《全球变化》复习资料.doc

第一章 概述AbbreviationsUNFCCC-United Nations Framework Convention on Climate ChangeESSPEarth System Science PartnershipGCPGlobal Carbon ProjectSCOPE-Scientific Committee on Problems of the EnvironmentGCTE-Global Change and Terrestrial Ecosystems ProjectIGBPInternational GeosphereBiosphere ProgrammeIGCOIntegrated Global Carbon ObservationsIPCCIntergovernmental Panel on Climate ChangeWCRPWorld Climate Research ProgrammeIHDPInternational Human Dimensions Program on Global Environmental ChangeDIVERSITAS An International Programme of Biodiversity Science气候变化是指气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间（典型的为10年或更长）的气候变动。气候变化的原因可能是自然的内部进程，或是外部强迫，或者是人为地持续对大气组成成分和土地利用的改变。联合国气候变化框架公约（UNFCCC）第一款中，将“气候变化”定义为：“经过相当一段时间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。”UNFCCC因此将因人类活动而改变大气组成的“气候变化”与归因于自然原因的“气候变率”区分开来。气候变化：它包含地球历史上发生的各种或冷或热的变化，但目前所讨论的气候变化主要是指自18世纪工业革命以来，人类大量排放二氧化碳等气体所造成的全球变暖现象。全球变暖问题是指大气成分发生变化导致温室效应加剧，使地球平均气温异常升高并由此引发的一系列生态、环境、经济等问题。课程主要内容：了解全球碳氮循环、温室气体与全球变化的关系；了解国际社会对遏止全球变化的努力；重点理解人类活动对全球变化的影响以及政府间气候变化工作委员会（IPCC）对全球变化若干问题的综合评估；了解全球变化研究最新进展。一般认为，地球系统系指由地球的大气圈、水圈、岩石圈、地核、地幔和生物圈（包括人类本身）组成的整体，它包括从地球的地核到外层大气的广阔范围。 三大相互作用的基本过程存在于地球系统中：物理、化学和生物过程。地球系统的演化及发生的重大事件均受这几个相互作用的过程的制约。地球系统一词与地球系统科学相伴而生，最早非正式出现在1983年。1988年出版了专题报告地球系统科学一书，正式系统地阐述了地球系统和地球系统科学的观点。 时间尺度(temporal scale)是指一个过程或一种现象所持续的时间长度，通常用10n年表示;空间尺度(spatial scale)是指一个过程或一种现象发生的空间规模，按空间规模的大小可分为局地尺度、区域尺度和全球尺度等。不同时空尺度的过程之间存在着复杂的相互作用。地球系统中的主要科学问题：地球系统科学把描述和认识行星尺度的变化（全球变化）作为自己的主要任务，特别强调从本质上认识数十年至数百年的全球变化。它将地球系统分为物理气候系统和生物地球化学循环两个系统，以过程研究为重点，研究其间的相互作用。1、物理气候系统1、 物理气候系统包括控制地面温度和降水分布的大气和海洋过程，由于太阳加热不同而产生的运动以及冰雪覆盖的变化。 温度和降水过程，通过大气物理和动力学过程、海洋动力学过程、陆面湿度和能量平衡，以及平流层-中间层大气动力学过程控制着物理气候系统。（1）气候对辐射重要的微量气体变化的敏感性如何？（2）海洋环流对大气的作用是如何响应的？海洋环流变化是怎样影响地面温度分布的？（3）海洋的热容量对大气温室气体诱发的全球变暖出现时间的滞后影响如何？2、生物地球化学循环 生物地球化学循环是指诸如碳、氮、磷、硫等生源要素通过地球各子系统的物质流，及其对地球系统生物圈的影响。生物地球化学循环包括海洋生物地球化学、陆地生态系统、对流层化学以及平流层、中间层大气化学等过程。重要性：生物圈是由生物地球化学循环支撑和维持的；生物地球化学循环将物理、化学和生物学过程结合在一起，构成了生物地球化学循环的主要科学问题。（1）生物地球化学循环的现状如何？（2）生物地球化学循环在人类扰动前的状态怎样？（3）生物地球化学循环未来的状态和可能的后果是什么？ 