未來百年全球氣候變化分析

劉 焰

(中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037)

0 引言

隨著地表平均溫度和大氣CO2濃度的上升，北大西洋和部分陸地吸納大氣CO2的能力減弱[1-7]。數(shù)字模型計(jì)算也表明當(dāng)前地球已知碳儲(chǔ)庫的碳匯能力下降[2,8]，但人類碳排放還在增加，因此當(dāng)前主流觀點(diǎn)認(rèn)為人類巨量碳排放難以被地球所吸收，未來大氣CO2濃度將快速上揚(yáng)，溫室效應(yīng)大幅增強(qiáng)，造成難以預(yù)測、不可逆的氣候?yàn)?zāi)難[1-4,8-10]。然而，大量的調(diào)查及觀測結(jié)果表明，地表平均溫度的變化與人類碳排放之間并不是簡單的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如：人類在21世紀(jì)頭10 a排放了巨量的CO2，大氣CO2濃度快速上揚(yáng)，但地表平均溫度的上升卻非常緩慢，存在明顯的升溫中斷[11-12]；2020年，新冠疫情的突然爆發(fā)限制了人類活動(dòng)，導(dǎo)致人類的碳排放量大幅降低[13]，但地表平均溫度并沒有隨人類碳排放量的減少而降低。據(jù)世界氣象組織報(bào)道，2020年的地表平均溫度達(dá)到了14.9 ℃，比1850年約高1.2 ℃。這說明將地表平均溫度的變化簡單歸因于人類碳排放是有問題的。這就需要研究者跳出現(xiàn)有視野，從更高層次重新審視全球氣候-碳相互作用過程，為未來適應(yīng)和減緩氣候變化、人類命運(yùn)共同體的可持續(xù)發(fā)展提供新的科學(xué)依據(jù)。

主流觀點(diǎn)認(rèn)為：全球變暖會(huì)造成大陸冰川消融，淡水注入海洋，導(dǎo)致全球平均海平面快速上升，海水鹽度下降；全球變冷則海水里的巨量淡水被長距離輸送到大陸內(nèi)陸，形成固體冰川，使海平面下降，海水鹽度上升[2,4,8-10]。這種傳統(tǒng)的水循環(huán)模型強(qiáng)調(diào)淡水在大洋與兩極大陸冰川之間分配，與其他大陸無關(guān)。這一觀點(diǎn)無法解釋在全球變冷期間巨量淡水如何從大洋遷移到大陸內(nèi)部，以及當(dāng)前全球3 600萬km2的荒漠如何形成。例如8 000 a前，撒哈拉是水草豐盛的大平原，適宜人類居住，古人類在此留下了眾多遺跡，后來隨著全球變冷，撒哈拉才變成荒漠[14-15]。這就產(chǎn)生一個(gè)新問題，即當(dāng)前荒漠化地區(qū)大陸表層的淡水哪里去了。在北極格陵蘭島永久性冰川中發(fā)現(xiàn)了大量的黃土顆粒，證明了北極冰川中有大量的物質(zhì)并不是來自海洋，而是來自亞洲內(nèi)陸[16-17]。筆者提出“格陵蘭島冰川的形成是以亞洲內(nèi)陸荒漠化為代價(jià)”[18]，可以較好地解釋北極冰川中亞洲內(nèi)陸物質(zhì)的來源，但尚未深入探討巨量淡水遷移的機(jī)理。未來100 a大陸表層淡水的循環(huán)機(jī)制是當(dāng)前爭議比較大，也是社會(huì)大眾高度關(guān)注的另一個(gè)問題。

很早就有人認(rèn)識(shí)到了印度大陸與亞洲大陸的持續(xù)匯聚驅(qū)動(dòng)了全球氣候變化[19-22]。例如：青藏高原的形成和南海的張開改變了北半球的大氣環(huán)流，導(dǎo)致了印度季風(fēng)與東亞季風(fēng)的形成[19-21]；持續(xù)生長的青藏高原吸收了巨量CO2[18]，誘發(fā)了高緯度大陸冰川的形成[22-23]和中低緯度大陸內(nèi)陸的荒漠化[20-22]。因此，青藏高原及周邊地區(qū)是預(yù)測未來全球氣候變化后果的關(guān)鍵區(qū)域。但遺憾的是，當(dāng)前主流觀點(diǎn)對(duì)青藏高原及周邊區(qū)域的觀察與研究結(jié)果重視不夠，筆者認(rèn)為這是上述相關(guān)爭議產(chǎn)生的原因。為此，本文首先聚焦青藏高原及鄰近地區(qū)，深入剖析印度大陸與亞洲大陸持續(xù)匯聚的過程及其氣候效應(yīng)，在充分整合不同學(xué)科、不同區(qū)域觀測與研究成果的基礎(chǔ)上，預(yù)測未來百年內(nèi)全球氣候變化的影響，以期為未來巨量大氣CO2低成本移除技術(shù)的研發(fā)以及2060年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供新的科學(xué)依據(jù)。

