一维全球碳循环模式研究

开发了一个陆地生物圈、海洋水圈和大气圈三圈耦合的全球碳循环模式,包括土地利用变化和化石燃料两大人为源的影响,并考虑稳定同位素分馏效应.调试结果表明,该模式能够再现工业革命以来大气CO₂的变化历史,能正确反映海洋内部的碳循环过程和全球碳循环中的同位素分馏效应,结果较为理想.进一步分析发现,传统模式可能低估了海洋的碳吸收能力,高估了CO₂施肥作用对碳循环的影响.      

短期海洋酸化对黄海近岸浮游植物群落结构的影响

为探讨短期海洋酸化对黄海近岸水域浮游植物群落结构的影响,本文在荣成湾海域采用大体积培养实验的方法进行了研究。控制组通入过滤自然空气,CO₂组通入含1000 ppm(Parts per million,百万分之一) CO₂的过滤混合空气。结果表明,CO₂浓度升高引起的海洋酸化显著促进了黄海近岸海域Chl a浓度和浮游植物总丰度的上升,同时浮游植物种类数在高CO₂浓度条件下出现明显下降。不同种类的浮游植物对CO₂浓度升高的响应有所不同,培养过程中CO₂组菱形藻(Nitzschia spp.)和斯氏几内亚藻(Guinardia striata)丰度比控制组出现明显上升,海链藻(Thalassiosira spp.)和中肋骨条藻(Skeletonema costatum)丰度在CO₂组和控制组并未呈现出明显差异。CO₂浓度升高条件下较大粒径浮游植物相比较小粒径浮游植物生长更快。海洋酸化显著改变了黄海近岸水域的浮游植物群落结构,这可能对海洋生态系统产生影响。     

土壤CO2浓度变化特征及其对岩溶碳循环的影响

为探究土壤CO₂浓度变化特征及其对岩溶碳循环的影响,于2018年6—12月对重庆市南川区后沟泉水化学及泉域上覆土壤CO₂(监测点土地利用类型为玉米-油菜轮作地)进行为期7个月的连续监测和采样,并结合1—5月的监测数据,定量分析旱雨季土壤CO₂浓度与岩溶碳汇量的季节性演变特征及二者的相互关联性. 结果表明:①土壤CO₂浓度具有显著的季节性变化特征,主要表现为雨季较高、旱季较低,其最高值和最低值分别出现在9月(13 316 μmol/mol)和1月(2 262.63 μmol/mol). ②温度与土壤CO₂浓度之间存在较强的正相关关系(R2=0.82,0.0012浓度之间不具相关性(R2=0.17,P>0.5),说明土壤CO₂浓度主要受温度的影响. ③泉水Ca2++Mg2+、HCO₃?浓度在雨季明显高于旱季,而水体CO₂净消耗量在旱雨季无较大差异,这可能是由于受土壤CO₂效应、降水稀释效应和H₂SO₄/HNO₃释放CO₂的共同影响. 研究显示,土壤CO₂浓度的变化特征表现为季节性差异,但在土壤CO₂浓度及外部环境的多重影响下,岩溶碳循环的季节性变化并不明显.      

中国大陆CO2浓度时空分布特征及驱动因素

以中国大陆地区为研究区域,基于全球变化大数据云共享平台的CO₂浓度时空连续数据集、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、MODIS以及中国年鉴筛选的驱动因子数据集(人口总数、GDP、能源消费数据),借助相关性分析方法及地理加权回归分析方法对2015～2019年CO₂浓度分布时空特征与驱动因子之间的关系进行分析.结果表明:CO₂浓度按年周期持续上升,其增长率呈明显的空间聚集性,同时重新标度极差法分析结果表明CO₂浓度仍呈增长趋势;驱动因子敏感性分析显示人类活动是导致CO₂浓度增长的主要因素;自然和人类活动对区域CO₂浓度的影响呈现出明显的空间异质性,区域位置不同,自然和人类活动等驱动因子对区域的影响作用有差异.     

