板块俯冲和岩浆过程中碳循环及深部碳储库

地球内部可能存储了地球上大部分的碳,地球的整个地质演化历史都伴随着碳循环。岩浆过程是重要的CO2释放途径,引起地表碳的增加。板块俯冲起动之后,俯冲带成为地表碳重返地球内部的基本途径。板块俯冲和岩浆过程构成了地表过程和地球内部之间的碳循环,在地质历史时期影响着地表的碳总量,对于宜居地球环境和一些重要矿产资源的形成具有重大意义。然而,相对地表过程的碳循环而言,国际上对深部碳循环的研究程度和取得的认识远远不足。对于地球深部碳的富集机制、赋存部位,以及碳在地球内部各圈层之间的交换规律,还存在很大争议。本文对与深部碳循环密切相关的深部碳储库、岩浆中的碳组成及其对岩浆成因的影响,以及板块俯冲过程中碳行为进行了总结。结果表明,无论是洋中脊玄武岩或洋岛玄武岩,其源区CO2组成都存在高度不均一性;与地幔柱有关的深源板内火山岩相对洋中脊具有异常高的CO2组成,显示深部地幔比上地幔或软流圈更富集碳。地球的地幔转换带(410~660km)、大陆岩石圈,甚至下地幔可能是重要的碳储库。碳酸岩熔体与岩石圈橄榄岩存在化学不平衡,长期的碳酸岩熔体交代作用可能导致大陆岩石圈是个重要碳储库;地幔转换带的高压还原环境可能使得来自上涌地幔或俯冲板片中的碳以金刚石形式存储。地幔转换带或更深的碳在上涌减压过程中通过氧化还原熔融可以转化为CO2,对地幔初始熔融和板内火山岩的成因(尤其是碱性火山岩)可能具有至关重要的作用。综合认为,导致地球内部富集碳的地质作用最可能是长期板块俯冲,但是目前国内外对与板块俯冲过程相关的碳行为和碳通量估算还存在很大的不足,未来有必要针对岩浆过程的CO2活动行为、俯冲板块中碳的转化行为以及脱碳规律重点开展研究。

探索大洋碳储库的演变周期

南沙深海钻孔ODP1143井的5Ma沉积记录,揭示出碳同位素变化有0.4～0.5 Ma长周期,并通过对比证明为全大洋所共有,反映了大洋碳储库的低频变化.此类周期性也见于碳酸盐和热带风尘沉积,说明是由季风等低纬区过程所引起.无论1143井或其他大洋的第四纪记录,都表明碳同位素重值期(δ13Cmax)所反映的大洋碳储库改组,发生在冰盖大扩张和冰期旋回变型(如“中更新世革命”、“中布容事件”)之前,证明了碳循环对于冰期变化的调控作用.可见第四纪冰期旋回应当是高纬与低纬过程,物理作用(冰盖)和生物地球化学作用(碳循环)相互结合下“双重驱动”的产物,不能只靠北半球高纬区响应轨道驱动的物理因素来解释.由于当前地球正处在又一次碳同位素重值期,理解大洋碳储库的周期演变及其气候影响实属当务之急.文中还对第四纪以前大洋碳、氧同位素的变化进行比较,发现在0.4Ma偏心率长周期上两者同步变化,随着北极冰盖的发育才失去耦合关系.

南海北部早—中中新世钙质超微化石群落与大洋碳储库关系初探

本文对南海北部大洋发现计划IODP 1501站早—中中新世(21—12Ma)深海沉积物进行了钙质超微化石群落分析,初步探讨了钙质超微化石演化与大洋碳储库的关系。结果显示:在~16Ma,钙质超微化石组合反映海水由高生产力环境向低生产力环境过渡,而与之对应的是大洋海水碳同位素由变重转为变轻;而在~14.2Ma,钙质超微化石组合揭示海水由低生产力环境向高生产力环境过渡,与之对应的是大洋海水碳同位素从变轻转为变重。这些现象说明钙质超微化石群落演化与大洋碳储库具有明显的相关性。推测主要是由于生物光合作用优先吸收12 C,合成有机质埋藏到海底,导致海水碳同位素变重。另外在~13.8Ma,由于东南极冰盖扩张引起中中新世气候转型,陆源输入和洋流重组等因素可能会导致大洋碳同位素变轻。