1 亞洲大陸地質(zhì)概況

隨著印度大陸持續(xù)揳入亞洲大陸，亞洲南部地區(qū)的上地殼發(fā)生強(qiáng)烈的水平縮短[24-26]，下地殼增厚，在始新世與漸新世之交形成了海拔4 000 m的原西藏高原(圖1)[18,27-28]。

當(dāng)時(shí)全球地表平均溫度較高，中、低緯度地區(qū)降水豐沛，硅酸巖化學(xué)風(fēng)化極為強(qiáng)烈，原西藏高原內(nèi)部的山脈快速剝蝕，化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物就近堆積于原西藏高原的內(nèi)部和周邊[18,24-26]。巨量的化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物和動(dòng)植物體隨后被大型逆沖斷層掩埋[18,29-32]，與大氣圈脫離接觸，并轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓荚氐膸r漿(流體)和固體封存在高原內(nèi)部及周邊地區(qū)，使原西藏高原成為了新生的碳儲(chǔ)庫[18]，這是大氣CO2濃度在50萬a之內(nèi)快速下降500×10-6的主要原因[18]。南極永久性冰蓋因此形成[33]，地球再次進(jìn)入到冰期和間冰期交替發(fā)展的冰室氣候。

南極冰川在中新世以來的間冰期大幅萎縮[33]，大型湖相盆地分布于高原內(nèi)部[18,21,24,34]，在這些盆地內(nèi)部廣泛發(fā)育亞熱帶動(dòng)植物群[35-37]，原西藏高原成為了早期的亞洲水塔。隨著印度大陸持續(xù)北向揳入亞洲大陸，原西藏高原不斷向四周擴(kuò)張[18,25-26]：南部，喜馬拉雅山脈逐漸隆起；北部，可可西里、昆侖山脈、柴達(dá)木盆地、祁連山脈次第隆升；東部，龍門山脈形成；西北部，帕米爾高原逐漸形成(圖1)。南海張開之后，與原西藏高原共同促成了亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的形成；之后，天山等山脈開始大幅隆升，塔里木盆地成為亞洲大陸內(nèi)部的一個(gè)大型盆地。

高緯度地區(qū)大陸冰川在中新世以來的冰期大幅向中緯度地區(qū)擴(kuò)張[21,33]，此時(shí)，包括青藏高原、蒙古高原在內(nèi)的中、低緯度大陸地區(qū)的湖泊大幅萎縮，大部分干涸或變成鹽湖，湖相沉積匱乏，廣泛發(fā)育沉積間斷[18,21,34,38-42]。中國大陸植被分布也發(fā)生顯著變化，亞熱帶植被從秦嶺之北南撤至華南，青藏高原的森林植被大幅向東南方向退縮[35,37-38]，蒙古高原內(nèi)部只剩下少量耐寒耐旱植被[38]。中國的大陸東部和臺(tái)灣島、日本等地廣泛出現(xiàn)黃土堆積[21,43]，亞洲內(nèi)陸發(fā)育大型沙漠群，例如，塔里木盆地內(nèi)部的塔克拉瑪干沙漠在第四紀(jì)的昆侖冰期最終成型[44-45]，充分反映了中、低緯度陸地表層嚴(yán)重脫水，逐漸變成荒漠。

圖1 亞洲季風(fēng)-地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻(xiàn)[18,21,24-26]修編)Fig.1 Sketch of Asian monsoon and geology(modified by [18,21,24-26])