全球二氧化碳的分布和循环——全球“温室效应"探讨之一

本文根据大量的研究资料和成果,系统阐述了自然界碳和二氧化碳的起源、变迁、分布和循环过程,揭示了自然界二氧化碳分布和循环的基本规律,弄清了CO₂和它的各个自然貯库之间的关系,并对大气圈中CO₂的源、汇和通量进行了探讨。文章还论述了人类活动对大气中CO₂的冲击和扰动,指出人类活动所排放的CO₂是大气中 CO₂浓度增加的主要原因,而人为破坏地球的植物生存系统也是促使大气中 CO₂浓度增加的原因之一;大气中 CO₂的增加将严重影响全球的气候和环境,给人类带来难以预料的灾难。      

海洋中二氧化碳的循环及其与大气中二氧化碳的关系

本文在调研了大批文献资料的基础上,比较系统全面地介绍了海洋中碳的来源、分布和循环机理,揭示了海洋贮库中碳的行为和迁移转化过程,并着重讨论了海洋表层水中CO₂分压的变化,海洋与大气之间CO₂的交换以及海洋对大气中CO₂的吸收作用,以便使读者对海洋中碳分布、循环和海洋在温室效应中的作用有一个较为清楚的认识。      

基于日本苫小牧港CCS示范项目的海洋碳封存环境风险监测方法浅析

碳捕集与封存利用技术是应对全球变暖、实现温室气体CO₂大规模削减的重要技术途径。海洋碳封存技术是近年来的研究重点之一,该技术利用海下稳定岩石储层对CO₂进行储存,相比于陆地碳封存技术具有更高的安全性。以日本苫小牧港CCS示范项目为基础,系统梳理了该项目在海洋生态环境监测、CO₂泄漏事故预防监测和地震监测等方面的研究方法,分析并总结了CO₂泄漏事故判断指标pCO₂/DO值(海水中CO₂与DO分压之比)的适用性以及地震对CO₂海下注入工程的影响,并基于中国国情提出在海洋碳封存项目中增加CO₂泄漏事故预防监测系统和地震监测系统等建议,为地震多发海域今后的碳封存项目提供借鉴。     

长江三角洲地区CO2浓度本底特征及来源分析

二氧化碳(CO₂)是引起全球变暖的最主要的温室气体(GHGs),直接观测大气CO₂浓度对于研究人类活动和自然活动对大气温室气体的贡献至关重要,而在多个高度上观测大气CO₂浓度则有助于明晰CO₂浓度的时空变化规律,确定其影响机制.本文利用临安区域大气本底站2018-12—2020-11不同高度(距地面21 m、53 m)处的CO₂在线观测数据,结合日变化及地面风的影响,对观测数据进行筛分,采用HYSPLIT后向轨迹模型和潜在源贡献因子法,初步探讨气象因素以及大气远距离传输对长江三角洲地区大气CO₂浓度的影响.结果表明,临安站高低层大气CO₂日变化呈夜间高于白天的特点;低层CO₂浓度大于高层,冬季高低层浓度差小于其他三季;日较差呈夏季>春季>秋季>冬季的特点;大气CO₂本底季节变化由于受到风向和气团传输的影响呈现出冬季>春季>秋季>夏季的特点;潜在源贡献分析得...     

喀斯特山区筑坝河流水-气界面CO2通量变化特征及影响因素分析

水库是内陆水域生态系统的重要组成部分,在调节区域和全球碳循环中发挥着重要作用,为了解喀斯特山区筑坝河流水-气界面CO₂扩散通量的变化特征及影响因素,本研究以贵州省黔中水利枢纽工程区平寨水库为对象,于2020年1月、5月、7月和11月对其水体理化指标进行系统监测,运用TBL模型法计算水-气界面CO₂扩散通量。结果表明,平寨水库水化学类型为HCO₃+SO₄-Ca型,水化学特征主要受碳酸盐岩风化控制;表层水体pCO₂与CO₂扩散通量变化范围分别在124.64～558.76μatm和-18.85～15.90 mg/(m²·d)之间,1月表现为大气CO₂的源,5月、7月、11月均表现为大气CO₂的汇;垂向上水体pCO₂变化范围为124.64～5 409μatm,表现为表层低、底层高的差异特征。分析认为,影响平寨水库水-气界面CO₂扩散通量的因素主要是：碳酸盐...     