3、物理气候系统和生物地球化学循环的相互作用物理气候系统通过平流层臭氧的变化，云的变化，改变温度、降水和海洋环流的变化直接或间接影响生物地球化学循环。 生物地球化学循环系统则通过CO2、NOx、CFCs等微量、痕量气体的“温室效应”直接或间接影响物理气候系统。生物地球化学循环系统还可以改变植被种群结构、类型，影响地面粗燥度、地面反照率等，最终影响物理气候系统。还应注意的一些关键过程的研究（1）地球外部作用力的观测研究（太阳辐射度、紫外辐射通量、火山喷射指数等）；（2）对流层和平流层痕量气体的观测（如CO、CO2、NOx、CFCs、CH4、O3、H2O、HNO3、HCl、气溶胶等）；（3）大气响应变量的观测研究；（4）地面特征变量的观测；（5）海洋变量的观测研究，特别是海洋叶绿素、CO2、海洋生物地球化学通量观测。物理气候系统与生物地球化学循环间的联系示意图地球生态系统正在逼近9大极限：海洋酸化、臭氧浓度、淡水消耗量、生物多样性、氮磷循环、土地使用率、二氧化碳浓度、气溶胶浓度、化学污染。第一章 大气中的温室气体第一节 Co2温室气体：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、臭氧（O3）、氟里昂或氯氟、烃类化合物（CFCs）、氢代氯氟烃类化合物（HCFCs）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF6）在大气中贮存时间 ：CO2: 120年; CH4: 10年; N2O: 150年; CFCs: 几百年京都议定书所规定的六种温室气体：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs ）、六氟化硫（SF6）大气CO2的变化趋势：1、季节性变化：CO2的浓度随季节变化而有所变动，在5月份左右出现一峰值，从9-10月达到最低。造成这种变化的原因可能与海洋与陆地上植物的光合作用活跃的程度、生物体的分解、化石燃料的使用量的季节变化等有关。2、年季变化：大气CO2的浓度由于化石燃料的大量使用及土地利用方式的改变等，每年都在增加。全球大气CO2浓度的变化：年季变化、季节变化、北半球浓度较大、北半球增加的幅度较大。CO2人类的影响：化石燃料的燃烧（约占60%）、土地利用方式的改变（约占40%，如毁林、土壤有机质的丢失）源：任何向大气中释放产生温室气体、气溶胶或其前体的过程、活动和机制。汇：从大气中清除温室气体、气溶胶或他们前体的任何过程、活动或机制。大气CO2的源：1、一切生物体（自然排放源）；2、土地利用方式的改变（如毁林）；3、化石燃料的使用。化石燃料：使用量一直在增加；现在每年约消耗6Gt；欧洲、美国和中国等国占了世界总消耗量的大部分。化石燃料和大气CO2浓度：大气CO2浓度的增加速率要比我们化石利用速率慢。大气CO2的汇：1、海洋（溶解CO2 H2CO3HCO3-CO32- ）、造林（北美：1850s 20% - today 80%；北半球：0.5 Gtons C/yr），包括物理和生物过程2、植被（森林）：大气CO2的主要生物汇，最终进入土壤。库： 总量 (x1015 Pg C)海洋 36,000土壤 1,500大气* 760陆地生物 560大气CO2的年流通量：光合作用 100 Pg C呼吸 100 Pg C 耗氧 厌氧 发酵海洋溶解 1.6 Pg C化石燃料使用 5.0 Pg C生物物质的燃烧 1.8 Pg C大气CO2的输入与输出平衡输入： 呼吸 = 100 (x 1015 g C / yr) 化石燃料燃烧 = 5.0 (x 1015 g C / yr) 生物物质燃烧 = 1.8 (x 1015 g C / yr) 106.8输出： 海洋吸收 = 1.6 (x 1015 g C / yr) 光合作用 = 100 (x 1015 g C / yr) - 101.6每年增加： = 5.2但是，实测增加 3.0碳循环的自然过程：1、生物：自养和异养；2、非生物：化学反应。人为影响：1、化石燃料的使用；2、土地利用。CO2 施肥效应：随大气CO2浓度的增加，光合作用加速。但是还有各种其他因素控制着生物量。固碳：增加除大气之外的碳库的碳含量的过程。生物固碳过程包括通过土地利用变化、造林、再造林以及加强农业土壤碳吸收的实践来去除大气中的CO2。物理固碳过程包括分离和去除烟气中的CO2或加工化石燃料产生氢气，或将CO2长期储存在开采过的油气井、煤层和地下含水层。生物固碳方法 1、海洋生物固定：如南部大洋中藻类的生长受Fe元素含量的限制，如果适当的增加海水Fe元素含量，则可刺激藻类生长，从而可以吸收更多的大气CO2。 通过此法可以减少大气CO2浓度的10%。2、施肥效应：高浓度的CO2可以刺激植物的生长-可以通过种植更多的树来解决温室气体问题。问题是：提供足够的水和养分？