地球圈层相互作用中的深海过程和深海记录(II):气候变化的热带驱动与碳循环

地球轨道变化驱动冰期旋回的理论是气候演变研究在20世纪的最大突破。然而以65°N太阳辐射量为准的传统轨道理论，忽视了低纬区和碳循环的作用。本项目以“西太平洋暖池”为重点，通过地质资料和气候数值模拟的结合，揭示了“西太平洋暖池”和东亚季风发育的阶段性，发现了暖池海区冰消期表层水升温超前于北半球冰盖的融化。在南沙海区发现了碳同位素有40—50万年长周期，经过全球对比和对意大利上新世地层的实测与分析，证明这是世界大洋碳储库对于地球运行轨道偏心率长周期的响应，并推测是通过浮游植物群改变有机碳在海洋碳沉积中的比例所致。研究表明热带驱动和碳循环在气候演变中重要性，其正确认识是预测气候长期演变趋势的前提。是“深海973”项目总结报道之后的续篇，对上述成果作专题讨论。

江苏省农地土壤有机碳及碳截存动态研究

根据《江苏土壤》及近几年调查和分析资料,计算提出江苏省农地土壤耕层总有机碳储库为0.2Pg。50～70年代土壤有机碳有所下降,自80年代实行土壤改良以来,江苏土壤有机碳储截存总体上有增加的趋势,其土壤的碳(C)截存速率可达27～350 g/(m^2·a)。因此,经营管理良好的农业实践对于提高陆地系统碳截存有重要意义。

湿地碳循环及其对环境变化的响应分析

对湿地碳储量、碳循环及其影响因素与环境变化的响应特征进行了综合分析。阐述了湿地生态系统是地球上重要的碳库，通过光合作用吸收大量的CO2。并将CO2转化为有机物碳，使其具有碳储量丰富、碳密度高等特点；但湿地资源的不合理开发和利用，改变了湿地环境。湿地由“碳汇”向“碳源”转化。湿地温室气体的排放又加剧了温室效应；全球气温升高、海平面上升及降水量的变化又对湿地分布及功能产生重大影响。指出合理控制湿地碳循环通量是保护湿地的关键。

人类活动对碳循环的影响

在地球系统中,海洋、大气和陆地以及其中的生命与非生命部分都存在着相互联系。人类正在以各种方式根本性地改变着地球的各种系统和循环。一个崭新的地质时代"人类世"不期而至。碳循环是一个极其复杂的地球化学循环过程,包括碳元素在各个储库的贮存和在不同储库之间的流通。不同时间尺度的碳的自然循环都保持着动态平衡状态。人类活动触动了这种平衡机制,成为当前全球碳循环变化的主要驱动因子。

发展龙江碳汇林业,有效应对气候变化

文章通过对全球气候变暖的原因分析,说明了发展碳汇林业是应对气候变化投入少、成本低的有效措施,在阐述国际应对气候变化所采取的行动的基础上,着重论述了黑龙江省在发展碳汇林业方面的优势。

浙江省首批浙林碳汇项目减排量开发集中交易

习近平总书记曾在参加首都义务植树活动时指出,森林是水库、钱库、粮库,现在应该再加上一个“碳库”。森林是陆地上最庞大的“碳储库”、最有效的生态系统增汇“吸收器”;林业碳汇是目前为止最经济、最直接、最便捷的“碳中和”方式。浙江省现有森林面积9300万亩,增汇效果最佳的乔木中幼林、竹林面积占比62.7%,碳汇总量大、单位面积增长率位居全国前列。

试分析国家储备林碳汇价值潜力

在全球背景下,伴随着工业化的飞速发展,人们在使用石油、煤炭的过程中,产生了大量的二氧化碳,这对全球的气候环境造成了极大的危害。减少碳排放,增加碳吸收是应对气候变化的重要方法。森林是最大的碳储库,在全球碳循环中起到极为重要的作用。推进国家储备林建设,能够有效适应我国关于碳达峰、碳中和的发展要求,能够为早日实现碳达峰、碳中和的这一目标作出贡献。

海洋“造林”的碳汇效率之争

在21世纪末实现温控2~1.5℃的目标,需要全球各国政府、企业和个人共同努力,采取积极的减排和增汇措施.据Berger等人[1]研究,在有效减排的前提下,2050年之前每年还需从大气中去除160亿吨二氧化碳(CO_(2))方能实现温控2℃之内的目标.海洋覆盖约71%的地球表面积,是地表系统中最大的碳储库,吸收了自工业革命以来约25%的人为CO_(2)[2],发挥着不可替代的碳汇功能.

