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。     

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(...     

人类活动对青藏高原冻土环境的影响

采用物探技术、植物样方调查对青藏公路沿线工程活动对冻土环境因素之间的影响进行了分析研究, 结果表明: 由于工程活动对原冻土区地貌、植被及表土层结构等的干扰破坏, 致使工程区及其影响区冻土上限下降速度加快, 同时得出了冻结层上水埋深(1～3 m)与冻土层厚度变化的关系以及冻结层上水水位随冻土上限下降而变化的规律. 指出工程活动对植被的影响不仅与工程本身有关, 也与工程区冻土厚度、地下水、土壤等因素有密切关系.     

1961-2015年青藏高原降水量变化综合分析

降水量及其季节分配与降水形式变化一直是全球气候变化研究的热点之一。使用青藏高原72个气象站点1961-2015年的逐日降水量资料,基于趋势、波动特征和极端事件相结合的新视角,全面剖析了该地区近55年降水量的趋势、波动与极端事件变化。结果表明：（1）时间上,近55年青藏高原年降水量、年最大日降水量和一年中日降水量≥ 10 mm的天数分别以6.59 mm·（10a）^-1、0.33 mm·（10a）^-1和0.26 d·（10a）^-1的速率显著增加,增幅分别达到36.2 mm、1.8 mm和1.4 d。（2）空间上,过去55年青藏高原绝大部分地区年降水量增加,不稳定性增强。但波动变化存在较大的地区差异,广大的中西部地区年降水量波动缓慢增强,而高原东部地区自北向南波动快速增强区与快速减弱区相间分布,极端降水强度与频数亦有类似的变化格局。（3）趋势、波动与极端变化三者组合预示,青藏高原东部的祁连山地区、柴达木盆地东部、青海湖流域与长江源区极端降水事件将明显增加,高原中西部地区发生强降水的可能性亦增加,而高原东南缘地区干旱事件将增多。     

国际合作INDEPTH项目横穿青藏高原的深部探测与综合研究

国际合作青藏高原与喜马拉雅深部剖面探测(INDEPTH)计划自1992年开展以来,圆满完成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、3个阶段研究任务,揭示了喜马拉雅山和青藏高原腹地的地壳结构和深部构造,在同际核心期刊公开发表10多篇有重要影响的学术论文,受到国际地球科学界的高度评价.第四阶段计划是研究高原北部边缘,即东昆仑造山带和柴达木盆地的结构构造及其形成演化,并与南部喜马拉雅造山带加以对比.经过多次野外地质踏勘,选定剖面的工作路线,2007年各方正式签订协议,并共同开展了野外调查,圆满完成了横穿东昆仑造山带和柴达木盆地的100km垂直深反射地震、300 km广角地震反射以及59个宽频带天然地震台站的野外观测施工任务.中方项目组还在东昆仑南部厘定出渐新世晚期-中新世早期大型逆冲推覆构造系统,发现青藏高原渐新世晚期-中新世早期整体隆升的重要证据.2008年将继续天然地震观测,还将开展大地屯磁测深、重力、地质构造剖面观测和反射地震数据处理;2009~2010年将利用各类深部探测资料,综合研究青藏高原北部的地壳结构、岩石圈构造和深部过程.     

青藏高原冰川表层雪中低分子有机酸的化学特征及来源分析

偏远地区雪冰中的化学组成在一定程度上可以反映当地的大气环境状况。为揭示青藏高原冰川表层雪中低分子有机酸的特征、探讨其可能来源及对降水酸度的贡献,进一步理解偏远地区酸沉降的形成机制,本研究基于2021年5至6月在青藏高原的五条冰川：阿尔金、扎子沟、七一、煤矿和玉珠峰采集的28个表层新雪样,分析了雪样中低分子有机酸的含量和组成特征。结果表明：研究区表层雪中的甲酸、乙酸和草酸的浓度范围分别为90.2～225.2 ng·mL^-1、54.6～277.8 ng·mL^-1和46.1～474.0 ng·mL^-1,除煤矿冰川外,雪样中有机酸总浓度相对较高。根据亨利定律和理想气体方程对有机酸的来源进行分析,表明阿尔金、扎子沟和煤矿冰川地区表层雪中的有机酸均主要来源于大气中不饱和碳氢化物的氧化反应等间接来源,而玉珠峰和七一冰川地区表层雪中的有机酸则主要来源于植物、土壤、生物质和化石燃料燃烧以及人类活动直接排放。在本研究中,甲酸、乙酸和草酸之间高度相关(相关系数介于0.73～0.97之间),表明它们可能均来自生物质燃烧。在有机酸的降水酸度贡献分...     