大气CO2浓度增加所导致的一些后果：1、植物光合能力随CO2浓度的增加而提高，其程度因植物不同的光合途径而异。2、对森林生态系统碳储量的影响：一般来说，植物物质生产随CO2浓度的升高而增加。3、对草地碳循环的可能影响：草地初级生产力、凋落物的分解和土壤微生物的代谢活动。4、对农田生态系统碳循环的影响：大气CO2浓度升高对土壤有机碳平衡的影响则是最近才受到关注的问题，研究积累相对较少。第二节 CH4分子量：16 最简单的饱和烃；首次发现：1948年；化学活性：参与许多重要的大气化学过程变化规律：1、季节变化：CH4的浓度随季节变化而有所变动。以北京市为例，在夏天浓度增加值较大的原因是大气甲烷生物源强度随温度升高变大造成的。冬季出现浓度增加的原因就是冬季燃烧取暖造成的。而春秋两季甲烷浓度的降低是由于生物源排放强度随温度降低而变小造成的。2、年季变化：北京市99年以后CH4的排放变幅增大，这主要是由于非生物源（主要是冬季燃煤取暖）改变造成的。大气CH4源：厌氧环境生物过程的CH4产生主要涉及两个过程：1、在厌氧条件下CO2被H2还原2、CH3COOH或CH3OH的转化。这两种过程都需要产CH4微生物的参与。一般说来生态系统中CH4产生可有两种途径：1、复杂有机物在细菌作用下产生某种简单有机酸，这种有机酸直接被产CH4细菌利用产生CH4，或有机酸进一步降解生成CO2和H2，CO2和H2在产CH4菌作用下生成CH4；2、复杂有机物在细菌作用下不经过产酸过程而直接产生CO2和H2生态系统中CH4的产生所具备的三个条件：1、存在有机物和水分；2、存在一个厌氧环境；3、温度适于发酵菌和产CH4细菌的生存和繁殖大气CH4源：1、动物：动物（主要是食草反刍动物）的消化过程中存在产CH4条件。在反刍动物的瘤胃中存在有机物和水，存在厌氧环境以及一系列分解有机物的微生物和产CH4菌。不产酸途径。2、稻田：在稻田灌水期间由于有一水层将土壤与大气隔离，土壤中O2、Fe3+、NO3-和SO42-很快被依次消耗，从而形成了一个还原性厌氧环境，产CH4菌和其他一些厌氧细菌，便在土壤中繁殖、分解土壤中的有机物产生CH4。3、天然湿地：天然湿地指沼泽地、浅水湖沼和苔原等。天然湿地中CH4产生、排放的过程与稻田类似。4、动物粪便和其他农业废弃物的处理：动物粪便和其他农业废弃物（被当作有机肥料的秸秆等）含有丰富的有机物，如果它们在厌氧环境里发酵分解就会产生CH4。5、城市固体废弃物和污水处理：随着世界范围城市化的发展，以及城市固体废弃物集中堆放方式的发展倾向，城市固体废弃物及污水处理已经成为全球大气CH4的重要来源。6、生物体燃烧：在热带和亚热带的森林和草原区，因各种原因而大量燃烧生物体；另外，在世界各地都有将农业副产物（主要是农作物秸秆）烧掉用作肥料的现象。7、煤矿和石油、天然气开采过程中的泄漏：煤矿和石油、天然气开采过程中的泄漏是大气CH4的主要非生物源。大气CH4汇：大气CH4的汇主要是在对流层大气中的氧化反应和干燥土壤的吸收以及少量的向平流层输送。1、对流层中CH4的氧化反应（共四步）；2、干燥土壤对大气CH4的吸收。由于土壤吸收大气CH4的速率很低，实验测量困难很大，至今很少实测数据。根据北美荒漠地区的少数测量资料估计，全球干燥土壤每年吸收大气中的CH4约31011 kg（IPCC，WGI，1990）。3、对流层大气和平流层大气间的交换对流层大气和平流层大气之间的交换很缓慢，所以只有少量CH4越过对流层进入平流层。对于大气CH4的汇来说，这一过程并不重要，但这一过程的重要性在于进入平流层的CH4能与平流层自由基（例如氯原子）反应影响平流层O3的光化学过程。大气CH4的总汇为451010kg a-1，总源强为501010kg a-1，相差51010kg a-1。第三节 N2O溶解：常温化学性质稳定，易溶于乙醇、油和醚中；存在时间：120年（IPCC1995）；浓度：310ppbv季节性变化和年季变化：在城市中，交通工具造成的氧化亚氮排放的N2O是主要源，而在供暖季，虽然土壤中微生物活动受到抑制，但冬季取暖排放成为阻止大气N2O浓度下降的因素。因此，土壤、冬季取暖排放虽然都具有季节变化特征，但由于相互叠加、抵消，大气N2O浓度变化在总体上没有非常明显的季节变化和年季变化特征。温室气体的源是指温室气体成分从地球表面进入大气，或者在大气中由其它物质经化学过程转化为某种气体成分。温室气体的汇则是指一种温室气体移出大气到达地面或逃逸到外部空间，或者是在大气中经化学过程不可逆转地转化为其它物质成分。大气温室气体的源有自然源和人为源之分。人为活动引起的人为源增加，被认为是目前大气温室气体浓度逐渐上升的主要因素。大气N2O源：土壤中氮的硝化和反硝化过程；水体（海洋和淡水）排放；化石燃料和生物质燃烧，车辆排放；尼龙、己二酸和硝酸生产。一、土壤1、土壤：土壤是N2O的主要源。