苏南地区CO2本底浓度及源汇特征

基于2015~2018年苏州张家港站CO₂在线观测数据，采用时序检查、选取稳定性数据、异常值剔除等质量控制方法获得可靠数据，并通过平均移动过滤（MAF）本底筛分法获得本底数据，讨论苏南地区CO₂变化特征.结果发现：CO₂本底浓度日变化为单峰结构，谷值和峰值分别出现在下午15：00和凌晨5：00前后；季节变化为双峰结构，峰值分别出现在12月和4月；日、季节变化的分布特征均与陆地生态系统、气象条件和人类活动有关.此外，2015~2018年CO₂浓度呈逐年上升趋势，抬升浓度占比逐年增加，吸收浓度占比波动较小，表明人类活动对CO₂浓度的影响正在逐年增加；而陆地生态系统对CO₂吸收汇的作用则相对稳定.源汇分析显示，CO₂抬升浓度随季节小幅波动；吸收浓度则夏半年较低，冬半年较高；抬升浓度日变化为单峰结构，谷值和峰值分别出现在15：00和8：00前后，早晨正值上班高峰，机动车排放可能为早晨峰值的主要因素；吸收浓度日间低、夜间高，这主要与植物光合作用及对流输送有关.分析CO₂浓度与风的关系发现，所有季节静风情况下，CO₂浓度偏高均最为明显，大部分方向CO₂浓度高低与风速大小有明显的负相关，其中S~WNW方向偏高最为明显，这可能是因为SW~NW方向主要为内陆城市群，且测站周边建筑区主要位于W~N方向，弱风有利于本地排放累积的结果.此外，WNW方向风速较大时浓度仍偏高明显，可能与测站W~N方向为建筑区及内陆城市群有关；而测站偏东方向主要为农田和林区，受人类活动影响较小，且海上气流较为洁净，故偏东风较弱时浓度也不高；说明了CO₂浓度除了与风速大小有关外，与周边下垫面类型及较远距离环境特征（城市群或海洋）也有一定的关系.     

多参数指示南极普里兹湾浮游植物的时空变化

以南极普里兹湾沉积物为研究对象,运用气相色谱技术,研究了生物标志物菜子甾醇、甲藻甾醇、长链烯酮对应指示的硅藻、甲藻、颗石藻等浮游植物的生产量和种群结构的历史变化,结合2001—2011年实测和遥感水体ρ(Chla)(Chla为叶绿素a)及SST(海水表层温度)数据,探讨了该湾浮游植物生产量时空变化特征及其影响因素. 结果表明:过去100多年间南极普里兹湾浮游植物总生产量(212.04~759.10 ng/g)〔以w(菜子甾醇)+w(甲藻甾醇)+w(长链烯酮)计〕和w(硅藻)所占比例(62.28%~87.13%)〔以w(菜子甾醇)所占比例计〕均呈上升趋势,而w(甲藻)所占比例(10.09%~27.98%)〔以w(甲藻甾醇)所占比例计〕和w(颗石藻)所占比例(1.97%~9.74%)〔以w(长链烯酮)所占比例计〕则呈下降趋势. 全球变暖背景下浮游植物种群变动通过改变南大洋对CO₂的吸收进而影响全球碳循环. 水体ρ(Chla)与沉积生物标志物指示的浮游植物总生产量均具有湾内高、湾外低的空间分布特征. 湾内ρ(Chla)与SST的年际变化趋势相似,二者以2002—2003年和2009—2010年相对较高,SST分别为-0.30和0.01 ℃,ρ(Chla)分别为1.69和2.31 mg/m3;以2001—2002年和2010—2011年相对较低,SST分别为-1.19和-0.95 ℃,ρ(Chla)分别为1.08和0.79 mg/m3,表明该湾SST变化可较明显地影响浮游植物的生长.      