筆者在近期的地質(zhì)調(diào)查工作中發(fā)現(xiàn)了更多的火成碳酸巖產(chǎn)出于青藏高原:藏南地區(qū)的火成碳酸巖多呈巖脈、巖體產(chǎn)出于張性斷裂帶(裂谷帶)中，常與含紅柱石的低溫淡色花崗巖共生;藏北地區(qū)的火山碳酸熔巖廣泛產(chǎn)出于裂谷帶中。這進(jìn)一步證實(shí)了青藏高原是一個(gè)新生的碳儲(chǔ)庫[18]，其深部賦存有豐富的CO2熔/流體。

2 北半球大陸表層水汽循環(huán)機(jī)理

2.1 間冰期水汽循環(huán)機(jī)理

間冰期地表平均溫度較高，空氣攜帶的水汽更多，形成暖濕氣流。青藏高原、蒙古高原升溫速率快，成為熱源[19-21]，高原上部的空氣被加熱，在東亞中、低緯度地區(qū)上空存在一個(gè)巨型負(fù)壓區(qū)域(圖2(a))。此時(shí)海洋表層溫度較高，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，例如，大西洋、南海與孟加拉海強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用導(dǎo)致在海平面附近形成了富含水汽的暖濕氣流團(tuán)，中國大陸的印度季風(fēng)、東亞季風(fēng)和西風(fēng)在這兩方面共同作用下大幅增強(qiáng)[19-21,39-42](圖1)。此時(shí)，北極與赤道之間的溫度差大幅下降，冬季風(fēng)大幅減弱[19-21]。因此在間冰期，青藏高原和蒙古高原如同巨型抽水機(jī)，將巨量淡水從溫暖的海洋表層源源不斷地輸送到遠(yuǎn)離海洋的亞洲大陸腹地(圖1、圖2(a))。

2.2 冰期水汽循環(huán)機(jī)理

冰期地表平均溫度和空氣中的水汽含量較低，形成干冷氣流。此時(shí)高原迅速降溫，造成高原上部空氣冷卻下沉(圖2(b))。因此北半球有2個(gè)冷源，一是青藏高原，另一則為西伯利亞和蒙古高原。同時(shí)，北極與赤道之間的溫差擴(kuò)大，冬季風(fēng)因此大幅增強(qiáng)。強(qiáng)勁的冬季風(fēng)從西伯利亞南下(圖1)，經(jīng)過蒙古高原時(shí)得到進(jìn)一步增強(qiáng)[19-21,46-47]，東亞中、低緯度區(qū)存在廣闊的高壓區(qū)域(圖2(b))，這時(shí)海水的蒸發(fā)作用比較弱，在這兩方面共同作用下暖濕氣流只能短暫停留在中國大陸東南緣和西北緣，難以深入到中國大陸腹地[19-21,46-47]。干冷氣流常常從西北向東南橫掃中國大陸及鄰區(qū)(圖1、圖2(b))，造成中國大陸長期干旱，糧食常常絕收[43,48]。干冷氣流(東)南下途中持續(xù)吸收下墊面的熱量，自身溫度升高，因此能夠裹挾大量亞洲內(nèi)陸的水汽與沙塵，在地球自轉(zhuǎn)作用下向東經(jīng)中國臺(tái)灣、日本等島嶼進(jìn)入到太平洋，在那里再借助北向流動(dòng)的上升氣流，最終將亞洲內(nèi)陸的水汽、黃土經(jīng)北太平洋輸送到北極(圖1)，誘發(fā)了亞洲中、低緯度地區(qū)的荒漠化[18]，這是黃土能堆積在中國臺(tái)灣、日本、阿拉斯加等地[21,37-38,43]的原因。此時(shí)，高緯度地區(qū)降水較為豐沛(圖2(b))，氣候寒冷潮濕[43,48]，即地表平均溫度的變化驅(qū)動(dòng)了淡水在高、低緯度地區(qū)之間的循環(huán)(圖2)。

(a)間冰期大氣環(huán)流模式 (b)冰期大氣環(huán)流模式圖2 間冰期和冰期大氣環(huán)流示意圖 (據(jù)文獻(xiàn)[19-21,48]修編)Fig.2 Sketch of atmospheric circulation during interglacial and glacial periods(modified by [19-21,48])

3 大氣CO2濃度變化機(jī)理討論

3.1 歷史時(shí)期大氣CO2濃度變化機(jī)制

65萬a至工業(yè)革命之前，大氣CO2濃度變化呈現(xiàn)低濃度、振蕩走低的趨勢[49]：間冰期CO2濃度最高不超過300×10-6，冰期時(shí)則沒有低于180×10-6，總體朝著180×10-6緩慢收斂，表明地球正朝著冰雪覆蓋的星球(雪球)轉(zhuǎn)變(圖3)。

