Optimal abatement of carbon emission flows

We study optimal carbon capture and storage (CCS) from point sources, taking into account damages incurred from the accumulation of carbon in the atmosphere and exhaustibility of fossil fuel reserves. High carbon concentrations call for full CCS, meaning zero net emissions. We identify conditions under which partial or no CCS is optimal. In the absence of CCS the CO2 stock might be inverted U-shaped. With CCS more complicated behavior may arise. It can be optimal to have full capture initially, yielding a decreasing stock, then partial capture while keeping the CO2 stock constant, and a final phase without capture but with an inverted U-shaped CO2 stock. We also introduce the option of adaptation and provide a unified theory regarding the optimal use of CCS and adaptation.     

陆地碳平衡对大气CO_2升高的响应及其机制

研究陆地碳平衡对大气CO2浓度升高的响应,能为揭示碳失汇之迷提供有力证据,为制定缓解全球变化的合理政策措施提供理论依据.综述了陆地碳平衡对全球大气CO2升高的响应及其町能的机制,由于陆地生态系统的复杂性,以及不同的研究在具体的对象、时间、地点、方法和角度的差异,目前有关陆地碳平衡对全球大气CO2升高的响应还存在很大的分歧.陆地碳库主要可分为植被碳库和土壤碳库,大气CO2浓度升高主要是通过影响光合作用、土壤养分、水分供应、光照条件、群落组成、光合产物分配等方式影响植被碳库;而土壤碳库的响应机理主要包括光合产物向土壤的输入量、脱落物质量、养分循环、光合产物分配、根系周转期、微生物活性等的响应.关于陆地碳平衡对全球大气CO2升高的响应今后应该主要集中在:(1)不同生态系统影响全球植被碳库变化的主导因子;(2)大气CO2浓度升高与其他环境因子的互作效应;(3)大气CO2浓度升高对植物光合作用的促进效应与光合作用适应性间的关系;(4)地上碳库与地下碳库间的相关性,及其对大气CO2浓度升高的分别响应;(5)克服目前实验方法存在的局限性.     

2003—2010年中国对流层CO2时空分布研究

利用2003年到2010年的美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）的AIRS（Atmosphere InfraRed Sounder）官方反演的对流层中层（500 hPa）左右一段气柱内的CO2体积混合比产品分析中国地区对流层的CO2体积分数分布时空变化特征。所用数据是对AIRS L3产品2°×2.5°网格数据进行处理分析得到。经过对这8年的观测数据（2003年1月—2010年12月）的数据分析研究发现：中国地区平均CO2的体积分数在空间分布上极不平衡,总体高值集中于北部。CO2对流层中层的高值区集中在35°—45°N,形成东北平原、内蒙古中西部地区、塔克拉玛干沙漠和塔里木盆地4个高值中心,而云南地区和西藏南部上空的CO2值偏低。与中国地区8年平均CO2体积分数变化特征大体一致,每月（8年平均值）分布趋势也呈北部地区和东部地区高而南方体积分数值相对低的特征。CO2月平均体积分数的最高值一般出现在每年的4月或者5月,而每年的最低值则出现在每年的1月。对流层中层CO2体积分数呈现明显季节变化,总体上来说,从2003年到2010年这8年中,平均春、夏两季对流层中CO2含量较高,而秋、冬季CO2低于春夏两季。     

Elevated CO2 stimulates net accumulations of carbon and nitrogen in land ecosystems: a meta-analysis

The capability of terrestrial ecosystems to sequester carbon (C) plays a critical role in regulating future climatic change yet depends on nitrogen (N) availability. To predict long-term ecosystem C storage, it is essential to examine whether soil N becomes progressively limiting as C and N are sequestered in long-lived plant biomass and soil organic matter. A critical parameter to indicate the long-term progressive N limitation (PNL) is net change in ecosystem N content in association with C accumulation in plant and soil pools under elevated CO2. We compiled data from 104 published papers that study C and N dynamics at ambient and elevated CO2. The compiled database contains C contents, N contents, and C:N ratio in various plant and soil pools, and root:shoot ratio. Averaged C and N pool sizes in plant and soil all significantly increase at elevated CO2 in comparison to those at ambient CO2, ranging from a 5% increase in shoot N content to a 32% increase in root C content. The C and N contents in litter pools are consistently higher in elevated than ambient CO2 among all the surveyed studies whereas C and N contents in the other pools increase in some studies and decrease in other studies. The high variability in CO2-induced changes in C and N pool sizes results from diverse responses of various C and N processes to elevated CO2. Averaged C:N ratios are higher by 3% in litter and soil pools and 11% in root and shoot pools at elevated relative to ambient CO2. Elevated CO2 slightly increases root:shoot ratio. The net N accumulation in plant and soil pools at least helps prevent complete down-regulation of, and likely supports, long-term CO2 stimulation of C sequestration. The concomitant C and N accumulations in response to rising atmospheric CO2 may reflect intrinsic nature of ecosystem development as revealed before by studies of succession over hundreds to millions of years.     