土壤主要是通过微生物的硝化和反硝化作用而释放N2O。土壤中的硝化过程： 硝化过程是在通气条件下，土壤中硝化微生物将铵盐转化为硝酸盐的过程。其中释放部分N2O。土壤中的硝化过程一般分两步进行，首先铵氧化成NO2-，然后NO2-再氧化成NO3-，期间生成N2O。2、反硝化过程：反硝化过程是在通气不良条件下，由土壤微生物将硝酸盐或硝态氮还原成氮气（N2）或氧化氮（N2O，NO）的过程。3、非生物转化过程：N2O形成的化学转化过程通常与N2O形成的生物学过程相伴。例如在硝化过程中，NO2-的进一步氧化有时会因高NH3分压和高pH等因素而受到抑制，从而导致NO2-积累，较高浓度的NO2-与有机质发生化学反应，从而反应生成N2和各种氮氧化物。 通气状况十分良好或过分通气不良均不利于硝化或反硝化过程中N2O的生成,从而使得N2O排放量降低。当土壤供氧十分充分时,有利于形成硝化作用的最终产物NO3-，而严格厌氧造成的强还原环境会促进形成反硝化的最终产物N2，二者均不利于形成中间产物N2O。同时，硝化、反硝化过程中相关微生物的数量及其酶活性的变化对N2O的排放量也将产生较大的影响。影响土壤N2O排放的主要因素：1、氮肥施用的影响：氮肥的施用与否、氮肥的不同种类（有机肥与化学氮肥）及其不同肥料类型（铵态氮肥与硝态氮肥等）、施肥量等对N2O的产生有着十分重要的影响。2、土壤含水量的影响：土壤含水量主要通过影响土壤通气状况、土壤的氧化还原状况、土壤中微生物的活性以及土壤中N2O向大气的扩散来影响N2O的产生与排放。3、土壤温度的影响：N2O排放是温度、氧气和反应底物浓度以及传输过程交互作用的结果。土壤温度对N2O产生的生物学过程有着十分重要的影响。 都抑制硝化作用发生；反硝化微生物所要求的适宜温度为30-67 。4、pH值的影响：土壤pH值作为一个重要的土壤化学参数对N2O生成的相关化学反应起着一定的促进或抑制作用。反硝化速率的最佳pH范围为7.0-8.0。如在酸性条件下，由于酸性条件对N2O还原的抑制比对NO3-的抑制更强，所以反应产物中N2O/N2的比例较大，随着pH值的升高，N2O向N2的还原加速，反应产物中N2O/N2的比例逐渐下降。5、土壤有机质含量的影响：土壤中的氮主要来自于有机质的矿化和施入的氮肥，土壤有机质的矿化产物不仅为反硝化过程提供了反应底物，而且有机质本身还为参与这一过程的微生物提供了能源。此外，有机质本身还是一种呼吸基质，可引起氧胁迫。6、土壤孔隙度的影响：土壤孔隙度不仅影响土壤中氧气的供给状况，而且还对N2O的排放过程产生极为重要的影响。植物根系对反硝化作用的影响限于孔隙度低的条件下，当孔隙度低于10%-12%时，根系中氧气的耗竭将会使反硝化作用增强。7、植物本身的影响：植物与土壤的相互作用极大的影响着土壤-植物系统中N2O的释放。一方面植物根系及根系分泌物一定程度上改变了土壤的物理化学性质，促进了土壤中的微生物过程和N2O的产生。另一方面，植物的存在还会对土壤N2O的排放传输过程产生影响，植物可以某种方式将土壤中产生的N2O传输到大气中，这一作用在水稻-土壤系统中尢为明显，在其它植物-土壤系统中也可能有类似的作用。8、光照的作用：陈冠雄等对大豆植株进行了光照影响的田间试验和室内模拟试验研究，发现N2O通量在较弱的光照条件下较高，在完全黑暗和较强的光照条件下较低，甚至吸收大气中的N2O。9、土壤耕作利用的影响：对比农业土壤和未开发土壤、常耕与免耕土壤N2O的排放量，结果表明，农业土壤比未开发利用土壤产生和排放更多的N2O，这是因为农业土壤肥沃，土壤氮的有效性高。而农业土壤中，免耕土壤又由于含有较多的水分和较小的总孔隙度，而比常耕土壤能产生和排放更多的N2O。二、海洋及淡水系统：海洋是N2O的重要源，但不是主要源。最近实验结果表明，海洋释放N2O的量较小。IPCC最新的估计是，每年海洋排放N2O1.42.6Tg。NH4+首先在O2作用下被氧化成NH2OH，然后NH2OH通过下列反应被进一步氧化成NO2-或N2O。产生和消耗N2O的生物过程主要取决于水体中的含氧量。淡水系统也可以排放N2O，并且主要来自于反硝化作用。有报道指出淡水系统排放的N2O通量为0.05-5.0Kg N2O-N hm-2 a-1。三、氮肥氮肥释放N2O大小与土壤类型、施肥种类和方式、农业耕作形式和天气状况等许多因素相关。氮肥施撒在田地上一部分直接以N2O形式排进大气，另一部分进入地下水后挥发再释放到大气中。四、生物质燃烧和化石燃料燃烧生物质燃烧包括作物秸秆、草地燃烧等。估计全球生物质燃料产生的N2O每年为0.5Tg N。最主要的人为生物物质燃烧是热带草场和热带森林的燃烧。化石燃料主要包括天然气、石油和煤等，IPCC最新估计，全球燃料源N2O排放可能是0.1-0.3Tg N/a。五、工业源一些工业生产过程如硝酸、尼龙生产过程、合成氨和尿素均可排放N2O。