碳循環(huán)

基本簡介

　　地球上最大的兩個碳庫是巖石圈和化石燃料，含碳量約占地球上碳總量的99.9%。這兩個庫中的碳活動緩慢，實(shí)際上起著貯存庫的作用。地球上還有三個碳庫：大氣圈庫、水圈庫和生物庫。這三個庫中的碳在生物和無機(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)于其他植被類型的2倍。森林又是生物庫中碳的主要貯存者，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光合作用從大氣中吸收碳的速率，與通過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活動干擾以前是相當(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物等造成的碳?xì)饣Ｊ兔禾渴翘脊袒^剩的一種副產(chǎn)品。

基本過程

　　自然界碳循環(huán)的基本過程如下：大氣中的二氧化碳（CO2）被陸地和海洋中的植物吸收，然后通過生物或地質(zhì)過程以及人類活動，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)過食物鏈的傳遞，成為動物體的碳化合物。植物和動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、植物死后，殘體中的碳，通過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、植物殘體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)過悠長的年代，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)它們在風(fēng)化過程中或作為燃料燃燒時，其中的碳氧化成為二氧化碳排入大氣。人類消耗大量礦物燃料對碳循環(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)雖然對地球的環(huán)境有著很大的影響，但是從以百萬年計(jì)的地質(zhì)時間上來看，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)。這兩個方向流動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。通過不同的成巖過程，又形成為石灰?guī)r、白云石和碳質(zhì)頁巖。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，在短時期內(nèi)對循環(huán)的影響雖不大，但對幾百萬年中碳量的平衡卻是重要的。

　　人類活動

　　人類燃燒礦物燃料以獲得能量時，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，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產(chǎn)生少量的一氧化碳。自然過程也會產(chǎn)生一氧化碳。一氧化碳在大氣中存留時間很短，主要是被土壤中的微生物所吸收，也可通過一系列化學(xué)或光化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧化碳。

相關(guān)知識

　　森林生態(tài)系統(tǒng)的作用

　　森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用從人類認(rèn)識到溫室氣體尤其是二氧化碳濃度的升高會使全球氣溫變暖，從而帶來一系列嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題時，就展開了對碳素循環(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/過熟林由于其生物量基本停止增長，其碳素的吸收與釋放基本平衡。從森林的年齡結(jié)構(gòu)來估算吸收碳素的潛力是決定森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的一個主要方面。我國森林的結(jié)構(gòu)以幼齡林、中齡林居多，因此我國森林生態(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)，那么它將是中國一個重要的碳匯。

　　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、建筑用木則屬于長期產(chǎn)品。林產(chǎn)品使用壽命的長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，一般來說，耐用林產(chǎn)品的使用壽命可達(dá)100～200a，在這么長時間里，通過再造林完全可以實(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森林生態(tài)系統(tǒng)中占的比例雖少，但也是一個不容忽略的碳庫，減緩它的沉淀和分解對于森林生態(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。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。國內(nèi)外很多學(xué)者都認(rèn)識到森林土壤碳庫的重要作用，紛紛對其展開研究。研究土壤碳庫及其碳循環(huán)和全球變化已成為土壤學(xué)的一個新的發(fā)展方向。[2]地球上的幾個碳庫

　　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)于其他植被類型的兩倍。森林又是生物庫中碳的主要貯存者，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的海生生物攝取鈣離子和重碳酸根離子來構(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。

　　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，通過光合作用轉(zhuǎn)變成有機(jī)物質(zhì)，然后通過生物呼吸作用和細(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、植物及環(huán)境之間的遷移。