碳循環(huán)

基本簡(jiǎn)介

　　地球上最大的兩個(gè)碳庫(kù)是巖石圈和化石燃料，含碳量約占地球上碳總量的99.9%。這兩個(gè)庫(kù)中的碳活動(dòng)緩慢，實(shí)際上起著貯存庫(kù)的作用。地球上還有三個(gè)碳庫(kù)：大氣圈庫(kù)、水圈庫(kù)和生物庫(kù)。這三個(gè)庫(kù)中的碳在生物和無(wú)機(jī)環(huán)境之間迅速交換，容量小而活躍，實(shí)際上起著交換庫(kù)的作用。

　　碳在巖石圈中主要以碳酸鹽的形式存在，總量為2.7×1016t；在大氣圈中以二氧化碳和一氧化碳的形式存在，總量有2×1012t；在水圈中以多種形式存在在生物庫(kù)中則存在著幾百種被生物合成的有機(jī)物。這些物質(zhì)的存在形式受到各種因素的調(diào)節(jié)。

　　在大氣中，二氧化碳是含碳的主要?dú)怏w，也是碳參與物質(zhì)循環(huán)的主要形式。在生物庫(kù)中，森林是碳的主要吸收者，它固定的碳相當(dāng)于其他植被類(lèi)型的2倍。森林又是生物庫(kù)中碳的主要貯存者，貯存量大約為4.82×1011t，相當(dāng)于大氣含碳量的2/3。

　　植物、可光合作用的微生物通過(guò)光合作用從大氣中吸收碳的速率，與通過(guò)生物的呼吸作用將碳釋放到大氣中的速率大體相等，因此，大氣中二氧化碳的含量在受到人類(lèi)活動(dòng)干擾以前是相當(dāng)穩(wěn)定的。

　　考慮到大自然火災(zāi)，植物等造成的碳固化要多于動(dòng)物等造成的碳?xì)饣?。石油煤炭是碳固化過(guò)剩的一種副產(chǎn)品。

基本過(guò)程

　　自然界碳循環(huán)的基本過(guò)程如下：大氣中的二氧化碳（CO2）被陸地和海洋中的植物吸收，然后通過(guò)生物或地質(zhì)過(guò)程以及人類(lèi)活動(dòng)，又以二氧化碳的形式返回大氣中。

　　生物和大氣之間的循環(huán)

　　綠色植物從空氣中獲得二氧化碳，經(jīng)過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，再綜合成為植物體的碳化合物，經(jīng)過(guò)食物鏈的傳遞，成為動(dòng)物體的碳化合物。植物和動(dòng)物的呼吸作用把攝入體內(nèi)的一部分碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳釋放入大氣，另一部分則構(gòu)成生物的機(jī)體或在機(jī)體內(nèi)貯存。動(dòng)、植物死后，殘?bào)w中的碳，通過(guò)微生物的分解作用也成為二氧化碳而最終排入大氣。大氣中的二氧化碳這樣循環(huán)一次約需20年。

　　一部分（約千分之一）動(dòng)、植物殘?bào)w在被分解之前即被沉積物所掩埋而成為有機(jī)沉積物。這些沉積物經(jīng)過(guò)悠長(zhǎng)的年代，在熱能和壓力作用下轉(zhuǎn)變成礦物燃料──煤、石油和天然氣等。當(dāng)它們?cè)陲L(fēng)化過(guò)程中或作為燃料燃燒時(shí)，其中的碳氧化成為二氧化碳排入大氣。人類(lèi)消耗大量礦物燃料對(duì)碳循環(huán)發(fā)生重大影響。

　　一方面沉積巖中的碳因自然和人為的各種化學(xué)作用分解后進(jìn)入大氣和海洋；另一方面生物體死亡以及其他各種含碳物質(zhì)又不停地以沉積物的形式返回地殼中，由此構(gòu)成了全球碳循環(huán)的一部分。碳的生物循環(huán)雖然對(duì)地球的環(huán)境有著很大的影響，但是從以百萬(wàn)年計(jì)的地質(zhì)時(shí)間上來(lái)看，緩慢變化的碳的地球化學(xué)大循環(huán)才是地球環(huán)境最主要的控制因素。