化石有机碳风化及其生物地球化学循环效应

生命过程是地球物质循环有别于其他行星最重要的特征之一.生命过程的重要一环是碳基生物通过光合作用将大气CO_(2)转化为有机形式的碳化合物,并释放氧气(Derry, 2014).化石有机碳,亦称为岩石有机碳,是一类在漫长地质历史时期积累并石化在岩石圈中的独特有机碳.化石有机碳与碳酸盐为主的无机形式碳一起成为固体地球去气作用CO_(2)释放最主要的汇,共同组成地球系统的两大核心碳储库.

木材利用与气候变化

阐述气候变化的起因及对人类生产和生活的重要影响,以及森林,特别是木材利用在应对气候变化中的重要作用。分析增加木材利用存在的问题,结合国外所采取的应对措施和木材利用的发展趋势,提出加强我国木材利用的对策建议。

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CO_(2),导致大气中CO_(2)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(以下简称内陆区),导致内陆区的硅酸岩化学风化强烈,植被和湖相沉积发育,吸收了巨量大气CO_(2),是碳汇;在冰期,青藏高原、蒙古高原将内陆区表层淡水与尘埃最终输送到高纬度地区,导致内陆区荒漠化,对大气CO_(2)的吸收量远小于其自身的排放量,内陆区成为碳源,使大气CO_(2)浓度上升。这是中新世以来大气CO_(2)浓度维持低浓度、准动态平衡的机理。地表平均温度的变化驱动了淡水在高、低纬度地区之间循环。人类巨量碳排放使全球大气CO_(2)浓度暂时快速上扬,全球变暖,淡水回到内陆区,导致内陆区变绿,硅酸岩化学风化作用增强,吸收大气CO_(2)的能力大幅提高,内陆区又变成碳汇,抑制大气CO_(2)浓度的进一步上升;初步测算,最早2050年、最迟2090年,当大气CO_(2)浓度达到(510±40)×10^(-6)时,其快速上升的趋势将得到抑制;未来百年尺度的全球气候变化受地球和太阳内部的构造活动所驱动,是周期性变化的、是可预测。

海洋惰性溶解有机碳库与海侵黑色页岩

海洋是地球上重要的碳储库,是大气碳储库的50多倍,包括颗粒无机碳(particulate inorganic carbon,PIC)、溶解无机碳(dissolved inorganic carbon,DIC)、颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)和溶解有机碳(dissolved organic carbon,DOC)四大类[1].现代海洋的DOC库约为(662±32)×1015g碳[2],远大于POC库,占海洋总有机碳库的90%以上[3].根据生物可利用性.

