全球變化專題

全球變化專題我們的家園：空氣水食物

……一、全球變化的概念工業(yè)革命帶來了人類社會的快速發(fā)展，但同時也加快了地球表層系統(tǒng)的各種環(huán)境變化：全球變暖、生態(tài)系統(tǒng)退化、植被帶遷移、生物多樣性喪失、荒漠化擴(kuò)展等，人類社會面臨前所未有的資源、環(huán)境和發(fā)展的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。1、人類活動對地球表層系統(tǒng)的影響1、人類活動對地球表層系統(tǒng)的影響人類活動對地球系統(tǒng)的影響，成為現(xiàn)代生態(tài)學(xué)和現(xiàn)代社會發(fā)展的重要科學(xué)命題和研究焦點(diǎn)。如何保證地球成為適合人類生存并持續(xù)發(fā)展的生命支持系統(tǒng)成為當(dāng)前亟待解決的根本問題。而科學(xué)、全面的認(rèn)識地球生態(tài)系統(tǒng)過程發(fā)生的各種變化，是確定科學(xué)對策的關(guān)鍵。2、全球變化的定義該詞出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，“全球變化”表達(dá)了整個人類社會、經(jīng)濟(jì)、政治體系的不穩(wěn)定狀態(tài)。20世紀(jì)80年代，隨著環(huán)境問題的突出，自然科學(xué)家將原來的定義擴(kuò)展到整個地球環(huán)境系統(tǒng)的變化。全球變化：是指由于自然和人為的因素而引起的全球性的環(huán)境變化，包括氣候變化、大氣組成變化、土地利用變化、生物多樣性變化、荒漠化。2.2當(dāng)代主要的全球變化全球變化相互影響，人口增長是主要驅(qū)動因子2、全球變化的定義人口呈指數(shù)級數(shù)增長：1850年10億；1999年60億每增加10億需要的時間越來越短工業(yè)革命后，人口增長的速率與溫度升高、CO2增加、N增加趨勢基本一致人類的改造能力迅速增加二、主要的全球變化及其成因（3）大氣中氧含量每年減少3ppm，這與大氣中CO2增加是相對應(yīng)的，因?yàn)镃O2是燃燒的一種產(chǎn)品。黑線：觀測值紅色：人類變化+自然變化藍(lán)色：自然變化土地覆蓋(landcover)：土壤/植被系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如森林、草地、耕地等。（相對于1961-1990年30年氣候平均）工業(yè)化（1750年）以來，大氣中溫室氣體明顯增加。世界氣候研究計劃(WCRP)：針對整個地球系統(tǒng)的合作項目，重點(diǎn)研究地圈和生物圈的相互作用，目標(biāo)是了解控制地球系統(tǒng)及其演化的相互作用過程，以及人類活動對地球系統(tǒng)的影響。目前物種滅絕速度為自然速度100-1000倍永凍層融解->大量碳釋放->加劇全球變暖經(jīng)過反復(fù)爭論和研究，基本達(dá)成共識，造成全球氣候變暖的主要根源在于礦物燃料、森林過伐、草地過牧和開墾等導(dǎo)致溫室氣體含量劇增。目標(biāo)：加強(qiáng)對人-地系統(tǒng)復(fù)雜相互作用的認(rèn)識，探索并預(yù)測全球環(huán)境下的社會，確定社會策略以減緩全球變化的不利影響。發(fā)展高效灌溉農(nóng)業(yè)、節(jié)水農(nóng)業(yè)、雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)；如何保證地球成為適合人類生存并持續(xù)發(fā)展的生命支持系統(tǒng)成為當(dāng)前亟待解決的根本問題。目標(biāo)：加強(qiáng)對人-地系統(tǒng)復(fù)雜相互作用的認(rèn)識，探索并預(yù)測全球環(huán)境下的社會，確定社會策略以減緩全球變化的不利影響。植被和生態(tài)系統(tǒng)變化機(jī)理的不確定性：植被對于環(huán)境的適應(yīng)性在不斷發(fā)生變化，嚴(yán)重影響預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性；證據(jù)二1.大氣成分變化：CO2CO2對全球溫暖化的貢獻(xiàn)率60%。工業(yè)革命后CO2濃度呈指數(shù)增長，工業(yè)革命前-1，1958-：-1。溫室氣體工業(yè)化前濃度(1750)1999年濃度增加速率(%/a)貢獻(xiàn)率(%)CO22803500.560CH40.81.71.015~30N2O0.2880.310.25CH4N2O1.大氣成分變化：CH4、N2O1.大氣成分變化：臭氧（Ozone）和氟氯化碳（CFCs）化石燃料和水泥生產(chǎn)土地利用變化1.大氣成分變化：CO2的來源1980-1989:55億噸/年；2000-2007:75億噸碳/年1980-1989:16億噸/年；2000-2007:15億噸碳/年碳源/匯1980to19891989to1998(1)化石燃料燃燒和水泥生產(chǎn)5.5±0.56.3±0.6(2)土地利用的凈釋放1.6±0.81.6±0.8(3)大氣CO2濃度的增加3.2±0.23.3±0.2(4)海洋吸收2.0±0.82.3±0.8(5)陸地吸收=[(1)+(2)]–[(3)+(4)]1.9±1.32.3±1.3AverageannualbudgetofCO2for1980to1989andfor1989to1998,expressedinGtCyr–2000：1980-1998年全球碳預(yù)算三個原因：