2003—2010年中国对流层CO2时空分布研究

利用2003年到2010年的美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的AIRS(Atmosphere InfraRed Sounder)官方反演的对流层中层(500 hPa)左右一段气柱内的CO2体积混合比产品分析中国地区对流层的CO2体积分数分布时空变化特征。所用数据是对AIRS L3产品2°×2.5°网格数据进行处理分析得到。经过对这8年的观测数据(2003年1月—2010年12月)的数据分析研究发现:中国地区平均CO2的体积分数在空间分布上极不平衡,总体高值集中于北部。CO2对流层中层的高值区集中在35°—45°N,形成东北平原、内蒙古中西部地区、塔克拉玛干沙漠和塔里木盆地4个高值中心,而云南地区和西藏南部上空的CO2值偏低。与中国地区8年平均CO2体积分数变化特征大体一致,每月(8年平均值)分布趋势也呈北部地区和东部地区高而南方体积分数值相对低的特征。CO2月平均体积分数的最高值一般出现在每年的4月或者5月,而每年的最低值则出现在每年的1月。对流层中层CO2体积分数呈现明显季节变化,总体上来说,从2003年到2010年这8年中,平均春、夏两季对流层中CO2含量较高,而秋、冬季CO2低于春夏两季。     

Improved product selectivity of electrochemical reduction of carbon dioxide by tuning local carbon dioxide concentration with multiphysics models

Environmental Chemistry Letters - Electrochemical reduction of carbon dioxide (CO2) is promising to alleviate carbon emissions and produce fuels and materials in a circular way, yet effective...     

Drivers of carbon dioxide emissions: an empirical investigation using hierarchical and non-hierarchical clustering methods

The mitigation of CO2 emissions requires a global effort with common but differentiated responsibilities. In this paper, we identify clusters of CO2 emissions across 72 countries. First, using the stochastic version of the IPAT and employing the dynamic common correlated effects technique, we identify three key determinants affecting CO2 emissions (non-renewables, population, and real GDP). In the second step, both hierarchical and non-hierarchical clustering methods are considered to identify the optimal number of clusters. We identify two to four clusters with different member countries, and in particular establish that in most cases, a 2-cluster solution appears to be optimal. The contents of clusters vary slightly according to the clustering methods for each period. The clustering results from using only the overall CO2 emissions indicate that the countries we consider form three clusters, with China and the USA each within a single member cluster. The remaining 70 countries form the third cluster. Our findings reflect the prominent roles of China and the USA in overall CO2 emissions. Analyses with sub-period and largest emitters reflect a different clustering structure. Some policy recommendations in setting emission reductions are made, considering different clusters across countries.     

淮河流域农田碳收支特征及影响因素分析

采用开路涡度相关系统对淮河流域农田湍流特征进行了4年连续监测,以该地区主要农作物小麦和水稻为例,对CO2通量数据进行分析处理。研究结果表明：农田CO2通量的日变化随季节变化明显,春、夏变化幅度明显大于秋、冬。2007—2010年淮河流域夏季农田CO2通量日变化规律均呈单峰型,白天为明显的碳汇;其日最大累计吸收量出现在2007年,可达16.1mg.m-2.s-1,最小值出现在2009年,为11.1 mg.m-2.s-1。在水稻拔节期垂直风速（W）、潜热通量（LE）、显热通量（H）、光合有效辐射（PAR）、净辐射（Rn）与CO2通量均呈负相关,通过对各项指标进行主成分分析,得到了新的综合指标F=-0.36ZX1＋0.42ZX2＋0.42ZX3＋0.42ZX4＋0.39ZX5＋0.42ZX6＋0.13ZX7,并经过计算得出中午1点是最大的碳汇,凌晨12点是最大的碳源。     

