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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>
H2CO3>
HCO3->
CO32-）、造林（北美：
1850’s~20%
-today~80%；
北半球：
0.5GtonsC/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（x1015PgC）
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–100Pg
C
呼吸–100PgC
耗氧
厌氧–发酵
海洋溶解–1.6PgC
化石燃料使用–5.0PgC
生物物质的燃烧–1.8PgC
大气CO2的输入与输出平衡
输入：
呼吸=100（x1015gC/yr）
化石燃料燃烧=5.0（x1015gC/yr）
生物物质燃烧=1.8（x1015gC/yr）
106.8
输出：
海洋吸收=1.6
（x1015gC/yr）
光合作用=100（x1015gC/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。
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
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3×
1011kg（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45×
1010kga-1，总源强为50×
1010kga-1，相差5×
1010kga-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。
<
5℃或40℃>
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N2O1.4~2.6Tg。
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0.05-5.0KgN2O-Nhm-2a-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0.5TgN。
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0.1-0.3TgN/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4.2×
104吨尼龙可能产生20GgN2O-N，合成氨、硝酸和尿素的生产N2O的排放量分别为21，3.2和4.8GgN2O-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：
Wm-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%
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