地铁建设环境影响评估及减排效益研究:以深圳市为例

地铁大规模建设和运营消耗了大量资源能源,已逐渐成为城市交通环境影响的主要贡献源。基于生命周期评价(life cycle assessment,LCA)方法,以深圳市为研究区域,定量分析了地铁建设过程的资源与能源消耗强度,选取全球变暖潜能值(global warming potential,GWP)为度量指标,构建了地铁建设碳排放分析框架及测算方法,并基于情景分析法预估了减排潜力。结果表明:截至2020年底,深圳已开通运营的地铁线站建设造成的碳排放量约累积达到2730万t CO₂e,其中地铁车站建设碳排放量占比约为72%,地铁隧道建设碳排放量占比约为28%。建设阶段单位里程盾构隧道碳排放强度约为1.3万t CO₂e/km,单位面积车站碳排放强度约为371 t CO₂e/100 m2。通过推广绿色建造技术,如采用再生混凝土和再生钢材,地铁建设阶段最高碳减排率可达到8.5%/a,2021—2035年累积节碳可达到508万tCO₂e,可一定程度上能缓解地铁建设的碳排放压力。     

三峡库区万州段典型干支流水华期CO2通量变化

三峡库区的CO₂排放近年来引起了学界的广泛关注,但水华期间的生物化学作用对CO₂产生和汇集的影响研究并不多见。以三峡库区万州段干流、典型支流(澎溪河)为研究对象,分析水华期间生化过程对水体中CO₂产汇的影响。研究表明：干流、支流CO₂浓度和通量与环境因子、生源物质的相关性存在显著空间差异性;支流水体CO₂浓度与水温、pH、DO呈显著负相关,与DOC、DTP呈显著正相关;水气界面CO₂通量与水温存在显著负相关,与DTP、CO₂浓度显著正相关。干流水体CO₂浓度与pH显著负相关,与DIC、DOC、NH⁺₄-N显著正相关;水气界面CO₂通量与NH⁺₄-N、CO₂浓度显著正相关;高阳、黄石、万州3个点位水气界面CO₂通量与各自表层水体CO₂浓度变化...     

光照水库溶解无机碳变化及其来源解析

河流拦截筑坝形成蓄水河流,逐渐向“湖泊型”生态系统演化,加强了生物地球化学循环并进一步影响水体碳循环.为了更准确地进行全球碳循环的预算并预测碳循环变化,必须确定对河流系统产生影响的碳来源.因此,通过测定库区水体c（DIC）（DIC为溶解性无机碳）及其δ13C（稳定碳同位素）,分析了DIC的主要来源及其影响因素.结果表明:①水体c（DIC）为1.80~5.02 mmol/L,而δ13C_DIC（溶解性无机碳的稳定碳同位素）为-7.45‰~-1.26‰.c（DIC）与EC（电导率）、TA（总碱度）均呈正相关,与水温呈负相关.表水层δ13C_DIC与c（DIC）、TA均呈正相关,与EC在入库河流处呈负相关;而滞水层δ13C_DIC与EC、pCO₂（二氧化碳分压）、TA、c（DIC）均呈正相关.②水平方向上,表水层各指标变化明显,TA、EC、SIc（方解石饱和指数）和c（DIC）整体上呈降低趋势,δ13C_DIC从上游至下游逐渐偏正,受碳酸盐矿物溶解影响显著;垂直方向上,热分层和化学分层现象对水的碳循环产生了显著影响.有机质分解在深水层释放大量CO₂致使c（DIC）、pCO₂逐渐升高及δ13C_DIC逐渐降低,c（DIC）及其δ13C在整个水柱上存在显著的空间异质性.研究显示,光照水库DIC的来源主要有两种,即生物源的土壤CO₂和有机物呼吸产生的溶解CO₂形式的DIC源、碳酸盐矿物风化所产生的碳酸氢盐形式的DIC源.      

