚中新世C₄植被扩张的过程和驱动机制是全球古气候变化研究的焦点问题。然而,这一生态格局的转变在亚洲中纬度地区的扩张范围尚存在争议,阻碍了对中国北方陆地生态系统的形成及其与高原隆起关系的清晰认识。青藏高原东北缘柴达木盆地河湖相沉积保存了晚新生代连续的古生态演化记录,是研究这一科学问题的理想载体。本研究选取柴达木盆地已具有古地磁年代的、厚度约6200 m的大红沟剖面河湖相地层,通过有机碳同位素和正构烷烃分析,恢复了高原东北缘约20.5～4.4 Ma的植被演变历史。结果发现,大红沟剖面典型样品正构烷烃C₂₇、 C₂₉和C₃₁组分含量占总含量的绝大多数,且具有明显的奇偶优势,指示陆生高等植物是该剖面河湖相沉积物有机质的主要来源;大红沟剖面有机碳同位素记录指示中新世-早上新世青藏高原东北缘生态系统以C₃植物为主且晚中新世没有出现C₄植被的大规模扩张,这与低海拔的中国北方晚中新世C₄植被大规模扩张的观点不同。晚中新世较低的大气CO₂     

中中新世气候转型期太平洋深层环流变化与碳循环

中中新世气候转型(14.2～13.9 Ma)是全球联动的一个快速气候变化事件,冰盖、洋流和碳循环均发生显著变化,厘清其驱动机制对理解新生代全球变冷有重要意义。对此已有研究提出2种假说：一种重视洋流重组,另一种则突出碳循环的重要性,但二者都无法完美解释中中新世气候转型的种种现象。实际上,冰盖—洋流—碳循环三者形成耦合的系统,共同造成地球气候变化。综合已有的地质记录,两类机制均导致深部大洋碳储库增大,大气p CO₂降低,并进一步促进气候变冷和冰盖增长,表明不同子系统之间的耦合作用引起气候突变。相较于碳循环过程和冰盖变化,学术界对中中新世气候转型期间洋流变化的了解较少,特别是南大洋和太平洋深部水团。未来的研究应聚焦于深部太平洋的洋流变化,以便更全面地完善对中中新世气候转型的理解。     

河流二氧化碳释放研究进展

大气温室气体(GHGs)浓度的持续增加是气候变暖的重要驱动因素。河流系统是陆地、大气和海洋之间生物地球化学循环的重要纽带,河流GHGs释放被认为是全球GHGs的一个重要来源,亦是影响全球碳中和目标实现的不可忽视的因素。本文基于2010—2020年发表的全球河流二氧化碳(CO₂)释放的研究结果,系统分析了河流CO₂浓度与通量的全球和区域水平差异及其影响因素。研究发现,全球河流源头、干流和河口均为大气CO₂的源,全球河流CO₂总通量可达(2.16±0.38) Pg C·a^-1,其中源头>干流>河口,源头、干流和河口释放通量分别为(0.69±0.12) mol·m^-2·d^-1、(0.42±0.07) mol·m^-2·d^-1和(0.17±0.03) mol·m^-2·d^-1,释放总通量分别为(0.84±0.15) Pg C·a^-1     

冬春季青藏高原北麓河多年冻土活动层中气体CO2浓度分布特征

2005年1~5月在青藏高原北麓河附近的高寒干草原、高寒草甸和高寒草原3种典型草地上进行了不同深度土壤气体采样和CO₂浓度分析.结果表明:土壤剖面的土壤气体CO₂浓度呈现出上低下高的分布特征.在动态变化上,土壤中CO₂浓度在多年冻土活动层春季升温过程中出现一个峰值,经过短暂的降低后随夏季融化过程开始而升高.土壤剖面CO₂浓度与土壤有机碳、重组有机碳、轻组有机碳、水溶性有机碳、植物残体有机碳、微生物碳贮量和土壤温度呈明显的相关关系,在100 cm以上深度与土壤水分呈负相关关系.在整个观测期间,高寒干草原、高寒草原和高寒草甸植被下3种土壤剖面土壤气体CO₂浓度变化范围分别为1 052~3 050 mL·m^-3、3 425~39 144 mL·m^-3和984~12250 mL·m^-3,高于我国塿土CO₂浓度变化范围,也远远高于青藏高原五道梁地区高寒草原土壤气体CO₂浓度变化范围.石灰简育寒冻雏形土和石灰寒冻砂质新成土CO₂浓度变化范围低于国外报道的草地和农田CO₂浓度变化范围;石灰草毡寒冻雏形土CO₂浓度变化范围明显高于国外报道的草地和农田CO₂浓度变化范围.活动层冻结期,土壤CO₂的闭蓄作蓄作用比较明显.由于微地形导致土壤水分条件的差异,夏季融化过程各观测点土壤CO₂浓度开始升高时间存在差异.     