圖3 晚更新世以來大氣CO2濃度變化(據(jù)文獻(xiàn)[49]修編，冰期、間冰期資料引自[50-51])Fig.3 Atmospheric CO2 concentration change in Late Pleistocene(modified by[49],glacial and interglacial periods by [50-51])

主導(dǎo)歷史時(shí)期大氣CO2濃度變化的機(jī)制如下。

中、低緯度地區(qū)的表層淡水在冰期被輸送到高緯度地區(qū)(圖2(b))形成固體冰川，全球陸地表層流體狀態(tài)的淡水資源因此大幅減少，造成陸地植被面積縮小，荒漠化面積增加。硅酸巖以物理風(fēng)化為主，化學(xué)風(fēng)化極弱。內(nèi)陸表層土壤、細(xì)粒湖相沉積物中的有機(jī)碳常被氧化成CO2，青藏高原內(nèi)部的張性斷裂帶(圖1)持續(xù)釋放大量的CO2[18]，即包括青藏高原在內(nèi)的中、低緯度地區(qū)的荒漠以釋放CO2為主，是碳源，這是大氣CO2濃度接近180×10-6時(shí)就不再下降(圖3)轉(zhuǎn)而上升的原因。大氣CO2濃度上升，地表平均溫度升高，高緯度大陸冰川融化，基巖裸露地表重新接受化學(xué)風(fēng)化，同時(shí)森林植被又重新出現(xiàn)在高緯度冰川地區(qū)，兩者共同消耗大量的大氣CO2。此時(shí)，巨量淡水被輸送到中、低緯度荒漠化的區(qū)域(圖1、圖2(a))，使其森林植被面積快速增加，光合作用增強(qiáng)，硅酸巖化學(xué)風(fēng)化速率大幅提高，使中低緯度地區(qū)從碳源轉(zhuǎn)變?yōu)樘紖R，這是自然界大氣CO2濃度難以超過300×10-6并隨后快速下降(圖3)的主要原因。青藏高原還在持續(xù)生長，頻繁發(fā)生的大地震將硅酸巖化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物和動(dòng)植物體輸送到高原內(nèi)部圈閉起來，與大氣圈隔離[18]，這是大氣CO2濃度在最近60萬a之間緩慢下降22×10-6[49]的原因(圖3)。持續(xù)生長的青藏高原推動(dòng)地球朝著雪球轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步佐證了印度大陸與亞洲大陸的持續(xù)匯聚驅(qū)動(dòng)了全球氣候變化。

3.2 未來百年陸地碳匯主要影響因素討論

人類巨量碳排放打破了工業(yè)革命之前大氣CO2濃度的變化范圍[49]，未來百年內(nèi)人類能否阻止大氣CO2濃度的快速上揚(yáng)是當(dāng)前社會(huì)高度關(guān)注的問題。鑒于陸地碳匯量與地表平均溫度、降水量等因素密切相關(guān)，因此需先估算這些因素，才能進(jìn)一步深入探討該問題。

3.2.1 地表平均溫度變化分析

地表平均溫度的變化與太陽內(nèi)部的構(gòu)造活動(dòng)、溫室氣體濃度、地球軌道參數(shù)以及火山噴發(fā)等因素有密切的聯(lián)系。

太陽內(nèi)部的構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致到達(dá)地表的太陽能量呈現(xiàn)周期性變化，這是地表平均溫度發(fā)生劇烈變化的主要因素。常用太陽黑子活動(dòng)周期表征這種周期性的變化：當(dāng)太陽黑子周期較長，太陽不活躍(太陽變冷)，到達(dá)地表的能量偏低，地表平均溫度顯著下降[11-12,48]；當(dāng)太陽活躍時(shí)(太陽變暖)時(shí)，到達(dá)地表的能量偏高，地表平均溫度顯著上升[11-12,48]。