估计生产4.2104吨尼龙可能产生20Gg N2O-N，合成氨、硝酸和尿素的生产N2O的排放量分别为21，3.2和4.8Gg N2O-N。 废水处理过程也会释放N2O。一级处理中通过反硝化作用产生的N2O在二级好氧曝气过程中释放出来。六、植物过去一直认为生物源的N2O主要来自土壤微生物的硝化和反硝化过程，但近年来首次发现植物（如大豆、玉米、水稻、赤杨等）能释放N2O，并指出植物释放N2O的速率不仅与植物的种类、部位、植物所处的生理阶段有关，而且与其自身的NO3-含量及所处的环境中的氧浓度等因素有关。大气N2O汇：1、平流层光化学氧化；2、土壤吸收；3、海洋吸收。1、平流层中N2O的光化学氧化反应：N2O在对流层大气中非常稳定，通过迁移扩散进入平流层，在平流层大气中N2O的光化学离解和与O（1D）间的反应是全球大气N2O的最主要的消除过程（汇）。2、土壤吸收和水体吸收：对流层中N2O的汇主要是土壤和水体，但其去除机制和大小还不确定。海洋即是N2O的源，又可以是N2O的汇：在水中氧浓度较低的情况下，水体成为溶解大气中N2O的汇，因为在此时微生物的呼吸作用消耗了N2O。许多陆地生态系统也是N2O的汇：在厌氧条件下，土壤吸收N2O的能力要大于其释放N2O的能力。N2O的环境危害：1、臭氧层破坏：N2O的氧化是产生平流层NO的主要源，平流层中NO参与催化与臭氧作用的链反应，破坏了臭氧层。2、温室效应：一般地，对流层中N2O对红外长波的辐射强迫与大气N2O浓度的平方根成正比。辐射强迫：由于气候系统内部变化或如二氧化碳浓度或太阳辐射的变化等外部强迫引起的对流层顶垂直方向上的净辐射变化（用每平方米瓦表示：W m-2）。3、酸雨及其危害：在平流层底部，N2O分解产生的NOx经化学反应后开成HNO3。硝酸在进入对流层后产生两种效应：（1）通过云水清除形成酸性降水，（2）作为温室气体加剧温室效应。4、N2O的其他危害：N2O对动、植物和人类的直接危害目前暂不甚清楚。但N2O作为麻醉剂使用已经有很长时间。有人提出在医院里从事麻醉作业的人身体上出现的异常现象可能与N2O有直接和间接的关系，因此，N2O今后很可能成为医院的污染来源之一。中国减少CO2、CH4及N2O排放的措施：中华人民共和国气候变化初始国家信息通报1994年中国所排放的温室气体中：CO2、CH4和N2O分别占有73.1%、19.7%、7.2%。其中： CO2、的排放主要来自能源活动；CH4和主要来自农业活动和能源活动；N2O主要来自农业活动。1、针对CO2排放：CO2的排放：能源活动占总排放的90.95%。（1）调整能源结构；（2）提高能源利用率；（3）可再生能源的利用；（4）增加陆地生态系统的碳吸收。2、针对CH4：中国CH4排放主要来源于农业活动（50.15%）、能源活动（27.33%）和废弃物处置（22.52%）。（1）减少农业活动CH4排放：饲料秸秆的处理和营养成分的改善：秸秆的氨化、粉碎及颗粒化；多功能复合添砖的使用及过瘤蛋白的使用；减少稻田排放。（2）减少能源活动排放CH4的对策：采煤前先采出煤层气回收利用，不仅增加新的能源，而且减少CH4排放和瓦斯爆炸事故的发生，有效的改善煤矿安全。（3）减少废弃物处置排放CH4的对策：垃圾的分类处理和填埋，充分利用有机垃圾产生的CH4作为燃料或发电；改善填埋场设施，降低填埋场湿度以抑制CH4的产生；筛选环境适应性强的CH4氧化菌并接种于填埋场，促进CH4的氧化；将填埋构造由厌氧型改为半好氧型或渗滤液回灌的半好氧型。3、针对N2O：中国N2O排放92.4%来自农业活动，能源活动和工业生产过程分别占5.8%和1.8%。促进区域间氮肥施用的均衡发展；提高氮肥利用率；长效氮肥和控施化肥的施用；生物抑制剂的施用。Factors influencing agricultural N2O emissions气候要素(如：太阳辐射、温度、降水等)直接影响土壤环境，而土壤环境驱动着N2O的产生和排放。如温度和降水的季节性变化改变了土壤的水热条件，进而影响硝化和反硝化作用，最终导致土壤N2O排放的季节性变化。 农田N2O排放的日变化和季节变化可部分地通过气温的变化来解释。在旱地土壤条件下，温度是影响N2O排放季节变化的关键因子，而在水田阶段则不然。 在适宜的土壤水分条件下和一定温度范围内，N2O排放随土壤温度的上升而增加（邹建文等，2003）。Dorland 和Beauchamp(1991)的研究发现，在-225范围内反硝化量的平方根与温度呈直线关系。Factors influencing agricultural N2O emissions-Soil Texture土壤质地是土壤通透性、土壤空气组分、水分有效性和微生物活性的一个重要控制因素，因而影响硝化和反硝化作用的相对强弱及N2O在土壤中的扩散速率。 土壤质地还影响土壤有机碳的分解速率（黄耀等，2002），进而影响产N2O微生物的基质供应。 