祁连山疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤CO2通量特征

研究青藏高原多年冻土区高寒草甸土壤CO₂通量有助于准确估算该区域的土壤CO₂排放, 对认识高原土壤碳循环及其对全球气候变化的响应具有重要意义. 利用静态箱-气相色谱法和LI-8100土壤CO₂通量自动测量系统对疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤CO₂通量进行了定期观测, 结合气象和土壤环境因子进行了分析. 结果表明: 整个观测期高寒草甸土壤表现为CO₂的源, 土壤CO₂通量的日变化范围为2.52～532.81 mg·m^-2·h^-1. 土壤CO₂年排放总量为1 429.88 g·m^-2, 年均通量为163.23 mg·m^-2·h^-1; 其中, CO₂通量与空气温度和相对湿度、活动层表层2 cm、10 cm、20 cm、30 cm 土壤温度、含水量和盐分均显著相关. 2 cm土壤温度、空气温度和总辐射、空气温度、2 cm土壤盐分分别是影响活动层表层2 cm土壤完全融化期、冻结过程期、完全冻结期、融化过程期土壤CO₂通量的最重要因子. 在完全融化期、冻结过程期和整个观测期, 拟合最佳的温度因子变化分别能够解释土壤CO₂通量变化的72.0%、82.0%和38.0%, 对应的Q₁₀值分别为1.93、6.62和2.09. 冻融期(含融化过程期和冻结过程期)和完全冻结期的土壤CO₂排放量分别占年排放总量的15.35%和11.04%, 在年排放总量估算中不容忽视.     

青藏高原草地土壤有机碳库及其全球意义

定量分析了青藏高原各类草地0～0.65m深度范围内有机碳储量,结果表明:青藏高原总面积为1.6027×10hm²的草地有机碳量达到335.1973×10⁸tC,其中以高原草甸土和高原草原土有机碳积累量为主,两者之和达到232.36×10⁸tC,占全国土壤有机碳量的23.44%,是全球土壤碳库的2.4%.在有机碳储量分析的基础上,按土壤碳释放的两种主要途径:土壤呼吸作用和土地利用方式变化与草地退化,对草地土壤碳排放进行了估算,揭示出青藏高原草地土壤通过呼吸每年排放的CO₂达到11.7×10⁸tC·a^-1,约占中国土壤呼吸总量的2.3%,明显高于全国乃至全球平均值;近30a来,青藏高原草地土壤由于土地利用变化和草地退化所释放的CO₂估计约有30.23×10⁸tC.保护青藏高原草地对于全球变化意义重大.定量分析了青藏高原各类草地0～0.65m深度范围内有机碳储量,结果表明:青藏高原总面积为1.6027×10hm²的草地有机碳量达到335.1973×10⁸tC,其中以高原草甸土和高原草原土有机碳积累量为主,两者之和达到232.36×10⁸tC,占全国土壤有机碳量的23.44%,是全球土壤碳库的2.4%.在有机碳储量分析的基础上,按土壤碳释放的两种主要途径:土壤呼吸作用和土地利用方式变化与草地退化,对草地土壤碳排放进行了估算,揭示出青藏高原草地土壤通过呼吸每年排放的CO₂达到11.7×10⁸tC·a^-1,约占中国土壤呼吸总量的2.3%,明显高于全国乃至全球平均值;近30a来,青藏高原草地土壤由于土地利用变化和草地退化所释放的CO₂估计约有30.23×10⁸tC.保护青藏高原草地对于全球变化意义重大.     

青藏高原北部植物叶片碳同位素组成的空间特征

测定了青藏高原北部13个地点101份草本植物叶片碳同位素组成(δ¹³C值), 结果发现, 植物叶片δ¹³C值的分布范围在-29.2‰～-23.8‰之间, 平均值约为-26.89‰, 明显低于全球高海拔植物叶片δ¹³C值(-2.6‰) ; 而植物叶片δ¹³C值随海拔和经、纬度的变化趋势与其它同类报道相似:随着海拔的升高和经、纬度的降低, 植物叶片δ¹³C值呈现升高趋势. 叶片δ¹³C值也随土壤含水量和土壤温度的变化而变化:土壤含水量越高, 土壤温度越低, 植物叶片δ¹³C值越小, 但它们之间的相关关系不具统计学意义. 初步分析表明, 大气压力 (CO₂分压)和温度的协同变化导致了叶片δ¹³C值随着海拔变化的分布格局, 而温度和相对湿度的变化是引起叶片δ¹³C值的经、纬度效应的主要因子.     