　　大氣和海洋之間的交換

　　二氧化碳可由大氣進(jìn)入海水，也可由海水進(jìn)入大氣。這種交換發(fā)生在氣和水的界面處，由于風(fēng)和波浪的作用而加強(qiáng)。這兩個(gè)方向流動(dòng)的二氧化碳量大致相等，大氣中二氧化碳量增多或減少，海洋吸收的二氧化碳量也隨之增多或減少。

　　含碳鹽的形成和分解

　　大氣中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成為碳酸，碳酸能把石灰?guī)r變?yōu)榭扇軕B(tài)的重碳酸鹽，并被河流輸送到海洋中，海水中接納的碳酸鹽和重碳酸鹽含量是飽和的。新輸入多少碳酸鹽，便有等量的碳酸鹽沉積下來(lái)。通過(guò)不同的成巖過(guò)程，又形成為石灰?guī)r、白云石和碳質(zhì)頁(yè)巖。在化學(xué)和物理作用（風(fēng)化）下，這些巖石被破壞，所含的碳又以二氧化碳的形式釋放入大氣中?；鹕奖l(fā)也可使一部分有機(jī)碳和碳酸鹽中的碳再次加入碳的循環(huán)。碳質(zhì)巖石的破壞，在短時(shí)期內(nèi)對(duì)循環(huán)的影響雖不大，但對(duì)幾百萬(wàn)年中碳量的平衡卻是重要的。

　　人類(lèi)活動(dòng)

　　人類(lèi)燃燒礦物燃料以獲得能量時(shí)，產(chǎn)生大量的二氧化碳。從1949年到1969年，由于燃燒礦物燃料以及其他工業(yè)活動(dòng)，二氧化碳的生成量估計(jì)每年增加4.8%。其結(jié)果是大氣中二氧化碳濃度升高。這樣就破壞了自然界原有的平衡，可能導(dǎo)致氣候異常。礦物燃料燃燒生成并排入大氣的二氧化碳有一小部分可被海水溶解，但海水中溶解態(tài)二氧化碳的增加又會(huì)引起海水中酸堿平衡和碳酸鹽溶解平衡的變化。

　　礦物燃料的不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生少量的一氧化碳。自然過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生一氧化碳。一氧化碳在大氣中存留時(shí)間很短，主要是被土壤中的微生物所吸收，也可通過(guò)一系列化學(xué)或光化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧化碳。

相關(guān)知識(shí)

　　森林生態(tài)系統(tǒng)的作用

　　森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用從人類(lèi)認(rèn)識(shí)到溫室氣體尤其是二氧化碳濃度的升高會(huì)使全球氣溫變暖，從而帶來(lái)一系列嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問(wèn)題時(shí)，就展開(kāi)了對(duì)碳素循環(huán)的研究。而森林生態(tài)系統(tǒng)作為吸收二氧化碳釋放氧氣的一個(gè)大碳匯，在碳循環(huán)中起著非常重要的作用。全球森林面積為41.61億公頃，其中熱帶、溫帶、寒帶分別占32.9%、24.9%和42.1%。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)地上部的碳為562Gt，森林生態(tài)系統(tǒng)地上部的含碳量為483Gt，占了86%。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)地下部含碳量為1272Gt，而森林地下部含碳約927Gt，占整個(gè)世界土壤含碳量的73%。

　　森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用主要取決于以下幾個(gè)方面：

　　生物量

　　森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量貯存著大量的碳素，如按植物生物量的含碳量為45%～50%計(jì)，那么整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量將近一半是碳素含量。森林的生物量與其成長(zhǎng)階段的關(guān)系最為密切，一般森林據(jù)其年齡可分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林/過(guò)熟林，其中碳的累積速度在中齡林生態(tài)系統(tǒng)中最大，而成熟林/過(guò)熟林，其中碳的累積速度在中齡林生態(tài)系統(tǒng)中最大，而成熟林/過(guò)熟林由于其生物量基本停止增長(zhǎng)，其碳素的吸收與釋放基本平衡。從森林的年齡結(jié)構(gòu)來(lái)估算吸收碳素的潛力是決定森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的一個(gè)主要方面。我國(guó)森林的結(jié)構(gòu)以幼齡林、中齡林居多，因此我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)中植物固定大氣碳的潛力很大。據(jù)王效科等估算，我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)潛在的植物總碳貯量為8.41Pg，現(xiàn)有的實(shí)際碳貯存總量只是潛在的植物總碳貯量的44.3%。因此，如果我國(guó)的森林生態(tài)系統(tǒng)得到切實(shí)有效地保護(hù)，那么它將是中國(guó)一個(gè)重要的碳匯。