工業(yè)化后CO2增加歸因于化石燃料燃燒（1）南極和格林蘭冰芯記錄：大氣中CO2開始增加的時間與同期化石燃料消耗的增長率相近。（2）北半球大氣CO2濃度比南半球的高，因?yàn)榇蠖鄶?shù)最強(qiáng)的排放源位于北半球。（3）大氣中氧含量每年減少3ppm，這與大氣中CO2增加是相對應(yīng)的，因?yàn)镃O2是燃燒的一種產(chǎn)品。工業(yè)化（1750年）以來，大氣中溫室氣體明顯增加。年100012001400160018002000280300320340360(ppmv)CO2南極冰芯資料顯示近1000年大氣CO2濃度（2001）土地利用變化引起的碳排放

土地利用變化大約占全球CO2釋放量的15-20%，作用僅次于化石燃料的燃燒。

1850-1998年間,土地利用變化引起的全球碳排放達(dá)136±55Gt,其中毀林占87%,草地開墾占13%；同期化石燃料燃燒和水泥生產(chǎn)的碳排放量為270±30Gt。森林采伐：森林減少而少了地上生物量(吸收大氣CO2)；殘留植物的腐爛和土壤有機(jī)物質(zhì)自然分解而放出大量CO2。Gt(十億噸,109ton)森林破壞：森林轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，土壤碳損失25%-40%，0-20cm耕作層損失最大(40%)。森林轉(zhuǎn)化為草地或者輪種地，土壤碳損失20%-27%。熱帶森林土地利用變化凈碳損失-1(植物，土壤0.16)土地利用變化引起的碳排放草原破壞：草原的碳庫90%以上在土壤中，影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化的土地利用主要是開墾和過度放牧。開墾：開墾后的燒荒使植被中的碳都釋放到大氣中；開墾促進(jìn)土壤呼吸，加快土壤有機(jī)質(zhì)分解；多年生草本被作物替代后，固定的初級生產(chǎn)量(C)分配到土壤中比例降低，一大部分被收割走損失。開墾后，土壤中的碳損失30-50%。過度放牧：初級生產(chǎn)力降低，家畜采食減少了向土壤中輸入的碳。加快土壤呼吸。內(nèi)蒙古錫林河流域羊草草原的研究顯示，過度放牧使表層土壤碳減少12%。土地利用變化引起的碳排放三、國際全球變化研究計劃通過對陸地碳循環(huán)影響大氣組成成分（主要是溫室氣體），進(jìn)而影響氣候變化。二、主要的全球變化及其成因三、國際全球變化研究計劃工業(yè)化（1750年）以來，大氣中溫室氣體明顯增加。溫室氣體能夠吸收地表向外發(fā)射的長波輻射，減小地球向外空釋放能量，并通過大氣的再發(fā)射向地表傳遞熱量，使低層大氣和地面溫度上升，這一過程稱為“溫室效應(yīng)”（Greenhouseeffect）。森林->耕地、牧業(yè)用地：全球耕地一半以上于1900年后開墾出來。干擾的范圍及其強(qiáng)度的不確定性：目前，國際上已經(jīng)展開了多項跨學(xué)科的交流與合作研究項目，并取得了大量研究結(jié)果，為制定科學(xué)、合理的應(yīng)對全球變化提供了科學(xué)依據(jù)。12月19日，哥本哈根氣候變化會議1860年以來，全球表面溫度平均上升0.1980to1989（1）南極和格林蘭冰芯記錄：大氣中CO2開始增加的時間與同期化石燃料消耗的增長率相近。其中的陸面過程模型對于植物的過程和機(jī)理描述不充足。1850-1998年間,土地利用變化引起的全球碳排放達(dá)136±55Gt,其中毀林占87%，草地開墾占13%；熱帶毀林導(dǎo)致的CO2排放急劇上升干擾穩(wěn)定森林采伐后的碳庫動態(tài)：土壤、死有機(jī)物碳釋放全球變暖降水格局改變氣候?yàn)?zāi)害事件增加厄爾尼諾現(xiàn)象2.氣候變化2.氣候變暖1860年以來，全球表面溫度平均上升0.6°C，僅過去40年就增加0.2-0.3°C。2.氣候變暖20世紀(jì)是過去2000年中最溫暖的100年。近兩千年全球地表平均氣溫變化（相對于1961-1990年30年氣候平均）