大氣CO2是重要的溫室氣體，其濃度越高，溫室效應(yīng)越強(qiáng)，地表平均溫度會(huì)相應(yīng)升高。

考慮未來百年尺度地球軌道參數(shù)不會(huì)發(fā)生大的變化，本文忽略軌道參數(shù)對(duì)地表平均溫度變化的影響。

巨型火山噴發(fā)可誘發(fā)火山冬天，使太陽能量無法順利到達(dá)地表，地表平均溫度快速降低。例如，1815年的坦博拉火山大噴發(fā)就導(dǎo)致1816年地表平均溫度下降了3～4 °C[52-53]，顯示地球內(nèi)部的構(gòu)造活動(dòng)可以直接影響全球氣候變化。但目前還難以準(zhǔn)確預(yù)測巨型火山何時(shí)再噴發(fā)，因此本文假定未來100 a內(nèi)不發(fā)生坦博拉式的巨型火山噴發(fā)，在這個(gè)前提下討論地表平均溫度的變化。

2000—2019年，太陽變冷[11-12,48]，到達(dá)地表的太陽能量偏低，地表平均溫度理論上應(yīng)該下降，但由于這段時(shí)間大氣CO2濃度持續(xù)升高[2]，溫室效應(yīng)大幅增強(qiáng)，最終地表平均溫度變化不大，但存在明顯的升溫中斷[11-12]。2020—2050年，太陽又將進(jìn)入新的活躍期[11-12,48]。當(dāng)前大氣CO2濃度已經(jīng)突破410×10-6，并且還在持續(xù)增加，2050年時(shí)的大氣CO2濃度較高、溫室效應(yīng)較強(qiáng)，兩強(qiáng)疊加使未來30 a的地表平均溫度大幅上升。初步估算[11-12,54]，到2050年時(shí)，地表平均溫度還將上升1.5～2.0 ℃。2050年之后，太陽又將進(jìn)入新的變冷期[48]，但那時(shí)大氣CO2濃度更高，溫室效應(yīng)更強(qiáng)，可以部分抵消太陽能量下降對(duì)地表溫度的影響。因此本文推測在2050年之后，地表平均溫度的下降幅度不大，能夠維持在16～17 ℃之間，使地球再次回到了上新世(距今330萬a前)大間冰期的氣候環(huán)境。太陽內(nèi)部的構(gòu)造活動(dòng)驅(qū)動(dòng)了百年尺度的地表平均溫度變化，這就是2020年人類碳排放急劇下降[13]，但地表平均溫度相比1850年依然大幅上揚(yáng)的原因。

3.2.2 內(nèi)陸地區(qū)降水量和植被討論

前已指出，未來百年的氣候環(huán)境與上新世間冰期的氣候相似，本文遵循“以古鑒今”的研究思路，結(jié)合上新世以來間冰期的古年降水量數(shù)據(jù)和古植被(化石)資料等預(yù)測未來百年內(nèi)陸地區(qū)的降水量和植被面積。

古植物化石與現(xiàn)今植物的對(duì)比研究顯示，青藏高原西部海拔4 200 m的地區(qū)在上新世大間冰期為亞熱帶雨林氣候，年降水量高達(dá)600～700 mm，廣泛生長著亞熱帶雨林植物[36-37]；而現(xiàn)今青藏高原西部海拔4 200 m的地區(qū)卻為荒漠區(qū)，年降水量只有幾十毫米，是典型的干冷氣候環(huán)境[36]。高原其他地區(qū)，例如昆侖山脈北坡，在上新世間冰期同樣發(fā)育大量的森林植被，年降水量可達(dá)800 mm[35,37]。

現(xiàn)代的柴達(dá)木盆地屬于典型的干冷氣候地區(qū)，年降水量不到50 mm，鹽湖發(fā)育，植被匱乏；但在3萬～4萬a前的間冰期 (MIS3階段)柴達(dá)木盆地屬于大型淡水湖區(qū)，大型喬木發(fā)育，年降水量高達(dá)350 mm[21,47,55]。柴達(dá)木盆地東側(cè)的青海湖也同樣經(jīng)歷了由大型淡水湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)橄趟倪^程[55]。

青藏高原西北側(cè)荒漠化的塔里木盆地(圖1)在上新世晚期—早更新世期間為大型內(nèi)陸淡水湖泊，廣泛發(fā)育河湖相沉積巖，降水豐沛，直到中更新世全球急劇降溫、降水量快速減少之后，才逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪畢^(qū)[21,44-45]?，F(xiàn)今青藏高原北東側(cè)的騰格里、巴丹吉林等大型沙漠在過去的間冰期均多次發(fā)生大幅萎縮事件，森林植被曾多次在這些現(xiàn)今的荒漠地區(qū)快速擴(kuò)張[55-57]。