青藏高原新生代形成演化的整合模型——来自火成岩的约束

深部过程是青藏高原演化的主导因素,其他地质过程都可以看作是对深部过程的响应。因此,一个构造旋回(阶段)的地球动力学事件链可以概括为深部地质过程—幔源岩浆活动—壳源岩浆活动—陆壳增厚—地表隆升—表层剥蚀与沉积,其中幔源岩浆活动的研究成为追索青藏高原演化历史的关键环节。据此,青藏高原演化的关键性时间坐标为80、45、27、17、9和4Ma。青藏高原新生代火成岩具有三种展布形式:与雅鲁藏布缝合带平行的岩浆带、沿深大断裂展布的岩浆带和藏北离散性岩浆分布区,它们分别受控于大陆碰撞、大规模走滑和岩石圈拆沉构造体制,且都受控于印度—亚洲软流圈汇聚过程。据此,文中提出了一个描述青藏高原演化的整合模型:南北向地幔对流汇聚控制了岩石圈块体的相对运动,并最终导致印度—亚洲大陆的碰撞和沿碰撞带的大规模岩浆活动;碰撞之初(白垩纪末期),大陆岩石圈块体的刚性属性有利于应力的远程传递和块体旋转,沿块体边界分布的大型走滑断裂控制了岩浆活动的发生;随着挤压过程的持续进行,岩石圈块体的受热和变形,高原岩石圈的重力不稳定性增加,最终导致拆沉作用和软流圈物质的大规模上涌以及藏北高原的离散性岩浆活动。在高原演化中,岩石圈拆沉作用具有重要意义,许多地质事件的发生都与此有关。同时,软流圈的汇聚还导致软流圈物质的向东挤出,并因此造成青藏高原岩石圈的向东挤出和晚新生代的伸展构造。     

青藏高原末次冰消期以来人类活动的时空演化特征及其原因探讨

青藏高原处于欧亚文明交汇区, 拥有古丝绸之路的高原支线, 其严酷的极端环境对人类生存形成巨大挑战, 研究高原自然环境与过去人类活动之间的关系, 对认识和理解人类应对极端环境的适应模式与机制具有重要价值。文章选用了海拔、地形起伏度、地被指数、水网密度指数、温湿指数、风寒指数、人体舒适度及绝对含氧量自然因子指标, 采用地理加权回归模型, 构建以1 km×1 km栅格为研究单元的青藏高原极端环境指数(EEI)分区, 探讨末次冰消期以来人类活动时空演化及原因。结果表明: 高原EEI变化趋势由东南向西北递减, 根据EEI数值高低将评价结果依次分为低极端区、较低极端区、中极端区、较高极端区和高极端区, 其中高极端区分布在高原腹地和西部少量高大山脉, 较高极端区面积广大且高山横亘, 中极端区包括柴达木盆地、川西高原、青海南部及藏南谷地等地区, 较低极端区以高原边缘河谷和横断山区为主体, 低极端区为面积占比最小的藏东南地区。末次冰消期以来气候条件的转变、东西方文化交流引起的生存技术革新和生业模式的转变, 使人类活动分布重心先后经历了较高极端区均衡散布型(旧-中石器时代)、较低极端区丛簇集聚型(新石器时代)、较低极端区连片集聚型(青铜时代)、中极端区边缘集聚-腹地均衡型(汉-元代)、较低极端区边缘集聚型(明清时期)的空间调整。

     

青藏高原的隆起,沙漠和黄土的形成,人类的起源与演化

青藏高原大幅度的隆起,地质历史由第三纪进入第四纪。西域组(或玉门组)底的不整合面应代表我国第四系的下限,约3.00Ma B.P.。随青藏高原的抬升,气候日趋干燥,塔克拉玛干沙漠形成。黄土是由北部戈壁、沙漠中细粒物质被风吹至南部,后经季雨冲洗堆积在盆地中形成的。青藏高原上不存在第四纪大冰盖。人类的起源和发展与青藏高原隆起关系密切,西瓦古猿在向北迁移中灭绝,其旁枝在高原东部形成真正的人属,然后再向北、东迁移,最终演化为智人。     