表土砂粒和粘粒含量常分别用作指示土壤适于好气生物和嫌气微生物的参数，Granli 和 Bckman（1994）认为土壤质地可作为适合硝化和反硝化作用的指示参数。Factors influencing agricultural N2O emissions-Soil O2 Status土壤通气状况由水分含量、O2在土壤中扩散的难易程度以及微生物和根系对O2消耗的多寡所决定。对反硝化过程而言，其速率与O2量成负相关。 Ryden等(见陈文新，1989)指出明显的反硝化作用发生在氧化还原电位（Eh）为300-650 mv之间，Eh在0 mv以下则不对N2O/N2比发生影响。但对于硝化过程而言，现只知道有氧时其最终产物是NO3-，但绝对厌氧条件下能否硝化完全尚存争议。 衣纯真等(1994)发现在温度、湿度相同的条件下，通气状况强烈影响土壤反硝化作用的进行，嫌气条件下反硝化作用强于好气状况。Factors influencing agricultural N2O emissions-Land Use and Farming type在农业土壤上，不同的轮作制度也对N2O的排放有明显影响：单季-休闲、水-旱轮作、旱旱连作、三熟制等。 不同作物类型：如固氮作物、C3和C4作物、旱作与水田作物等。作物在农业生态系统N2O排放中具有重要作用，作物与土壤相互作用极大地影响N2O的排放. 一方面，作物根系及根系分泌物影响产生N2O的微生物过程，特别是根系对离子的吸收和分泌有机酸，使根际土壤pH值改变，从而影响硝化和反硝化过程； 另一方面作物可以通过某种方式将土壤中产生的N2O传输到大气中或通过作物组织的生理反应排放N2O（于克伟等，1995）。 尤其在固氮作物将大气中的氮转化为生物有机氮的过程中，作物会向大气中排放部分N2O。N input引起农田土壤N2O排放的氮源主要来自有机氮矿化、化学氮肥、有机肥料和生物固氮等，其中化学氮肥是我国农业生态系统中氮素的主要补充源。 IPCC(1997)将化学氮肥施用引起的农田N2O排放分为直接排放和间接排放两大类：直接排放是由于非挥发性氮肥施用转化成N2O排放；间接排放是挥发性氮肥（NH3-N和NOX-N）施用后挥发到大气中的NH3和NOX通过沉降作用又回到土壤中，转化成N2O排放到大气中的过程。Nitrous Oxide Emission Model：Eichner（1990）提出“化学N肥的N2O直接排放系数”概念 (FIEFertilizer-induced emission factor或简称为排放系数，EF-Emission factor)，即在同等面积下施肥农田的N2O 排放总量减去对照农田（不施肥农田）的排放总量，并将这一差值计算为施N量的百分比，其意义为释放的N2O-N占输入农田的肥料氮N的比例，用公式表示为：EF（施肥农田N2O-N不施肥农田N2O-N）/肥料N100。Bouwman (1996)在Eichner 工作基础上，对1978 到1992 年间43 篇论文中的174 组农田N2O 排放数据进行了分析，指出长时间序列的N2O排放观测有助于提高估计精度，因此他将观测期=一年的数据分离出来，并以此建立了N2O排放量与施肥量的回归式：E1+0.0125（0.01）F（n=20） 其中E是单位面积N2O年排放量（kg N2O-N hm-2 yr-1），F为施N量（kg N hm-2 yr-1 ）。数值1代表背景排放，即不施N肥条件下N2O-N排放量（ kg N2O-N hm-2 yr-1 ）。0.0125为N2O-N排放系数，其意义是以N2O-N 形式损失的N占肥料N的1.25。该排放系数并不是一个定值，它的变化范围是0.252.25。 基于Bouwman（1996）的工作，IPCC（1997）和IPCC（2000）的指南中将1.25%作为外源输入N（包括化肥N、动物粪肥N、固氮作物固定N和作物残体N）的N2O-N直接排放系数的缺省值。利用该值和FAO数据库以及各国的统计资料可以估算区域和全球的N2O排放。 Bouwman等（2002a; b）通过文献调研，汇总了全球846组农田N2O排放数据，在此基础上，利用REML（Residual Maximum Likelihood）技术建立了N2O排放与氮肥施用、环境因子、管理因素以及观测技术等因素相关联的数学表达式：其中E为N2O排放量（kg N2O-N hm-2），const为常量，取值为-0.4136，Factor class为各个因子对N2O排放的贡献，所包括的因子主要有，氮肥施用量与肥料类型综合效应、作物类型、土壤质地、土壤有机碳含量、土壤排水状况、土壤pH、气候类型、观测时间和观测频率等。 利用该模型，Bouwman等（2002b）估计全球范围内农田每年所释放的N2O-N量为2.8 Tg，约占施氮量的1，这一结果已被IPCC（2006）所采用，用作N肥直接排放系数的缺省值。 