在形成于寒冷干旱條件下的黃土高原發(fā)現(xiàn)了多層形成于溫暖濕潤環(huán)境的古土壤夾層[39,55]，反映在間冰期降水量較大，在風(fēng)成黃土之上多次形成沼澤-濕地，繼而發(fā)育了有機(jī)質(zhì)豐富的古土壤[42,58]。

在20世紀(jì)60年代，拉薩的年降水量僅為400 mm[59]，但當(dāng)前已突破560 mm。高原冰川總面積正在擴(kuò)大，高原湖泊水位顯著上漲，空氣更加濕潤[18]。今日青藏高原北部的那曲、中西部的定日與獅泉河等地已經(jīng)可以看到室外生長的松樹等大型喬木。毛烏素沙漠森林覆蓋率大幅提高[60-61]，反映隨著地表平均溫度和大氣CO2濃度的上升，森林植被正在內(nèi)陸荒漠地區(qū)快速擴(kuò)張。

長周期的歷史記錄和短周期的現(xiàn)今觀測數(shù)據(jù)均反映全球地表平均溫度的變化驅(qū)動(dòng)了淡水在高、低緯度之間的循環(huán)(圖2)。全球地表平均溫度越高，中、低緯度內(nèi)陸地區(qū)的降水量越大(圖2(a))，兩者大體呈正相關(guān)，森林植被快速擴(kuò)張，即“暖濕化”現(xiàn)象[39-42]。因此，本文認(rèn)為在2050年時(shí)，中國大陸沙漠面積快速縮小，森林和濕地面積快速擴(kuò)張。

3.2.3 未來百年全球大氣CO2濃度分析

為探討未來百年大氣CO2濃度，需估算未來百年內(nèi)陸地區(qū)碳匯量。本文采用上新世以來間冰期的地質(zhì)記錄作為邊界條件計(jì)算未來內(nèi)陸地區(qū)的碳匯。需要說明的是，本計(jì)算只計(jì)算堆積和埋藏在大陸內(nèi)部、消耗大氣CO2之后新形成的產(chǎn)物，包括動(dòng)植物體和新生碳酸鹽礦物，未計(jì)算封存于大陸架上、來源于陸地的有機(jī)碳[62]。計(jì)算公式為

Q=ρvS(Corg+Cinorg)+q。

(1)

式中：ρ為區(qū)域表層的平均密度，t/m3;v是區(qū)域內(nèi)碳平均年埋藏速率,mm/a；S為區(qū)域面積，萬km2;Corg為該區(qū)域內(nèi)地表下消耗大氣CO2后新生成的有機(jī)碳含量，按C計(jì)量,%;Cinorg是地表下消耗大氣CO2后新形成的無機(jī)碳含量，按CO2計(jì)量,%;q為區(qū)域地表上植被通過光合作用吸收大氣CO2的量，按C計(jì)量。

碳的平均年埋藏速率(v)是指某一區(qū)域在一年時(shí)間里凈埋藏CO2的速率。例如,山體滑坡、泥石流等將森林植被和通過硅酸巖化學(xué)風(fēng)化作用新生成的碳酸鹽巖快速埋藏在陸地的某一區(qū)域內(nèi)，可計(jì)算出這一區(qū)域內(nèi)碳的平均埋藏速率；洪水可將大量的森林植被和新生成的碳酸鹽礦物埋藏在河道及兩側(cè)，同樣可計(jì)算出這一區(qū)域內(nèi)碳的平均埋藏速率?？煞謩e用年平均沉積速率、森林蓄積量近似代替碳的平均年埋藏速率和q值。本文計(jì)算所采用的邊界條件如下：

中國境內(nèi)有540萬km2的高寒區(qū)和荒漠、半荒漠區(qū)(胡煥庸線西北側(cè)，按56%的國土面積計(jì)算，表1)。如前所述，隨著全球地表平均溫度和大氣CO2濃度的進(jìn)一步上升和全球降水模式的轉(zhuǎn)變，2050年中、低緯度地區(qū)的荒漠、半荒漠向森林、濕地或沼澤轉(zhuǎn)變[18,21,48]，有機(jī)碳和無機(jī)碳的埋藏速率增加，內(nèi)陸區(qū)成為碳匯。

表1 2050年中、低緯度內(nèi)陸區(qū)大氣CO2吸收量估算Tab.1 Atmospheric CO2 absorbability in inland regions of middle-low latitude in 2050

