全球生命系统II 经济-生物地球化学循环

全球生命系统的能量流动 以光(太阳能)的形式进入地球开始 以热的形式从地球耗散出去结束 能量在全球系统中流动会存留、转化其中的一部分，大部分从系统中散失出去 总体平衡

洋流 大尺度 涌流使上下层水交换 热量输送 对气候的影响大 温度 降水 3

大气环流 最理想（受干扰少） 高低纬度之间 海陆之间 天气非周期变化 温度 降水 4

能量在全球生命系统中的流动 大气环流与洋流 降水对能量流动的影响 动物迁移引起的能量转移 人类活动引起的能量转移 讨论：枚举并分析 例子：北极燕鸥、鹬 人类活动引起的能量转移 讨论：枚举并分析 有用能量 有害能量

地形干扰下的大气环流

生物地球化学循环 在全球性地质大循环和地球化学背景上，由生物活动驱动的物质循环 人类修饰的循环 广义的生地化循环也包括能量 生物地球化学循环＝生物循环＋地球化学循环＋生物搬运 人类修饰的循环 经济生物地球化学循环＝生物循环＋地球化学循环＋生物搬运+人类经济驱动 广义的生地化循环也包括能量

生物地球化学循环 自然大类 水循环 气体型循环 沉积型循环 人类修饰的循环 人工合成物质循环 人类经济产品循环 “人造的”和“人造成的”区别

如何思考一个循环？ 物质类型和化学特点 循环路线 循环中存在和出现的问题 驱动：直接与间接因素 决定循环速度和库 源-库-流 圈层之间的大范围移动 循环中存在和出现的问题 自然不均衡 人类修饰的利弊 驱动：直接与间接因素

影响全球物质循环的因素 驱动因素 移动程度与物质自身属性 驱动者 太阳（能量） 人类 生物对物质的利用 动物携带物质的运动 人类使各种物质在新组织层次上的移动

全球水循环 海洋面积占地球表面70%以上，水量占绝对优势，液态水主要库（状态变量） 淡水的量很少，流通 水的主要循环路线 大循环与小循环 生物（特别是植被）在水循环中有巨大作用 人类驱动水循环

全球水循环 地球上液态水量2800年循环一次 如何计算循环速率？

讨论 江河断流 人类水需求 水的区域化管理 地下水管理 13

讨论：人类主导水循环 人类越来越大量的需要 局部地区水的管理计划可以影响整个地球：bottom-up 全球贸易（特别粮食，虚拟水） 水质下降 土地利用变化改变水循环

全球营养物质的气体型循环 储存库是大气和海洋，它把大气和海洋紧密相联，具有明显的全球性，流动速度快 碳循环 N循环 气体型循环容易在大范围内受到人类干扰——全球性公共产品

碳循环 循环路线 源-库-流: 源汇分析 人类干扰严重 人类主导 1。大气-植物-动物-分解-返回大气 2。大气圈-水圈 3。大气圈-岩石圈-水圈 源-库-流: 源汇分析 人类干扰严重 人类主导

+ + 海洋吸收CO2的化学过程（海洋酸化 ） + CO2 CO2 H2CO3 H2O HCO3- H+ HCO3- aaa 海洋吸收CO2的化学过程（海洋酸化 ） CO2 CO2 + H2CO3 H2O + HCO3- H+ HCO3- + CO3 - - CO3 - - CO3 - - CO3 - - 海洋表面酸度： 1750 (CO2=280ppm)： 8.2 (CO2=370ppm): 8.1 [H+]增加25% 2050 (CO2=560ppm): 7.9 [H+]增加100% pH = -log10[H+]

人类干扰碳循环 在经济驱动下，碳的生物地球化学循环变化加速了全球水循环 反馈作用于其他生物地球化学循环 对全球气候有所改变 人类活动引起的碳释放约占陆地或者海洋碳循环量的15% 由生物调控的进入大气的第三大碳释放源

全球碳循环

全球年均碳源和碳汇

世界主要国家和集团二氧化碳累计排放占全球累计排放的比例

甲烷 湿地，水稻田，反刍家畜 污水：污水处理厂与人工湿地

N循环 典型的气体型循环 循环路线 源-库-流 人类干扰严重 与C有何不同？

人类干扰N循环 陆地和海洋的全球氮循环。在过去一个世纪中，人类活动使得陆地生态系统和大气间的氮循环量增加了约一倍

人类主导N循环

N输入加速 “N输入”的含义： N2惰性， Nr算输入

生态-经济-社会 Dear Dr Chang, I am pleased to tell you that your article, "The role of technology and policy in mitigating regional nitrogen pollution", in Environmental Research Letters, Vol 6, pp014011 (2011), has been downloaded 500 times so far. This was achieved in 41 days from the date of publication. To put this into context, across all IOP journals 3% of articles were accessed over 500 times this year.

全球营养物质的沉积型循环 贮存库是岩石圈和土壤圈 沉积型循环的特点是缓慢而不完全，自然循环一旦被破坏，很难在生态学时间尺度内恢复 P循环 Ca循环 沉积型循环的特点是缓慢而不完全，自然循环一旦被破坏，很难在生态学时间尺度内恢复

P循环 典型的沉积型循环 未来生产力的限制因子

人类干扰P循环

S循环 半沉积循环 半？？型 火山爆发\矿石燃料燃烧\生物分解释放 大气中存留时间短,但产生酸雨危害水陆生物

人类干扰S循环

有毒有害物质的全球循环 天然的和人造的 杀虫剂\重金属\有机废物\放射性核素 循环过程复杂，不易移动和降解 还没有形成生物学的去除途径 不仅是负面的——否则人类不会生产

回顾：如何思考一个循环？ 物质类型和化学特点：三大类 循环路线：大尺度 循环中存在和出现的问题：从演化角度思考 驱动因子：从自然到人类