1999—2009年我国不同收入水平下的碳排放差异分析

碳排放差异研究对于科学合理地制定我国节能减排政策具有重要的指导意义。在利用IPCC参考方法对中国1999—2009年期间各省（市）CO2排放量计算的基础上,引入Theil指数,定量分析了中国不同收入水平下的CO2省际差异及其与人均收入水平之间的关系。结果表明,1999—2003年中国人均CO2排放量随着人均收入水平的提高而增加,2003—2009年中国各收入水平省份的人均排放量近似于不规则的＂M＂型增长趋势,中等偏低收入省份的人均排放量迅速增加,并超过中等收入省份;不同收入水平省份之间和各省份内部的人均CO2排放水平均存在较大的差距,但省份之间的排放不平等水平明显大于省份内部的不平等水平。因此,中国在制定节能减排政策时,要充分考虑经济发展和人均收入水平的条件下,兼顾区域和省域碳排放的特征,制定合理有效的减排目标和计划。     

外源镧对土壤微生物碳源利用的影响

用14 C标记葡萄糖法研究了外源镧对土壤微生物碳源利用的影响。结果表明 :外源镧在低浓度下可增强土壤微生物利用碳源进行呼吸作用 ,而高浓度下则产生显著抑制作用 ,最大抑制率为 3 3 %。土壤微生物呼吸产生的14 CO2 主要是培养初期释放的 ,培养 14d后14 CO2 释放已非常少。外源镧可增强土壤微生物利用碳源合成自身的生物量 ,最大增幅为 2 5 %。     

Electrochemical reduction of carbon dioxide into valuable chemicals: a review

Environmental Chemistry Letters - Global warming is partly caused by massive emissions of carbon dioxide (CO2), a greenhouse gas, in the atmosphere by industrial and other human activities....     

The influence of hyperbaric oxygen therapy on intestinal mucosal barrier function in rats with acute carbon monoxide poisoning

Hyperbaric oxygen increases the partial pressure of O₂ in arterial blood and tissues and thereby relieves cellular hypoxia. We investigated whether this treatment changes biochemical parameters and intestinal mucosal barrier function in rats exposed to toxic levels of CO. Groups of ten Sprague–Dawley rats were treated with CO, with hyperbaric oxygen, or with CO followed by hyperbaric oxygen. A fourth group maintained under normal atmospheric conditions served as a control. CO poisoning increased red blood cell distribution width and the amount of alanine aminotransferase, urea nitrogen, and tight junction creatine kinase but decreased the mean corpuscular hemoglobin (Hb). These changes were reversed after hyperbaric oxygen therapy, which increased the number of red blood cells, hematocrit level, total protein, and Hb level. Hyperbaric oxygen therapy also increased tight junction protein 1 expression and reduced toll-like receptor 4 expression in the rat colon. In conclusion, hyperbaric oxygen resulted in an improved oxic condition in CO-poisoned rats and restored energy metabolism by repairing, to some extent, the organs injured by CO. The therapy may also improve the function of the intestinal mucosal barrier.     

碳源与底物对不同层次土壤产生N2O能力的影响

底层土壤的反硝化作用是土壤排放N_2O的重要来源,同时也是影响浅层地下水硝酸盐含量的重要因素.通过一系列室内培养试验.研究了一种农用土壤不同土层在碳源和NO_3含量不同情况下产生N_2O的能力。结果表明,试验用土壤的不同土层均具有进行反硝化作用产生N_2O的能力.底层土壤产生N_2O的能力大于根区土壤:单独添加葡萄糖、NO_3或同时添加葡萄糖和NO_3.对土壤N_2O和CO_2释放的影响与土壤层次和观测时间有关;向土壤添加葡萄糖和NO_3,各个土层释放N_2O的能力均显著提高;从产生N_2O和CO_2能力的角度而言,不同层次土壤的微生物区系间存在较大差异。采用短期(24h之内)饱和泥浆好气培养法,可以区分土壤微生物区系在产生N_2O方面的差异。     