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;高原邻区的川西、滇东南断裂带温泉CO₂释放规模为0.1Mt/yr;腾冲火山区CO₂释放通量介于4.5~7.1Mt/yr之间。本研究认为,青藏高原南部及邻区每年向大气圈释放CO₂的规模为23.4~59.6Mt,这一规模与全球其他构造背景(如洋中脊、大洋俯冲带、大陆裂谷等)火山区深部碳释放规模相当,表明以青藏高原为代表的大陆碰撞带是地质源CO₂释放的重要场所。     

青藏高原天然水体中As变化初步研究

根据测得的青藏高原部分天然地表水体(包括河水、湖水等)中As的含量,初步分析了青藏高原部分地区天然地表水中As的空间分布规律.研究发现,青藏高原不同区域河水中As的浓度存在显著的空间变化,尤其是狮泉河流域河水中异常高的As含量.这种空间差异可能是由地区土壤与岩石中As含量的差异造成的,而那曲河水中较高的As可能反映了人类活动的影响.湖水中As的含量高于河水,最高可高达1200μg·L^-1以上.内陆湖湖水中高的As含量可能与水的蒸发浓缩有关,但注入河水的As含量也会起决定作用。     

青藏高原陆地生态系统碳汇估算: 进展、挑战与展望

陆地生态系统碳汇是实现碳中和的重要支撑。作为我国乃至亚洲的生态安全屏障, 青藏高原具有良好的生态资源、固碳增汇潜力大。本文系统梳理了青藏高原陆地生态系统碳汇现状与未来潜力估算。主要结果如下: 通过整合自下而上(清查法和生态系统模型)和自上而下(大气反演模型)不同方法的研究, 当前碳汇大小为每年26.5~33.7TgC, 占全国陆地生态系统碳汇的9.9 %~19.6 %; 未来气候暖湿化以及生态恢复与管理措施加强情景下, 到2060年碳汇有望实现倍增, 达到每年53.0~63.7TgC。但高原碳汇估算仍存在很大不确定性, 未来研究应聚焦在减少土壤碳汇不确定性、极端气候事件对碳汇功能影响、冻土碳库脆弱性、退化生态系统增汇潜力与途径、水体碳源汇功能和其他温室气体源汇功能等方面; 通过补齐高原关键区域观测短板、研发自然与人文耦合的生物地球化学模型、构建模型-多源观测数据融合系统, 以准确揭示青藏高原碳汇现状与未来趋势, 为青藏高原碳中和贡献先行示范区和生态文明高地建设提供参考与支撑。

     

青藏高原土壤碳排放研究进展

青藏高原土壤碳排放研究是评估国家区域碳排放量和预测气候变化所可能导致影响的关键. 首先对青藏高原土壤碳排放的关键性影响因子进行探讨, 并分析了土壤碳排放的时空分布格局变化. 目前青藏高原土壤碳排放研究主要是针对高寒草甸及高寒草地生态系统, 较少涉及高寒荒漠, 研究区域较为分散; 土壤碳排放受到气候环境因素、生物因素及人为因素等多重因素的影响, 其中温度、土壤湿度、土壤区系生物、人为因素及多年冻土退化是最关键的影响因素; 土壤碳排放具有明显的时空变异性, 空间变异性在生物群丛、景观、区域和生物群系四个尺度体现, 时间变异性在日、季、年上体现. 总体而言, 青藏高原土壤碳排放的研究较少, 尤其关于大尺度、长时间序列的研究以及土壤碳排放的机理等方面的研究十分缺乏, 有待于后续加强研究.     