公元200-1980年

公元1856-1998年（根據(jù)MannandJones,2003改繪）

近代的氣候變暖與大氣中溫室氣體的濃度大幅度上升密切相關(guān)。CO2是最主要的溫室氣體，對氣候的穩(wěn)定起著關(guān)鍵的作用。2.氣候變暖的原因溫室氣體能夠吸收地表向外發(fā)射的長波輻射，減小地球向外空釋放能量，并通過大氣的再發(fā)射向地表傳遞熱量，使低層大氣和地面溫度上升，這一過程稱為“溫室效應(yīng)”（Greenhouseeffect）。平流層對流層自第二次工業(yè)革命以來，大氣CO2濃度顯著增加；尤其是自20世紀(jì)60年代，CO2濃度與溫度以相似的趨勢遞增。

由上可見：(1)CO2與溫度變化總是以相同的趨勢演變，CO2是氣候變化的一個關(guān)鍵驅(qū)動力；(2)人類排放的CO2是近代氣候變化的主要驅(qū)動力；(3)如果CO2及其它溫室氣體的大氣含量增加到400-500ppm以上，地球的平均溫度至少要升高2℃以上。用模型方法分離自然活動和人類活動對氣候的影響：結(jié)果顯示，有人類活動影響的模擬的氣候變化趨勢最接近實(shí)際情況。2.氣候變暖的原因黑線：觀測值紅色：人類變化+自然變化藍(lán)色：自然變化海平面上升永凍土層解凍植物生長季延長動、植物分布范圍向高海拔、高緯度地區(qū)移動動植物物候節(jié)律變化：生育季節(jié)、開花時間珊瑚礁白化。。。。。。2.氣候變暖：

后果20世紀(jì)已觀測到的氣候變化的影響過去100年全球海平面上升10-20cm,平均每年上升1-2mm。預(yù)計到2100年平均上升50cm。海平面升高冰蓋的融化北冰洋冰蓋的縮小冰川退縮繆爾冰川，Alaska阿拉斯加永凍層融化永凍層融解->大量碳釋放->加劇全球變暖生物向高緯度、高海拔遷移(5)陸地吸收=[(1)+(2)]–[(3)+(4)]其中的陸面過程模型對于植物的過程和機(jī)理描述不充足。干擾的范圍及其強(qiáng)度的不確定性：1850-1998年間,土地利用變化引起的全球碳排放達(dá)136±55Gt,其中毀林占87%,草地開墾占13%；草原破壞：草原的碳庫90%以上在土壤中，影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化的土地利用主要是開墾和過度放牧。(3)如果CO2及其它溫室氣體的大氣含量增加到400-500ppm以上，地球的平均溫度至少要升高2℃以上。土地利用變化引起的碳排放近代的氣候變暖與大氣中溫室氣體的濃度大幅度上升密切相關(guān)。植被和生態(tài)系統(tǒng)變化機(jī)理的不確定性：植被對于環(huán)境的適應(yīng)性在不斷發(fā)生變化，嚴(yán)重影響預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性；人工造林：彌補(bǔ)森林資源的不足；土地利用變化引起的碳排放預(yù)計到2100年平均上升50cm。預(yù)計到2100年平均上升50cm。目標(biāo)：加強(qiáng)對人-地系統(tǒng)復(fù)雜相互作用的認(rèn)識，探索并預(yù)測全球環(huán)境下的社會，確定社會策略以減緩全球變化的不利影響。土地利用變化引起的碳排放溫帶森林的砍伐3.土地利用變化土地覆蓋(landcover)：土壤/植被系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如森林、草地、耕地等。土地利用(landuse)：人類利用土地覆蓋類型的方式,例如如何利用森林：生產(chǎn)木材or保持水土森林->耕地、牧業(yè)用地：全球耕地一半以上于1900年后開墾出來。1961-1991全球土地利用變化森林減少耕地增加3.土地利用變化改變下墊面的熱力特征（如地表反射率等），從而影響氣候系統(tǒng)。通過對陸地碳循環(huán)影響大氣組成成分（主要是溫室氣體），進(jìn)而影響氣候變化。1850-1998年間,土地利用變化引起的全球碳排放達(dá)136±55Gt,其中毀林占87%，草地開墾占13%；而同期化石燃料燃燒和水泥生產(chǎn)的碳排放量為270±30Gt。影響生物多樣性。3.土地利用變化：影響地表反射率