Skiba等（1998）汇总了1991到1996年在苏格兰22个观测点的数据，用统计回归的方法建立了N2O排放与氮肥施用量、土壤温度和土壤含水量的关系式。Sozanska等（2002）在Skiba的工作基础上，利用因子分析和多元回归技术进一步建立了N2O排放的经验模型，在此模型中，N2O排放被表示成与氮肥投入量、土壤含水孔隙率（WFPS）、土壤温度和土地利用类型等参数有关的量。 Freibauer和Kaltschmitt（2003）在综合了欧洲区域内N2O田间观测数据的基础上，将该地区按照土地利用方式及气候地理位置分成了3种类型，并针对每种类型分别建立了经验回归模型，这些模型在考虑了N肥施用的基础上，又引入了土壤N含量、土壤有机碳和土壤砂粒含量等因子。 Roelandt等（2005）针对温带地区建立了两个经验模型，MCROPS和MGRASS，分别对应耕地和草地N2O排放，模型建立的基础同样是通过文献调研，获得N2O观测数据和相应的影响因子资料，并以此为基础通过主成分分析和多元回归的技术建立统计模型。 这些模型的建立大都得益于Firestone 和Davidson (1989) 的描述N2O产生过程的HIP 概念模型（Hole in the Pipe）。该模型加深了人们对土壤N2O产生与排放过程的理解。 目前，国际上用于N2O排放估计的模型主要有：NGAS模型 (Parton等，1996)、CASA (Potter 等，1996；1997)、NASA-CASA (Potter 等，2001)、CENTURY (Liu等，2000；Reiners等，2002)，DAYCENT (Parton等，2001；Del Grosso等，2002)、ECOSYS (Grant和Pattey, 1999; 2003)、DNDC模型（Li等，1992）和PnET-N-DNDC模型 (Li等，2000；Stang等，2000)。在早期的CASA (Carnegie-Ames-Stanford Approach) 模型（Potter 等，1993）中，N微量气体（包括N2O、NO和N2）子模块即以HIP概念模型为基础，将土壤N的总潜在N2O、NO和N2气态损失看作土壤N矿化的一定比例（2%），并不具体区分硝化过程和反硝化过程，NO:N2O:N2的比例由土壤湿度（WFPS）决定 (Potter 等，1993)。 此模型相对来说较为简单，在操作上具有一定优势，仅需要简单的气候、土壤以及卫星影像植被指数（NDVI）等参数即可进行大尺度模拟N2O、NO和N2排放量。在Parton等（1996）所建立的CENTURY模型中，将N2O产生分成了两部分，即硝化子模块和反硝化子模块。其中，硝化速率由分解速率确定，硝化引起的N2O排放视为硝化速率的一定比例，反硝化过程中所产生的气体排放（N2O和N2）被认为是土壤NO3-含量、土壤呼吸和土壤湿度的函数，N2O/N2比则由一个基于5天的培养实验发展的经验方程决定 (Weier 等，1993)。 在CENTURY模型的基础上，Parton等（2001）进一步建立了DayCent模型，它是CENTURY模型的以日为步长的版本。总的来说，DayCent 的机理比较清晰，输入资料易于获得，因而其发展以来也得到了大量的应用. DayCent 能比较可靠地模拟不同的自然和人为管理生态系统中植被的产量、土壤有机质水平和微量气体的排放。目前，DayCent模型是美国政府在编制国家温室气体排放清单时，用于计算农业土壤排放的主要方法。 以上这些模型的共同点是都将N2O排放看作是土壤中矿化、硝化或者反硝化过程中的部分产物，忽视了相关的生物化学动力学过程。Li 等于1992年建立了土壤反硝化分解模型 (DNDCDenitrification-Decomposition model)，该模型是一个用于预测土壤分解和反硝化速率的土壤生物地球化学模型，通过输入模拟地点的日气象数据、土壤性质、植被特征及管理措施，得到的输出包括植物生长情况、土壤水分和碳氮动态、N2O、CO2及其他多种微量气体的排放(Li, 2000; 李长生, 2001; 李长生, 2004)。 DNDC 模型是当前国内外用于估算N2O排放的过程模型的典型代表，同时也是反映农业生态系统土壤碳、氮生物地球化学循环过程的一般性数值模型. 第l 部分包含土壤气候、植物生长和有机质分解等3 个子模型，其作用是根据输入的气象、土壤、植被、土地利用和农田耕作管理数据预测植物土壤系统中诸环境因子的动态变化； 第2 部分包含硝化、反硝化和发酵等3 个子模型，这部分的作用是由土壤环境因子来预测上述3 类微生物参与的化学反应的速率。 