黄土丘陵区侵蚀坡面CO2通量空间分异格局驱动机制

以黄土丘陵区不同有机碳水平的完整侵蚀坡面为对象,解析了CO₂通量的空间分异格局驱动因子及过程机制,并构建了CO₂通量的分段测算模型.结果表明：（1）侵蚀导致坡面土壤CO₂通量的空间分异格局,具体表现为沉积区（S）>对照区（CK）>侵蚀区（E）;有机碳水平的提高可以整体促进各部位CO₂通量的增加.（2）侵蚀可导致土壤水分、容重和团聚体稳定性降低,引起土壤养分流失,降低细菌、真菌多样性;沉积则引起相反的现象.侵蚀/沉积过程对土壤温度的影响并不显著.有机碳水平的增加可以有效改善土壤颗粒、土壤水分,增加容重,抑制土壤养分的流失、增加细菌,降低真菌多样性.（3）结构方程模型解析了侵蚀部位、土壤温度、土壤水分、有机碳（SOC）、水溶性碳（DOC）、微生物碳（SMBC）、真菌多样性、细菌多样性对于CO₂通量的多因素耦合驱动机制（R²=77%）,明确了土壤温度、土壤水分、微生物碳为CO₂通量的直接影响因子.在水热双因子模型的基础上,嵌入能够间接表征微生物活性和有效碳底物的C因子,分段（按照坡面侵蚀部位）建立T&M&C模型,可以较为准确地测算侵蚀坡面不同部位CO₂通量（R²>67%）.     

基于碳酸盐分析的水泥碳排放因子测算

为了优化水泥碳排放因子的测算方法,论文基于生料碳酸盐法以及工艺/燃料排放(新型干法窑)、无机碳/有机碳排放(立窑)的碳排放分类对熟料和水泥碳排放因子进行了分析和测算。结果表明:基于抽样调查样品的测试数据,新型干法窑的工艺碳排放因子约为520.00 kg CO_2/tcl,燃料碳排放因子约为288.06 kg CO_2/tcl,熟料碳排放因子约为808.06 kg CO_2/tcl,立窑的无机碳排放因子约为504.18 kg CO_2/tcl,有机碳排放因子约为343.67 kg CO_2/tcl,熟料碳排放因子约为847.85 kg CO_2/tcl;由于新型干法窑和余热发电等技术的普及以及熟料水泥比降低等因素,中国水泥碳排放因子有逐年降低的趋势,从2001年到2012年,水泥碳排放因子从767.13 kg CO_2/tce降到550.80 kg CO_2/tce;水泥碳排放构成中的工艺排放、燃料排放和电力消耗间接排放约各占58.57%、29.79%和11.64%。     

水泥生产排放二氧化碳的人口经济压力分析

自1985年以来,中国水泥的生产量稳居世界第1位,在为我国基础设施建设提供保障的同时也排放出大量的二氧化碳.采用能揭示人为活动影响二氧化碳排放的定量分析模型——STIRPAT来探讨人口和经济增长对水泥行业排放二氧化碳的影响.结果表明:在能源消耗和工艺过程两大排放途径下,中国水泥行业32年(1971—2002年)内向大气排放了1.61×109t(碳当量)的二氧化碳;我国人口与经济(人均GDP)发展对二氧化碳排放的驱动作用分别为3.7, 2.5～2.7,远高于全球平均水平;人口压力比经济的压力大1.1～1.2,证实了人口增长是环境降级的关键因子,表明控制人口增长是减少二氧化碳排放的关键措施;回归模型分析表明,环境库兹涅茨倒U型曲线也适用于水泥生产排放二氧化碳,当人均GDP达到3 522美元时二氧化碳排放量才能逐步减少.