水汽流動

碳排放森林農(nóng)田3.土地利用變化：影響氣候系統(tǒng)水汽流動:植被的蒸騰蒸散熱帶森林：天然、很高的植被蒸騰農(nóng)田：需要額外的水分灌溉毀林導(dǎo)致的碳排放4.荒漠化定義：由于不恰當(dāng)?shù)娜藶榛顒樱瑢?dǎo)致的干旱、半干旱和半濕潤地帶的環(huán)境退化現(xiàn)象。包括氣候變異和人類活動在內(nèi)的多種因素的作用下產(chǎn)生和發(fā)展的土壤退化、水資源減少、植被退化，生產(chǎn)潛力減少我國的荒漠化形勢嚴(yán)峻達(dá)國土面積8%以2100km2/yr的速度蔓延潛在荒漠化面積占國土面積%風(fēng)蝕、土地沙化草場退化目前物種滅絕速度為自然速度100-1000倍未來滅絕速度將以目前10倍的速度增加中國：擁有全球物種的10-14%，多樣性極為豐富，然而，目前：61%的野生生境喪失40%的生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化15-20%的物種瀕危5.生物多樣性喪失5.生物多樣性喪失多樣性->生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性

->高生產(chǎn)力

->重要的經(jīng)濟(jì)資源多樣性喪失，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。三、國際全球變化研究計劃全球變化是一個多學(xué)科的研究領(lǐng)域，需要全世界的科學(xué)家聯(lián)合起來開展研究。目前，國際上已經(jīng)展開了多項跨學(xué)科的交流與合作研究項目，并取得了大量研究結(jié)果，為制定科學(xué)、合理的應(yīng)對全球變化提供了科學(xué)依據(jù)。WCRP（世界氣候研究計劃）：1980s