中国海及邻近区域碳库与通量综合分析

中国海总面积约470万平方公里,纵跨热带、亚热带、温带、北温带等多个气候带.其中,南海北依"世界第三极"青藏高原、南邻"全球气候引擎"西太平洋暖池,东海拥有全球最宽的陆架之一,跨陆架物质运输显著,黄海是冷暖流交汇区域,渤海则是受人类活动高度影响的内湾浅海.中国海内有长江、黄河、珠江等大河输入,外邻全球两大西边界流之一的黑潮.这些鲜明的特色赋予了中国海碳储库和通量研究的典型代表意义.文章从不同海区(渤海、黄海、东海、南海)、不同界面(陆-海、海-气、水柱-沉积物、边缘海-大洋等),以及不同生态系统(红树林、盐沼湿地、海草床、海藻养殖、珊瑚礁、水柱生态系统等)多层面对海洋碳库与通量进行了较系统地综合分析,初步估算了各个碳库的储量与不同碳库间的通量.就海气通量而言,渤海向大气中释放CO_2约0.22Tg Ca^(-1),黄海吸收CO_2约1.15Tg Ca^(-1),东海吸收CO_2约6.92～23.30Tg Ca^(-1),南海释放CO_2约13.86～33.60Tg Ca^(-1).如果仅考虑海-气界面的CO_2交换,中国海总体上是大气CO_2的"源",净释放量约6.01～9.33Tg Ca^(-1).这主要是由于河流输入以及邻近大洋输入所致.河流输入渤黄海、东海、南海的溶解无机碳(DIC)分别为5.04、14.60和40.14Tg Ca^(-1),而邻近大洋输入DIC更是高达144.81Tg Ca^(-1),远超中国海向大气释放的碳量.渤海、黄海、东海、南海的沉积有机碳通量分别为2.00、3.60、7.40、7.49Tg Ca^(-1).东海和南海向邻近大洋输送有机碳通量分别为15.25～36.70和43.39Tg Ca^(-1).就生态系统而言,中国沿海红树林、盐沼湿地、海草床有机碳埋藏通量为0.36Tg Ca^(-1),海草床溶解有机碳(DOC)输出通量为0.59Tg Ca^(-1);中国近海海藻养殖移出碳通量0.68Tg Ca^(-1),沉积和DOC释放通量分别为0.14和0.82Tg Ca^(-1).总计,中国海有机碳年输出通量为81.72～103.17Tg Ca^(-1).中国海的有机碳输出以DOC形式为主,东海向邻近大洋输出的DOC通量约15.00～35.00Tg Ca^(-1),南海输出约31.39Tg Ca^(-1).综上,尽管从海-气通量看中国海是大气CO_2的"源",但考虑了河流、大洋输入、沉积输出以及微型生物碳泵(DOC转化输出)作用后,中国海是重要的储碳区.需要指出的是,文章数据是基于中国海各海区碳循环研究报道,鉴于不同研究方法上的差异,所得数据难免有一定的误差范围,亟待将来统一方法标准下的更多深入研究和分析.

水引发沉积碳从俯冲板片迁移至弧前地幔的实验约束

沉积碳酸盐中的碳在全球俯冲带碳输入量中占据主导,其俯冲命运影响着全球碳循环.在弧前深度,俯冲板片携带的水约32%通过板片脱水作用被释放,可能极大促进沉积碳迁移至弧前地幔.然而,在考虑外来含水流体渗透作用的前提下,板片在弧前区域释放的沉积碳量仍存在争议(极少量vs.大量).为探究在弧前深度含水流体对沉积碳迁移的影响程度,文章以碳酸盐为主的含水沉积物(1.14wt.%HO)和方辉橄榄岩为起始物质,在压力1.5GPa、温度600~1000℃条件下进行一系列不同时长的高温高压分层反应实验.此外,无水沉积物-方辉橄榄岩反应实验作为对比来观察水在沉积碳迁移中的作用.实验结果显示,在固相线之下的含水实验(600~900℃)中,(1)由于交代反应,在沉积物-橄榄岩交界处形成白云石+单斜辉石反应带;(2)沉积物层方解石Ca#(100×Ca/[Ca+Mg+Fe],摩尔比)随着靠近反应带显著降低;(3)在上层方辉橄榄岩层中出现新生白云石和韭闪石.以上现象均未在无水实验中观察到.在固相线之上的实验(1000℃)中,含水碳酸盐熔体与方辉橄榄岩之间的相互作用导致橄榄石+单斜辉石+韭闪石+CO反应带的形成.实验结果表明含水流体不仅能显著促进俯冲沉积物和上覆地幔楔橄榄岩之间的化学反应和成分交换,还能引发俯冲沉积碳迁移至弧前地幔.基于实验研究结果估计,全球约50%俯冲沉积碳在弧前深度被释放.释放的碳和水分别以碳酸盐(如白云石)和含水矿物(如韭闪石)的形式稳定存在于弧前地幔.这表明弧前地幔可能是一个重要的碳储库.研究为部分未通过弧火山返回大气的碳的命运提供了一种解释.

“双碳”目标下的林下经济

森林是陆地生态系统最大的碳储库,在全球碳循环过程中起着非常重要的作用,因此,植树造林成为抵消温室气体的有效路径。实现碳达峰与碳中和,是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,事关中华民族永续发展。“双碳”背景下,林业的地位和作用更加凸显,林业在国民经济和社会发展中的地位与作用也随之提高。