碳循环研究进展及其影响因子探讨

碳循环研究进展及其影响因子探讨
碳循环研究进展及其影响因子探讨
摘要：碳可以说是人类接触到的最早的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。

在当今温室效应越来越明显的影响当自然气候和人类生活，导致温室效应加剧的主要影响因素就碳元素。

为此本文将结合现有个领域的研究成果，阐述碳循环的机理，包括其在陆地生态系统、岩石圈、大气圈、水圈的循环模式。

此外还将介绍在碳循环的对自然环境的影响，如何提高各生态系统中碳的储量，迷失汇的去向进行探讨
关键词：碳循环地球系统碳循环“碳失汇”
0、引言
自工业革命以来，人类活动使得大气中CO2浓度一直在持续增加。

可以预见在未来相当长的时间内，大气CO2浓度还会不断增加。

IPCC 在2001年发布了第三次评估报告。

该报告指出，在过去的42万年中，大气CO2浓度从未超过目前的大气CO2浓度，在20世纪中大气CO2浓度的增加是前所未有的。

估计到21世纪中叶，大气中CO2将比工业革命前增加1倍。

大气CO2浓度的增加对全球变化的影响已引起了广泛的注意，该报告指出，工业革命以来的全球气温已增加了约0.6℃，这主要是由于大气中人为温室气体(如CO2、CH4、N2O、CFCs)浓度增加所致，其中CO2的作用居首位。

初步预测，21世纪全球增暖将超过过去10 ka来自然的温度变化速率。

1、碳循环的概念
碳循环是碳元素在地球各圈层的流动过程, 是一个“二氧化碳—有机碳—碳酸盐”系统。

光合作用和呼吸作用是碳循环的两个主要组成部分。

二者每年吸收和释放的二氧化碳含量相差无几，大约是1200亿吨。

每年海洋所溶解的二氧化碳是900亿吨，而同样数量的二氧化碳最终又从海洋回到了空气中。

碳循环还包括一些小的组成部分。

陆地植物死亡后被分解出的碳有些不能直接进入大气，其中约有4亿吨的碳以有机的形式进入河流
并最终随河水注入海洋。

雨水中的碳酸会与岩石中的碳酸钙发生反应，所以暴露于空气和水中的碳酸盐石也会风化释放出二氧化碳，每年产生的碳为2亿吨。

这些碳被海水带入海洋。

海洋生物死亡后所分解产生的二氧化碳每年为海洋增加2亿吨的碳，所以海洋每年吸收的碳的总量约为8亿吨。

这其中有两亿吨沉积在海底最终形成碳酸盐岩层，其余的6亿吨会再度回到空气中。

已经死亡的植物有一小部分被埋在地下，处于真空状态，还有些在河口和湖口形成实心泥，有些变成化石并最终变成煤和泥碳。

参与这一过程的碳约为3亿吨。

火山喷发平均每年产生1亿吨的碳。

图1碳循环示意图
2、碳库的组成
地球上最大的两个碳库是岩石圈和化石燃料，含碳量约占地球上碳总量的99.9%。

这两个库中的碳活动缓慢,实际上起着贮存库的作用。

地球上还有三个碳库大气圈库、水圈库和生物库。

这三个库中的碳在生物和无机环境之间迅速交换,容量小而活跃,实际上起着交换库的作用。

库数量/吨库数量/吨
大气2×1012化石燃料4×1012
海洋3.8×1012甲烷水合物8×1012
土壤1.5×1012生物圈0.5×1012
有机物0.5×1012碳酸盐岩7.5×1016
其他（泥碳）<0.3×1012
表1全球碳库储量
概括而言，地球上主要有四个碳库，即大气碳库、海洋碳库、陆地生态系统碳库和岩石碳库．从上表可以看出，岩石碳库的储量是最大的，但是其形成周期较长，约几百万年以上，可以视为相对静止.
3、碳的存在形式
碳在岩石圈中主要以碳酸盐的形式存在，在大气圈中以二氧化碳和一氧化碳的形式存在，在水圈中以多种形式存在，在生物库中则存
在着几百种被生物合成的有机物。

这些物质的存在形式受到各种因素的调节。

在大气中,二氧化碳是含碳的主要气体,也是碳参与物质循环的主要形式。

在生物库中,森林是碳的主要吸收者,它固定的碳相当于其他植被类型的2倍。

森林又是生物库中碳的主
要贮存者, 相当于目前大气含碳量的2/3。

植物通过光合作用从大气中吸收碳的速率,与通过动植物的呼吸和微生物的分解作用将碳释放到大气中的速率大体相等,因此,大气中二氧化碳的含量在受到人类活动干扰以前是相当稳定的。