Century-scale nitrogen and phosphorus controls of the carbon cycle

In recent decades, humans have become a very important force in the Earth system, demonstrating that emissions (gaseous, liquid, and solid) are the cause of many of our environmental issues. These emissions are responsible for major global reorganizations of the biogeochemical cycles. The oceans are now a net sink of atmospheric CO₂, whereas in their preindustrial state they were a source; the trophic state of the coastal oceans is progressively moving toward increased heterotrophy; and the terrestrial realm is now vacillating between trophic states, whereas in preindustrial times it was autotrophic. In this paper, we present model calculations that underscore the role of human-induced perturbations in changing Earth's climate, specifically the role of anthropogenic nitrogen and phosphorus in controlling processes in the global carbon cycle since the year 1850 with projections to the year 2035. Our studies show that since the late 1940's emissions of nitrogen and phosphorus have been sequestered in the terrestrial living phytomass and groundwater. This nutrient-enhanced fertilization of terrestrial biota, coupled with rising atmospheric CO₂ and global temperature, has induced a sink of anthropogenic CO₂ that roughly balances the emission of CO₂ owing to land use change. In the year 2000, for example, the model-calculated terrestrial biotic sink was 1730 Mtons C/year, while the emission of CO₂ from changes in land use was 1820 Mtons C/year, a net flux of 90 Mtons C/year emitted to the atmosphere. In the global aquatic environment, enhanced terrestrial inputs of biotically reactive phosphorus (about 8.5 Mtons P/year) and inorganic nitrogen (about 54 Mtons N/year), have induced increased new production and burial of organic carbon in marine sediments, which is a small sink of anthropogenic CO₂. It is predicted that the response of the global land reservoirs of C, N, and P to sustained anthropogenic perturbations will be maintained in the same direction of change over the range of projected scenarios of global population increase and temperature change for the next 35 years. The magnitude of change is significantly larger when the global temperature increase is maximum, especially with respect to the processes of remobilization of the biotically important nutrients nitrogen and phosphorus.     

温度对青藏高原高寒灌丛CO2通量日变化的影响

应用涡度相关技术连续监测的CO₂通量及温度数据(2003年1月1日至2004年12月31日),分析了青藏高原高寒灌丛净生态系统CO₂交换(NEE)日变化与温度之间的关系.结果表明:1)在暖季夜间(21:00至次日06:00时)温度与NEE变化呈显著正相关关联,而白昼(07:00~20:00时)NEE变化与温度无显著关联;2)在冷季不论夜间还是白昼,NEE变化均与温度密切相关,温度是决定冷季高寒灌丛生态系统CO₂交换的主要因素.在全球气候变暖背景下,青藏高原气候变化呈现出冬季增温率明显高于春、夏季特征,未来气候变暖导致的增温效应可能会加速青藏高原高寒灌丛生态系统CO₂排放,使其作为碳汇的能力而减弱.     

青藏高原东北缘小水子地区晚中新世-上新世生态演化及其意义

晚中新世-上新世古生态演化是探讨构造-气候-生态环境相互耦合作用的热点议题,该时段不同区域C4植物是否发生大规模扩张及其在时空维度上如何演化等问题尚存争议.以青藏高原东北缘小水子红黏土为研究对象,基于总有机碳同位素重建了小水子地区晚中新世-上新世(6.7～3.6 Ma)的植物生态型,并结合周边结果对C3/C4植被时空演...     

基性-超基性岩碳酸盐化固碳效应研究进展

人为排放CO2导致全球气候变暖已经对人类生存和发展造成威胁,碳捕获与封存是世界公认的实现碳减排的主要途径之一.基性-超基性岩碳酸盐化固碳作为地质碳汇之一,是一种经济、安全且长久的碳捕获与封存方式,引起了国际社会越来越多的重视.本文阐述了自然条件下基性-超基性岩碳酸盐化反应过程,分析其固碳机理和影响基性-超基性岩碳酸盐化...     

青藏高原南部及邻区深部碳释放规模与成因

不同构造背景下的深部碳释放通量与机制研究对于深刻理解长时间尺度的气候变化具有重要意义,以往的相关研究多集中在洋中脊、大洋俯冲带和大陆裂谷等地质单元,缺少对大陆碰撞带深部碳释放规模与机理的关注,从而制约了对大陆碰撞带深部碳循环过程及其气候环境效应的进一步认识。青藏高原起源于印度和欧亚大陆的碰撞,是研究大陆碰撞带深部碳循环的理想地区。为此,在近年来青藏高原温室气体释放野外观测与研究的基础上,本文估算了高原南部及邻区火山-地热区的CO₂释放规模并探讨了其释放模式。气体He-C同位素地球化学与温泉水热活动特征等显示,青藏高原南部及邻区的深部碳释放主要受深部岩浆房、断裂和浅部水热系统等因素的控制。依据深部流体源区和上升运移控制因素的差异,可以将青藏高原南部及邻区的深部碳释放划分为三大类：(1)以壳内水热系统脱碳为主的藏南地区;(2)深大断裂控制的以水热系统脱碳为主的川西地区;(3)深部岩浆房和浅部水热系统共同控制的滇西南地区。青藏高原南部土壤微渗漏CO₂释放通量介于18.7～52.3Mt/yr之间,温泉溶解无机碳释放通量约为0.13Mt/yr;高原邻区...