硅酸巖化學(xué)風(fēng)化速率、山脈剝蝕速率、植被覆蓋面積、光合作用強(qiáng)度與地表平均溫度、降水量及大氣CO2濃度呈正相關(guān)[63-64]。如前所述，未來全球地表平均溫度、大氣CO2濃度和降水量的升高將大幅增強(qiáng)中國大陸的硅酸巖化學(xué)風(fēng)化速率[59,63-66]，進(jìn)而提高碳埋藏速率。孫愛芝等[58]報(bào)道了海原斷裂帶附近全新世大暖期的碳埋藏速率高達(dá)1.5 mm/a，柴達(dá)木盆地上新世間冰期的碳埋藏速率至少為1.0 mm/a[65-66]；袁廣祥等[67]的估算顯示了2000年發(fā)生的易貢大滑坡的碳埋藏速率高達(dá)149.0 mm/a。因此，本文將喜馬拉雅前陸盆地、藏東南地區(qū)納入碳匯估算(表1)。雖然碳的埋藏速率在穩(wěn)定的盆地中心較低，例如塔里木盆地腹地間冰期的碳埋藏速率只有0.3～0.4 mm/a[68]，但塔里木盆地周緣地區(qū)間冰期的年碳埋藏速率相對(duì)較高，為0.8～1.0 mm/a[69-70]。蒙古高原在溫暖時(shí)期的年碳埋藏速率同樣比較高[71]?？紤]到中國大陸活動(dòng)斷裂發(fā)育(圖1)，未來在高降水量的影響之下，泥石流、山體滑坡更加頻繁發(fā)生[72-73]，這會(huì)導(dǎo)致2050年時(shí)的碳埋藏速率比現(xiàn)今更高。因此，本文取其平均值1.0 mm/a進(jìn)行估算(表1)。

前人觀測數(shù)據(jù)表明，若地表植被發(fā)育，則有機(jī)碳埋藏速率高[24,62,65-66]。依據(jù)各地地質(zhì)歷史溫暖期沉積地層的實(shí)測數(shù)據(jù)[58-71]，考慮2050年時(shí)地表植被茂盛，泥石流、山體滑坡頻繁發(fā)生[72-73]，本文取平均值進(jìn)行估算：40%無機(jī)碳Cinorg按CO2計(jì)量；10%有機(jī)碳Corg按C計(jì)量，兩者換算成總碳量為76%(按CO2計(jì))；沉積層密度ρ按2.2 t/m3計(jì)算(表1)。需要說明的是由于本文計(jì)算已充分考慮了泥石流、洪水等掩埋了部分地表植被，為避免重復(fù)計(jì)算，暫不考慮q值，這導(dǎo)致本文估算結(jié)果偏低。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可估算出2050年時(shí)，中國大陸胡煥庸線的西北側(cè)每年可吸收90.29億t大氣CO2(表1)。另，本文研究認(rèn)為東起蒙古高原，經(jīng)喜馬拉雅山脈及前陸盆地、帕米爾高原，西至伊朗高原、阿拉伯半島(不含中國大陸)的中亞廣大地區(qū)在2050年時(shí)降水豐沛，植被發(fā)育。這些地區(qū)受印度大陸與亞洲大陸持續(xù)匯聚作用的影響較大，活動(dòng)斷裂發(fā)育，地震頻繁發(fā)生，因此本文對(duì)這些地區(qū)的取值與當(dāng)前中國大陸荒漠區(qū)的取值相同，其在2050年時(shí)的年吸收大氣CO2的量可達(dá)284.24億t(表1)。同理，本文假設(shè)非洲的撒哈拉沙漠、印度大陸西南部的沙漠、澳大利亞的荒漠以及美國內(nèi)華達(dá)沙漠在2050年時(shí)的森林植被面積擴(kuò)大?？紤]這些地區(qū)地勢平坦、地殼活動(dòng)性弱，因此埋藏速率按0.3～0.4 mm/a進(jìn)行估算，這些地區(qū)的大氣CO2年吸收量為75.24億t(表1)，即中低緯度地區(qū)現(xiàn)今荒漠化的區(qū)域和喜馬拉雅前陸盆地等地區(qū)，未來大氣CO2的年吸收量約為450億t(表1)。