青藏高原湿地冻土区活动层甲烷排放特征

青藏高原作为地球陆地碳循环系统的重要组成部分,一直是科学家和环保工作者关注的热点,天然气水合物的发现是否会引发环境和地质灾害再次引起科学家甚至政府部门的重视.本文选用甲烷通量、近地表大气甲烷浓度、土壤甲烷浓度和甲烷稳定碳同位素为监测指标,以祁连山天然气水合物试采区为研究区,开展甲烷排放监测.结果表明:①祁连山高寒草原、高寒草甸区甲烷排放具有季节性变化和区域分布特点,最大排放值为19.2mg/m2·h,最大吸收值为-108 mg/m2·h,表现出巨大的碳汇潜力,对青藏高原碳循环具有重要意义;②甲烷碳同位素显示冻土区活动层大量存在微生物,10~30 cm甲烷主要微生物成因,微生物活跃期在夏季,冬季则减弱,微生物的代谢影响着甲烷的氧化和产生,嗜甲烷菌的存在对甲烷的排放起很大的控制作用;③试采前后近地表大气甲烷含量没有出现“爆炸式”增长,这与研究区天然气水合物的赋存状态和储量及试采方式有关;④甲烷排放受多种因素的影响,应加强对土壤温度、土壤湿度和pH值等因素的进一步研究.     

青藏高原东北缘岩石圈缩短变形——深地震反射剖面再处理提供的证据

青藏高原是由印度板块和亚洲板块于50～60 Ma碰撞而形成的全球最高最大的高原,已成为多数国内外学者的共识.然而,关于它的岩石圈变形机制却是长期争论的问题.深地震反射剖面是精细揭示岩石圈结构、分辨变形样式的有效技术.重新处理的松潘地块一西秦岭造山带深地震反射剖面揭示出岩石圈变形的细节,以地壳上部的双重逆冲构造、地壳中部...     

青藏高原冷湿地生态系统CH4排放量估算

The areal extent of cold freshwater wetlands on the Tibetan Plateau is estimated to be 0.133×10 6 km 2, suggesting a significant methane potential. Methane fluxes from wet alpine meadows, peatlands, Hippuris vulgaris mires and secondary marshes were 43.18,12.96,-0.28 and 45.90 mg·m -2 ·d -1 , respectively, based on the transection studies at the Huashixia Permafrost Station from July to August 1996. Average CH 4 flux in the thaw season was extrapolated to be 5.68 g·m -2 according to the areal percentage of wetland areas in the Huashixia region. CH 4 fluxes at four fixed sites, representative of similar ecosystems, ranged from -19.384 to 347.15 mg·m -2 ·d -1 , and the average CH 4 fluxes varied from 6.54 to 71.97 mg·m -2 ·d -1 at each site from April to September 1997. CH 4 emissions at each site during the entire thaw season was estimated from 1.21 to 10.65 g·m -2 , displaying strong spatial variations. Seasonal variations of CH 4 fluxes were also observed at the four sites. It is found that CH 4 bursted in the early thaw season, and increased afterwards with rising soil temperatures. Episodic fluxes were observed in summer, which influenced the average CH 4 flux considerably. Annual CH 4 emissions from cold wetlands on the plateau were estimated at about 0.7～0.9 Tg based on the distribution of wetlands, representative CH 4 fluxes, and number of thaw days. The centers of CH 4 releasing are located in the sources of the Yangtze and Yellow Rivers, and Zoige Peatlands.     

青藏高原融冻过程中能量和水分循环的模拟研究

采用与先进陆面模式耦合的区域气候模式WRF V3.1,利用NCEP/DOE再分析资料作为驱动场,对青藏高原东北部1 998年5-7月进行模拟.首先,对模拟区降水、感热和潜热通量的空间分布进行了检验,结果表明WRF模式能够合理且较好的模拟出高原东北部降水、感热和潜热通量的空间分布状况.通过对融冻过程中土壤温、湿度及水文要...     

青藏高原花石峡冻土站高寒湿地CH4排放研究

利用静态箱技术对青藏高原花石峡冻土站附近湿地生态系统ＣＨ４排放的初步调查表明,各个植物群落内部和不同群落之间的ＣＨ４排放量变化都很大．花石峡地区高寒湿地基本可分为潮湿高寒草甸、沼泽化草甸、杉叶藻沼泽和毛柄水毛茛沼泽,其群落夏季ＣＨ４平均排放量分别为４４３１,１００５,４５９４和－０２８ｍｇ·ｍ－２ｄ－１．花石峡融化季节ＣＨ４排放量为４０８ｇ·ｍ－２ａ－１．简单外推表明,青藏高原高寒湿地ＣＨ４年排放量约为１Ｔｇ·ａ－１．