土壤生态系统中黑碳研究的几个关键问题

因人类活动的影响,全球大气C02浓度自1750年以来呈现逐步上升的趋势。农业生产活动与气候变化紧密相关,因土地利用方式的改变以及高度集约化的粮食、食物生产等农业活动都有可能增加CO2等温室气体的排放。如何遏制和减少大气中的CO2浓度是当前的热点问题,黑碳这一物质形式有可能为这一问题的缓解或解决提供新途径。生物质黑碳是生物质材料在低氧或无氧状态下经热裂解而形成的一种富含碳元素的有机连续体,其中碳（C）元素的含量高达70％-80％,并且大多以稳定的芳香环形式而存在。人类生存环境中所形成黑碳的80％以上最终都要归于土壤,且由于其较强的抗分解能力而长期滞留于土壤环境中。利用黑碳的这些特性及其碳封存能力,实施积极而有效的土壤管理措施,有可能增加土壤生态系统中的碳储存,从而为人类社会应对全球气候变化提供新的机遇。在文献资料调研的基础上,描述了土壤中黑碳的来源及其增加土壤碳储存、减缓陆地生态系统碳循环的潜力;阐释了量化土壤中黑碳的重要性以及精确测定土壤黑碳含量的关键所在;揭示了黑碳在土壤环境中的稳定性,探讨了外源黑碳与土壤本体有机碳的相互作用关系,并分析了黑碳对土壤温室气体排放的影响及其不确定性。揭示这些问题有助于客观评价黑碳能否作为一个有效的土壤有机碳库,也益于明确黑碳在全球碳循环以及中国农业减排过程中的作用与地位。     

大气CO2升高对土壤碳循环影响的研究进展

土壤有机碳是陆地碳库的重要组成部分,其积累和分解的变化直接影响全球的碳平衡。据估计,全球土壤（表层1m）有机碳积累总量相当于大气中碳总量的2～3倍。土壤是温室气体的源或汇,土壤碳库的变化将影响大气C02的浓度,因此,土壤碳库对人类活动的响应也是全球碳循环和全球变化研究的热点。在全球变化的大背景下,大气CO2升高导致植被生态系统碳平衡的改变进而对土壤碳循环产生影响。总结了陆地生态系统碳循环对大气C02浓度升高响应的主要生物学机制及过程,简述了大气C02浓度升高对影响土壤碳输入和输出的各因素的研究进展,并指出未来研究的主要方向。在大气C02浓度升高条件下,陆地生态系统碳循环的变化主要反映在以下几个方面：1）不同类型植物群落的净初级生产力（NPP）显著增加,但湿地植物的净初级生产力也有可能降低;2）光合产物向根系分配的数量增加,地上／地下生物量降低,根系形态发生变化,根系周转速率和根系分泌等过程的碳流量提高;3）植物含氮量降低,C／N提高,次生代谢产物增加,微生物生长受到抑制,植物残体分解速率降低;4）土壤呼吸速率显著增加,提高幅度受植物类型与土壤状况的影响;5）进入土壤的植物残体及分泌物的数量和性质影响土壤酶的活性,脱氢酶和转化酶活性增加,酚氧化酶和纤维素酶受植物类型与环境条件的影响;6）土壤中真菌的数量的增加幅度要高于细菌;7）CH4释放量增加,在植物的生长期表现更为明显。由于陆地生态系统碳循环的复杂性,研究结果仍有很大的不确定性。大气C02浓度升高与全球变化的其它表现间的交互作用将是今后研究的重点,同时由于土壤碳循环是一个由微生物介导的生物地球化学循环过程,因此,加强陆地生态系统碳循环的微生物机制研究也将为全面理解碳循环的过程提供更加准确的研究理论基础。     

城市生态系统-大气间的碳通量研究进展

城市生态系统对全球碳收支具有显著的贡献,城市化进程促进城市向大气排放碳。随着观测手段和仪器的发展,涡动相关法已成为陆地生态系统碳通量观测的主要手段,并广泛应用于中心城市碳通量观测;城市CO2浓度和通量变化具有日、周、季节变化特征,不同城市之间CO2浓度和通量也有很大差异,其主要原因是由于城市生态系统的下垫面类型不均一,土壤、植被、路面、交通、人呼吸等对碳通量都有贡献,绿地（树木、草坪）对燃料燃烧、人呼吸等的碳排放起着一定的抵消作用;由于多种因素对碳通量起作用,在对城市通量数据进行分析时必须开展贡献区即碳足迹分析。本文综述了城市生态系统-大气间碳通量研究的历程;分析了城市生态系统碳通量的时空变化特征及其主要控制因子;探讨了复杂下垫面条件下城市生态系统-大气间碳通量研究的特点和难点,并提出了未来研究的重点。     

土地利用方式对土壤碳库影响的敏感性评价指标

综述了目前国内外在监测土地利用方式对土壤有机碳动态的影响时所采用的一些敏感性指标：微生物量碳和微生物商、CO2通量和qCO2、轻组有机质和颗粒态有机质、溶解态有机碳(DOC)。大量的研究表明，与土壤有机碳相比，微生物量碳库的周转率更大，周转时间更短，在土壤总有机碳变化可检测之前，土壤微生物部分的变化可能被检测到，是土壤碳动态的敏感性指标。轻组和颗粒态有机质是自然土壤肥力的决定因素，也是土地管理方式影响最明显的部分，对于准确评价土地利用变化对土壤碳过程的影响具有重要意义。CO2，通量和qCO2，可以综合反映土壤微生物的活性、利用土壤有机碳的效率及土壤中碳的代谢作用等，也是土壤碳动态的敏感性指标。DOC通量比全球植物和大气间碳交换量小1-2个数量级，所以生物圈碳平衡的很小变化会导致DOC的巨大变化，DOC浓度和通量是土壤温度和湿度变化的敏感指标。     