因此在2050年前后，當(dāng)大氣CO2濃度達(dá)到(470～480)×10-6，有望平衡人類的碳排放，大氣CO2濃度將不再大幅上揚(yáng)。需要指出的是，本文估算的前提條件是現(xiàn)今全球荒漠區(qū)全部變成沼澤或濕地，如果屆時(shí)森林植被未完全覆蓋這些區(qū)域，則本文估算的誤差較大。為此，本文做另一估計(jì)，假設(shè)2090年前后的地表平均溫度不低于2050年的，屆時(shí)大氣CO2濃度將達(dá)到(500～550)×10-6，森林植被可完全覆蓋現(xiàn)今中、低緯度荒漠區(qū)，自然碳匯可以與人類碳排放達(dá)到新的平衡，大氣CO2濃度將不再大幅上揚(yáng)。

為進(jìn)一步評(píng)估本文估算結(jié)果的合理性，本文與其他方法獲得的大陸碳匯量進(jìn)行了對(duì)比分析。據(jù)最近發(fā)表的中國大陸碳匯估算結(jié)果[74]：胡煥庸線之東南側(cè)的陸地每年吸收CO2約40億t，這一區(qū)域目前的森林覆蓋較好，所以吸收大氣CO2的量比較大；而胡煥庸線之西北側(cè)荒漠區(qū)的吸收量則可以忽略不計(jì)，反映陸地森林覆蓋越好，碳匯量就越大。本文詳細(xì)討論了未來隨著地表平均溫度和大氣CO2濃度的上升，胡煥庸線之西北側(cè)新生的森林面積將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前胡煥庸線之東南側(cè)的森林面積。此外，青藏高原及鄰區(qū)活動(dòng)斷裂發(fā)育(圖1)，導(dǎo)致這一區(qū)域的硅酸巖化學(xué)風(fēng)化速率在相同的溫度、降水量等邊界條件下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于胡煥庸線東南地區(qū)[67]。更重要的是，胡煥庸線之西北側(cè)多為內(nèi)陸地區(qū)，碳就地埋藏速率高，進(jìn)入海洋的碳遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于胡煥庸線之東南側(cè)的。這3個(gè)因素疊加，將導(dǎo)致未來胡煥庸線之西北側(cè)的碳匯量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)今中國大陸碳匯量[74]，初步估算應(yīng)該是后者的兩倍有余，即本文的預(yù)測結(jié)果是合理的。

當(dāng)前大氣CO2濃度以每年2.3×10-6的速率快速上升[2]，這是由于當(dāng)前全球地表平均溫度還比較低、內(nèi)陸地區(qū)降水量太少、森林植被較為匱乏。例如，2000—2010年地表平均溫度存在明顯的升溫中斷[11-12]，巨量淡水難以輸送到內(nèi)陸地區(qū)，造成內(nèi)陸地區(qū)吸收大氣CO2的能力較弱。未來30 a，全球地表平均溫度將大幅上揚(yáng)，巨量淡水能夠被輸送到內(nèi)陸荒漠地區(qū)，使內(nèi)陸地區(qū)森林植被快速擴(kuò)張，屆時(shí)全球大氣CO2濃度上升速率將會(huì)逐步下降。人類巨量碳排放雖然讓當(dāng)前全球大氣CO2濃度暫時(shí)突破了過去60萬 a以來的波動(dòng)范圍[49]，但未來全球大氣CO2濃度的變化依然要遵循自然規(guī)律，不會(huì)無限制地快速大幅上揚(yáng)。

4 結(jié)論

地表平均溫度的變化驅(qū)動(dòng)了淡水在高、低緯度地區(qū)之間的循環(huán)。人類巨量碳排放不會(huì)導(dǎo)致未來大氣CO2濃度無限快速上揚(yáng)，到2050—2090年時(shí)，大氣CO2濃度達(dá)到(510±40)×10-6，基本保持穩(wěn)定。因此，本文認(rèn)為未來百年尺度的氣候變化是可預(yù)測的、是周期性變化的，它受制于地球與太陽內(nèi)部的構(gòu)造活動(dòng)。

致謝：王猛、楊耀、苑婷媛、伍連東分別參加了前期調(diào)查與研究工作，野外工作得到了西藏地質(zhì)調(diào)查研究院的大力支持與幫助，審稿人和編輯多次的修改與評(píng)論大幅提升了本文論述水平，在此表示衷心的感謝。