DNDC 包含了在陆地生态系统中起主导作用的物理、化学及生物过程，虽然每一具体的反应方程式都是简单的，但数百个方程式交互反馈，使整个模型得以再现生态系统中种种非线性过程。 该模型建立以来，已在全球被广泛应用和验证。在此基础上Li等于2000年将DNDC模型、土壤硝化模型和光合蒸腾模型 (PnETPhotosynthesis-Evapotranspiration) 耦合, 发展成了PnET-N-DNDC模型 (Li 等，2000；Stang等，2000)。第三章 国际社会对遏制全球变化的努力第一节 联合国组织对碳减排所做的努力联合国气候变化框架公约（UNFCCC）京都议定书（Kyoto Protocol)“波恩协议”“马拉喀什协定”(Marrakesh Accords)气候变化与可持续发展德里部长级宣言一、联合国气候变化框架公约（UNFCCC）UNFCCC是第一个具有法律约束力的国际环境公约。其最终目标是要为了防止人类对气候系统的有害干预，将大气中温室气体的浓度稳定在一个水平上，使生态系统自然地适应气候变化，保证粮食生产不受威胁，以及在可持续方式下取得经济发展。1989年11月，关于防止大气污染与气候变化的诺德韦克宣言，提出防止全球气候变暖的问题推动 1990年12月21日，联合国决定设立气候变化框架公约政府间谈判委员会，正式启动了联合国气候变化框架公约的谈判进程。启动 联合国气候变化框架公约的通过及生效：1991年2月-1992年5月谈判委员会共举行了六次会议。谈判1992年5月9日在纽约通过了联合国气候变化框架公约通过1992年6月11日，李鹏总理在里约环发大会代表中国签署了公约中国1994年3月21日公约正式生效，至2002年12月，共有186个国家和欧盟成员成为公约缔约方。生效公约明确规定：发达国家和发展中国家之间负有共同但有区别的责任责任公约明确规定发达国家和发展中国家之间负有共同但有区别的责任，即各缔约方均有义务采取行动对付气候变化；但发达国家对气候变化负有历史和现实的责任，理应承担更多义务；而发展中国家的首要任务是发展经济，消除贫困！联合国气候变化框架公约的基本规定：公约的目标：将大气中温室气体的浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上。生态系统的适应、粮食生产免受威胁、经济可持续发展。公约确立的五原则：第一是公平原则（共同但有区别的责任原则）；第二是充分考虑发展中国家的具体需要和特殊情况原则；第三是预防原则；第四是促进可持续发展原则；第五是开放经济体系原则。各缔约方的义务：公约第四条为所有缔约方规定了普遍性义务。同时也为附件一缔约方（即发达国家、经济转轨国家和欧盟）和非附件一缔约方（绝大多数是发展中国家）分别规定了不同的义务。所有缔约方均承担的义务是：提供所有温室气体排放源和吸收汇的国家清单；制定、执行、公布国家计划；促进减少或防止温室气体人为排放的技术的开发应用；增强温室气体的吸收汇；制定适应气候变化影响的计划；促进有关气候变化和应对气候变化的信息交流；促进与气候变化有关的教育、培训和提高公众意识等。附件一国家承担的义务：1、带头遵循公约目标，改变温室气体人为排放趋势；2、制定国家政策和采取相应的措施，减缓气候变化；3、帮助发展中国家缔约方支付适应由于气候变化而产生的不利影响的费用，转让无害环境技术等。非附件一国家承担的义务：发展中国家能在多大程度上有效履行其公约的义务，将取决于发达国家的行动！联合国气候变化框架公约下的机构：最高机构：COP缔约方会议（Conference of the Parties)附属科技咨询机构（SBSTA）和附属履行机构（SBI）。联合国气候变化框架公约谈判中各利益集团的立场：欧盟（经济、环境、政治）：力图主导国际气候变化谈判的走向。拥有先进的环保技术和较充足的资金，极力要求立即采取较激进的减、限排温室气体措施。“伞型集团”（美、日、加、澳、新、俄等）：政治。多为能源消耗或减排压力较大的国家。由于担心减排行动对本国的经济造成过大负担，它们反对立即采取减、限排措施。但在迫使发展中国家承担减、限排温室气体义务方面，欧盟与其立场一致！“七十七国集团加中国”（发展中国家）：认为发达国家应对全球气候变化承担历史和现实责任，应率先采取减排行动；反对目前情况下由发展中国家承担减、限排温室气体义务，担心因此阻碍其自身的经济发展。集团庞大，分歧较大。未来气候变化谈判的走向：三大集团及各国之间的斗争！事关各国能源利用和经济发展全局等根本利益！气候变化谈判成为高度尖锐复杂的国际谈判！二、京都议定书（ Kyoto Protocol) 京都议定书谈判的启动：“柏林授权”。公约仅规定发达国家应在20世纪末将其温室气体排放恢复到其1990年的水平。1995年柏林举行的第一次缔约方会议，通过“柏林授权”：为发达国家规定2000年后温室气体减排时间表，同时决定不为发展中国家引入除公约以外的任何新义务。京都议定书