Low carbon transition options for Australia

A rapid and sustained transition to new energy systems for Australia was explored using the OzECCO model implemented in a systems dynamics simulation package. OzECCO simulates the close relationship between energy use and economic productivity at a sectoral level to explore scenarios of economic and biophysical function based on a calibration period of 1981-2005 and a scenario period 2006-2051. The core scenarios showed that a fully renewable (the renewables transition) or an advanced fossil and nuclear transition (the conventional wisdom transition), can reduce accumulated CO2 emissions from the Australian economy for the period 2006-2051 by 50%. Adding a low growth economy where GDP averages less than 1% annually extends this to a 60% reduction. Extensive reforestation of more than 50 million hectares extends the total reduction to 70% over the 45 year period and provides at 2051 a per capita emissions level of one to two tonnes which will be necessary if developed and developing countries are to converge on equal atmospheric impacts with reasonable lifestyle opportunities. Central to both the renewables and conventional-wisdom scenarios are substantial reductions in the physical dimensions of personal consumption, and the transfer of these avoided consumption opportunities to an intergenerational sovereign wealth fund. This fund, held outside day-to-day domestic activities, can buffer Australian society and future generations against shocks, financial or physical, that might lie waiting and unanticipated in our future. This study did not explore phasing out Australia's extensive coal and natural gas exports although their impact on global atmospheric concentrations is significant. Domestic combustion and exported fuels will add 82 billion tonnes of CO2 to the atmosphere in the scenario period 2006-2051, equivalent to a 20 ppm rise in atmospheric concentrations. The low-growth renewables transition with unconstrained exports reduces this rise to 15 ppm. The continued expansion of fuel exports thus expands atmospheric risk in physical terms but also entrains policy and strategic risks should carbon-based industries become pariahs in international commerce and political relations.     

Revisiting the carbon emissions hypothesis in the developing and developed countries: a new panel cointegration approach

Environmental and Ecological Statistics - Since global warming worsens with economic development and emitted CO2 is one of the main greenhouse gases, it is important to understand...     

秸秆还田条件下农田系统碳循环研究进展

秸秆还田是农田生态系统的固碳减排的一种措施,现已成为国内外学者研究的热点。本文在分析农田系统碳循环流通的基础上,将系统划分为土壤、植物和大气3个子系统,对秸秆还田条件下各个子系统中碳的流动变化情况进行讨论。在土壤子系统中,秸秆还田对土壤有机碳（SOC）、土壤矿化碳、土壤微生物碳（MBC）的变化都有作用。秸秆还田的初期可能会降低微生物利用碳源的能力,影响群落物种分布的均匀度,致使作物对碳、氮利用率下降;然而,长期的效应仍会增加土壤微生物的多样性和活性。研究亦认为秸秆还田特别是与有机肥配合使用,能够提高土壤有机碳的含量;对土壤有机碳矿化具有明显促进作用,但是对土壤原有的有机碳矿化影响尚不清楚。秸秆还田在植物子系统中的影响主要集中在植物光合碳变化。已有的研究表明秸秆还田对作物光合作用的影响表现为正效应;然而根际碳流通的变化尚不清楚。在大气子系统中,秸秆还田能够增强旱地耕作土壤的呼吸作用,促进CO2的排放;而淹水条件下,秸秆还田使土壤有机碳矿化受到了明显抑制,对CO2没有明显影响。与此类似,淹水条件促进CH4排放,排水良好可以减少CH4的释放。事实上对CH4的排放而言,水份的影响可能比秸秆还田所产生的影响更大。笔者认为秸秆还田后土壤有机碳流通变化机理,及根际碳的流通变化影响仍有待进一步解析。其次,农业机械使用所产生的 CO2气体在研究秸秆还田模式时也应被考虑在内。除此之外,秸秆还田这种减排措施（CO2）的减排潜力、适宜应用的区域、可能的协同作用和一些限制及不利因素还没有得到确切的评估,实施过程中应考虑社会和经济层面上的因素。