(1985)IGBP（國際地圈與生物圈計劃）:1986DIVERSITAS（全球生物多樣性計劃）：1991IHDP（全球環(huán)境變化的人文因素計劃）：1996三、國際全球變化研究計劃世界氣候研究計劃(WCRP)：由世界氣象組織(WMO)和國際科學(xué)聯(lián)合會聯(lián)合主持，20世紀(jì)80年代開始執(zhí)行。主要研究氣候系統(tǒng)物理方面的問題，包括對大氣、海洋和地球表面的研究。目標(biāo)：全球氣候的可預(yù)報程度；人類活動對氣候的影響。國際地圈生物圈計劃(IGBP)：由國際科學(xué)聯(lián)合會1986年正式確立。針對整個地球系統(tǒng)的合作項目，重點(diǎn)研究地圈和生物圈的相互作用，目標(biāo)是了解控制地球系統(tǒng)及其演化的相互作用過程，以及人類活動對地球系統(tǒng)的影響。2當(dāng)代主要的全球變化永凍層融解->大量碳釋放->加劇全球變暖森林病蟲害防治：水熱組合的變化可能進(jìn)一步減弱處于氣候帶邊緣的樹種的生長力和競爭力；由國際遠(yuǎn)景機(jī)構(gòu)聯(lián)合會、聯(lián)合國教科文組織、國際社會科學(xué)聯(lián)合會聯(lián)合制定的計劃。人類活動的范圍和強(qiáng)度的不確定性：人類活動的影響大多是通過人類的經(jīng)濟(jì)活動而出現(xiàn)的，經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的不確定因素，使預(yù)測難以達(dá)到理想的程度；土地利用變化引起的碳排放大氣成分變化：CO2沒有明確各國的溫室氣體減排目標(biāo)。預(yù)計到2100年平均上升50cm。草原破壞：草原的碳庫90%以上在土壤中，影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化的土地利用主要是開墾和過度放牧。減少化肥用量、增加有機(jī)肥；12月19日，哥本哈根氣候變化會議(5)陸地吸收=[(1)+(2)]–[(3)+(4)]國際地圈生物圈計劃(IGBP)：開墾：開墾后的燒荒使植被中的碳都釋放到大氣中；全球生物多樣性計劃(BIODIVERSITAS)由國際生物學(xué)聯(lián)合會，環(huán)境問題科學(xué)委員會、聯(lián)合國教科文組織聯(lián)合發(fā)起。主要任務(wù)：通過國際間合作，加強(qiáng)對生物多樣性的起源、組成、功能、維持和保護(hù)及可持續(xù)利用的研究。全球變化的人文因素計劃(IHDP)：由國際遠(yuǎn)景機(jī)構(gòu)聯(lián)合會、聯(lián)合國教科文組織、國際社會科學(xué)聯(lián)合會聯(lián)合制定的計劃。該計劃主要側(cè)重社會科學(xué)領(lǐng)域的綜合研究，分析人類在導(dǎo)致全球變化中所起的作用。目標(biāo)：加強(qiáng)對人-地系統(tǒng)復(fù)雜相互作用的認(rèn)識，探索并預(yù)測全球環(huán)境下的社會，確定社會策略以減緩全球變化的不利影響。四、全球變化的適應(yīng)對策全球變化研究的不確定性碳林業(yè)和牧業(yè)對策農(nóng)業(yè)對策1.全球變化研究的不確定氣候變化存在時空差異性；不同生態(tài)系統(tǒng)類型對氣候變化的響應(yīng)和敏感性不同；未來的氣候變化預(yù)測存在不確定性，制定適應(yīng)對策應(yīng)該考慮不同的氣候變化情景。氣候預(yù)測的不確定性：在大氣環(huán)流模型(GCM)中，大氣與海洋、大氣與生物圈還沒有完全耦合；對于生態(tài)系統(tǒng)的描述還不完善；其中的陸面過程模型對于植物的過程和機(jī)理描述不充足。1.全球變化研究的不確定全球尺度的氣候系統(tǒng)模式的空間分辨率盡管已經(jīng)增加，在模擬全球、洲際大陸空間尺度上可信度較高，但在較小的國家或省區(qū)尺度上分辨率不夠；并且，其科學(xué)內(nèi)涵在區(qū)域尺度上也經(jīng)常是粗糙的，因而對區(qū)域模擬的不確定性很大，不同的模式經(jīng)常給出完全相反的結(jié)論。植被對氣候反饋的不確定性：現(xiàn)有的陸面模型是以研究區(qū)域給定的植被類型和土壤特征為基礎(chǔ)，忽略了對氣候系統(tǒng)有重要影響的植被類型的潛在變化，即沒有考慮植被類型的改變對氣候變化的反饋?zhàn)饔?。植被和生態(tài)系統(tǒng)變化機(jī)理的不確定性：植被對于環(huán)境的適應(yīng)性在不斷發(fā)生變化，嚴(yán)重影響預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性；人類活動的范圍和強(qiáng)度的不確定性：人類活動的影響大多是通過人類的經(jīng)濟(jì)活動而出現(xiàn)的，經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的不確定因素，使預(yù)測難以達(dá)到理想的程度；干擾的范圍及其強(qiáng)度的不確定性：是否存在中世紀(jì)暖期(WMP)和小冰期(LIA)氣候研究中，關(guān)于過去兩千年來是否存在比20世紀(jì)更暖的中世紀(jì)暖期存在很大爭議：該爭議關(guān)系到如何評估20世紀(jì)氣候變暖中自然波動與人類活動的貢獻(xiàn)問題。如存在WMP,意味著20世紀(jì)暖期可能是百年甚至千年尺度的暖期的重現(xiàn),與小冰期(LIA)結(jié)束后氣候轉(zhuǎn)暖有關(guān)。而不一定是主要由于人類活動導(dǎo)致。案例1.氣候變暖的不確定性不存在WMP、LIA：學(xué)者M(jìn)annM和英國學(xué)者JonesP,他們認(rèn)為過去千年來上個世紀(jì)最暖。MWP和LIA存在：加拿大學(xué)者M(jìn)cIntyreS、McKitrickR以及學(xué)者SoonW。認(rèn)為MannM的資料在1550年之前數(shù)據(jù)可信度不高,存在6個錯誤(資料核對的誤差、不合理的截斷及外推記錄、應(yīng)用過時的資料、地理位置錯誤、不正確地計算樹木年輪的主分量以及資料缺少質(zhì)量控制),重新訂正后發(fā)現(xiàn)1550年之前的溫度比MannM預(yù)測的高。意味著時期存在暖期?？茖W(xué)研究咨詢委員會(NRCNA)對利用代用資料重建的全球或北半球溫度變化的結(jié)果進(jìn)行了評估,認(rèn)為截至2006年,學(xué)術(shù)界重建的全球或半球溫度序列在900~1600年時段的可信度較低。年,MannM在Science上發(fā)表文章,認(rèn)可了MWP和LIA的存在,并承認(rèn)某些區(qū)域MWP的溫暖程度可能超過了20世紀(jì)末。2.全球碳對策經(jīng)過反復(fù)爭論和研