4、地球系统中的碳循环
地球系统的碳循环，是指碳在岩石圈、水圈、气圈和生物圈之间，以-23CaCO （以3CaCO 、3MgCO 为主）、-3HCO 、（有机碳））、（、n
242O CH CH CO 等形式相互转换盒云移过程。

4.1陆地系统碳循环
陆地生态系统碳循环是全球碳循环过程的重要组成部分，是预测未来大气20C 和其他
温室气体浓度变化、认识大气圈和生物圈的相互作用等科学问题的关键之一，也是认识地球系统水循环、养分循环和生物多样性变化的基础。

陆地生态系统碳循环研究是当今全球变化研究中的重要问题之一。

总的来说，陆地生态系统碳循环过程主要包括两方面内容：一是指植物通过光合作用吸收CO 2，将碳贮存在植物体内，固定为有机化合物，形成初级生产量，同时又在不同的时间尺度上通过各种呼吸途径将CO 2返回大气；二是指有机物的代谢，一部分有机物通过植物自身的呼吸作用和土壤及枯枝落叶层中有机质的腐烂即异氧呼吸返回大气，未完全腐烂的有机质经过漫长的地质过程形成化石燃料储藏于地下，另一部分则通过各种人为和自然因素进入大气一植被一土壤一岩石一大气的碳库之间的循环过程。

陆地生态系统主要分为森林生态系统、农田生态系统、草地生态
系统以及湿地等生态系统。

碳的蓄积、储量或潜力在不同生态系统中有较大差异，同时受人类活动的影响也不同。

其中着重介绍阐述陆地生态系统中的土壤碳循环、森林生态系统的碳循环、岩石系统中的碳循环。

4.1.1陆地生态系统中的土壤碳循环
随着《京都议定书》的生效, 农业土壤碳循环及固碳潜力的研究将越来越成为国际全球变化研究中的主流趋势, 国际科学界十分关注人为利用管理下土壤固碳潜力的变化。

配合土壤固碳机理及其影响因素的研究, 分析与预测未来通过改变管理政策与农业技术途径而可能达到的固碳能力成为今后研究的发展方向。

土壤中含有有机碳和无机碳酸盐两种形态的碳, 后者是生物不能直接利用的。

全球土壤中无机碳酸盐约有 1 000Pg, 而土壤中储存的有机碳 ( SOC)高达 1 500Pg, 是大气 CO2总量的 3倍、陆地生物碳量的约2. 5倍。

土壤碳通过呼吸产生的 CO2排放是决定陆地生态系统碳平衡的主要因子, 与大气CO2的交换快速。

因此, 土壤碳库的稳定、增长或释放都与大气碳库的变化有重要的关系, 土壤能否增加碳储存是关乎陆地生态系统能否继续发挥对大气CO2吸收与固定的碳汇效应的重要理论基础。

耕地土壤直接影响着农业生产, 并可受人为利用和管理措施的较快影响, 其碳库可以5—10年的尺度上快速调节。

4.1.2森林生态系统碳循环研究的模型方法
森林生态系统碳循环是陆地碳循环研究中的重要内容, 碳循环模型已成为研究森林碳循环的必要方法。

其中气候变化、大气CO2浓度上升及CH4的生成导致森林生态系统在结构、功能、组成和分布等方面的变化及其反馈关系对森林生态系统碳循环的影响是模型模拟的关键问题。

20世纪80 年代以来, 随着对森林生态系统结构、功能和生态过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统( GIS)和计算机技术的发展, 森林碳循环模型发展较快, 并已在区域或全球尺度上对森林生态系统当前及未的碳存贮模式做出了一些预测。

森林生态系统碳循环的基本过程是植物通过光合作用同化CO2形成总初级生产力( GPP),由于植物自
身呼吸消耗部分有机物并释放CO2( Ra), 剩余的有机物即为净初级生产力( NPP ),NPP的积累形成森林植被生物量碳库, 生物量在异养呼吸的作用下释放CO2( Rh) , 再形成生态系统净生产力( NEP), NEP 包括了土壤和凋落物的碳库积累。

但由于干扰过程导致森林生态系统的碳排放(用Rd表示), 剩余的碳存贮称为生物群落净生产力(NBP), 形成了森林生态系统长期的碳存贮能力。

它们之间的关系可以用下式表示: NBP = GPP - Ra- Rh- Rd
4.1.3碳酸岩石生态系统中碳的循环
大气中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成为碳酸，碳酸能把石灰岩变为可溶态的重碳酸盐，并被河流输送到海洋中。

海水中的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的，接纳新输入的碳酸盐，便有等量的碳酸盐沉积下来。