　　林產(chǎn)品

　　森林生態(tài)系統(tǒng)林產(chǎn)品的固碳量是個(gè)變化很大的因子。一般林產(chǎn)品根據(jù)其使用壽命可分為短期產(chǎn)品和長(zhǎng)期產(chǎn)品。像燃料用木、紙漿用木等屬于短期產(chǎn)品，而膠合板、建筑用木則屬于長(zhǎng)期產(chǎn)品。林產(chǎn)品使用壽命的長(zhǎng)短在很大程度上也決定著森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。使用壽命長(zhǎng)的林產(chǎn)品可以延緩碳素釋放，緩解全球大氣碳濃度的增加，一般來(lái)說(shuō)，耐用林產(chǎn)品的使用壽命可達(dá)100～200a，在這么長(zhǎng)時(shí)間里，通過(guò)再造林完全可以實(shí)現(xiàn)碳素的良性循環(huán)。因此，應(yīng)盡量加工耐用、使用壽命長(zhǎng)的林產(chǎn)品。

　　植物枯枝落葉和根系碎屑

　　這一部分含碳量在整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)中占的比例雖少，但也是一個(gè)不容忽略的碳庫(kù)，減緩它的沉淀和分解對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳量也起到一定的作用。

　　森林土壤

　　這是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)。不同的森林其土壤含碳量具有很大的差別，在北部森林中森林土壤占有84%總碳量；溫帶森林土壤中的碳占到其總碳量的62.9%；在熱帶森林中，土壤中的含碳量占整個(gè)熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的一半。全球森林土壤的含碳量為660～927Gt，是森林生態(tài)系統(tǒng)地上部的2～3倍。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都認(rèn)識(shí)到森林土壤碳庫(kù)的重要作用，紛紛對(duì)其展開(kāi)研究。研究土壤碳庫(kù)及其碳循環(huán)和全球變化已成為土壤學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向。[2]地球上的幾個(gè)碳庫(kù)

　　碳在巖石圈中主要以碳酸鹽的形式存在，總量為2.7乘以10的16次方噸；在大氣圈中以二氧化碳和一氧化碳的形式存在，總量有2×1012噸；在水圈中以多種形式存在；在生物庫(kù)中，則存在著幾百種被生物合成的有機(jī)物。這些物質(zhì)的存在形式受到各種因素的調(diào)節(jié)。

　　在大氣中，二氧化碳是含碳的主要?dú)怏w，也是碳參與物質(zhì)循環(huán)的主要形式。在生物庫(kù)中，森林是碳的主要吸收者，它固定的碳相當(dāng)于其他植被類(lèi)型的兩倍。森林又是生物庫(kù)中碳的主要貯存者，貯存量大約為4.82×1011噸，相當(dāng)于大氣含碳量的2/3。

　　碳的地球化學(xué)循環(huán)

　　碳的地球化學(xué)循環(huán)控制了碳在地表或近地表的沉積物和大氣、生物圈及海洋之間的遷移，而且是對(duì)大氣二氧化碳和海洋二氧化碳的最主要的控制。

　　沉積物含有兩種形式的碳：干酪根和碳酸鹽。在風(fēng)化過(guò)程中，干酪根與氧反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，而碳酸鹽的風(fēng)化作用卻很復(fù)雜。含在白云石和方解石礦物中的碳酸鎂和碳酸鈣受到地下水的侵蝕，產(chǎn)生出可溶解于水的鈣離子、鎂離子和重碳酸根離子。它們由地下水最終帶入海洋。

　　在海洋中，浮游生物和珊瑚之類(lèi)的海生生物攝取鈣離子和重碳酸根離子來(lái)構(gòu)成碳酸鈣的骨骼和貝殼。這些生物死了之后，碳酸鈣就沉積在海底而最終被埋藏起來(lái)。

　　碳的生物循環(huán)

　　在碳的生物循環(huán)中，大氣中的二氧化碳被植物吸收后，通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)變成有機(jī)物質(zhì)，然后通過(guò)生物呼吸作用和細(xì)菌分解作用又從有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)換為二氧化碳而進(jìn)入大氣。碳的生物循環(huán)包括了碳在動(dòng)、植物及環(huán)境之間的遷移。