通过不同的成岩过程，又形成为石灰岩、白云石和碳质页岩。

在化学和物理作用（风化）下，这些岩石被破坏，所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。

火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的碳再次加入碳的循环。

碳质岩石的破坏，在短时期内对循环的影响虽不大，但对几百万年中碳量的平衡却是重要的。

4.2海洋生态系统碳循环
海洋在全球碳循环中起着极其重要的作用, 海洋是地球上最大的碳库。

海洋储存碳是大气的60倍, 是陆地生物土壤层的20 倍。

海洋中的碳主要以溶解无机碳(D IC)、溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC) 等形式存在, 以溶解无机碳居多。

海洋碳循环是碳在海洋中吸的海-气通量交换过程、环流过程、生物过程和化学过收、输送及释放的过程, 主要包括CO
2
程。

气体被海海洋碳循环可以分为三个方面。

第一方面是“碳酸盐泵”, 就是大气中的CO
2
洋吸收, 并在海洋中以碳酸盐的形式存在；第二方面是“物理泵”,
即混合层发展过程和
陆架上升流输入, 它与海洋环流密切相关；第三方面是“生物泵”, 即生物净固碳输出, 它是浮游植物光合固碳速率减去浮游植物、浮游动物和细菌的呼吸作用速率, 也就是通过生物的新陈代谢来实现碳的转移, 在海洋中主要是通过海洋浮游植物的光合作用来实现的。

4.3大气系统的碳循环
大气中碳含量并不高，但是大气中碳循环却是至关重要的，大气将陆地和海洋碳循环链接为一个整体，构成了整个全球的碳循环。

大气碳循环主要有三类：1、大气中的碳被陆地上的有机体吸收，主要是植物的光合作用及土壤中有机体合成；2、在气水界面被海水吸收，进入海洋碳循环体系；3、地质作用（如火山等）及有机体的呼吸作用释放CO2进入大气碳循环。

5、“碳失汇”研究进展
全球碳循环是全球生物地球化学的主要研究方向之一, 目前其重点集中在/ 碳失汇0 ( missing sink) 问题的研究上。

最近的研究表明, / 碳失汇0产生的主要原因是北方陆地森林生态系统对碳的固定、海洋对碳的吸收、岩石圈中CaCO3- H2O-CO2 系统( 岩溶动力系统) 对碳的吸收, 以及陆地上碳库的转移。

碳循环是一个涉及多学科的综合动态过程, 它的动态变化可用以下方程来表示
dCO2/dt = C+ D+ R+ S+ O- P- I- B,
其中方程左边表示的是大气CO2的动态变化率, 右边各项代表大气CO2的源和汇( 正号项为碳源, 负号项为碳汇) .主要碳源包括:C: 化石燃料燃烧释放到大气中的CO2;D: 土地利用( 包括森林砍伐、森林退化、开荒等) 释放到大气中的CO2;R: 陆地植物的自养呼吸;S: 陆地生态系统植物的异养呼吸( 包括微生物、真菌类和动物) ;O: 海洋释放到大气中的CO2;主要碳汇包括:P: 陆地生态系统通过光合作用固定的CO2;I: 海洋吸收大气中的CO2;B: 沉积在陆地和海洋中的有机和无机碳.在这些源汇中, 因为海洋对碳的贡献吸收大于释放( I > O) , 海洋主要作为大气汇. 陆地生态系统中的光合作用和自养呼吸以及异养呼吸均以陆地生态
系统为一个整体来进行探讨。

关于/ 碳失汇0存在地点( 或说是/ 碳失汇成因) 的研究, 已经取得了一定进展. 已经基本达成共识,有1P3 左右的/ 碳失汇0存在于北半球陆地生态系统中. 海洋对/ 碳失汇0的贡献也已引起了很多人的注意. 然而还有近1P3 的/ 碳失汇0存在于岩石圈却还没有引起太多人的关注。

在未来几年内, 关于/ 碳失汇0的研究重点是关于各个碳库的研究及其定量化, 以及各个碳库间的碳通量研究. 寻找/ 碳失汇0的研究方法也有待进一步完善。

6结束语
. 对于碳循环的研究是一个系统工程，不是一个学科、一个国家就能完成的，所以在碳循环研究中要加强学科与学科、以及国家与国家间的交流和合作。

其实大自然的碳循环是平衡的，近些年碳循环的变化主要是因为人类的活动导致（上述原因归根结底主要都是人类的活动），大量化石燃料的燃烧、植被的破坏、人口的剧增等等都使碳循环失去平衡，为了减缓碳循环的变化，我们应该反省我们的行为，当然，一些科技的手段也是很有效的，比如说日本科学家在深海发现的海底病毒可以固定大量的碳。

总之，只要我们认识到碳循环变化的严重性，并作出相应的措施，相信碳循环的变化被减缓是必然的，当然要回到正常的碳循环还是需要努力地。

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