碳循环数据

好，到现在，我们已经说清楚了大气中的二氧化碳浓度的确在增长，二氧化碳浓度增长的确会增强二氧化碳所带来的温室效应。那么，这些增加的二氧化碳，和人类的活动有关吗？是不是大自然自己心血来潮？在大气二氧化碳浓度比较清楚的65万年里面，二氧化碳浓度不也是在一直变化吗？凭什么把现在的变化归结到人类的活动头上？要解释这个疑问，我们先看看大自然自身的碳循环。

顾名思义，碳循环就是含碳的物质在整个自然界中的循环。下面这张图是一个碳循环的示意图，是2006年的时候对1990年代的碳循环比较完善的研究成果。黑色的是线条和数字显示的是大自然自身的碳循环，或者说是1750年前后的碳循环状态，红色的是人类所进行的干扰。我们先看黑色的线条，也就是人类工业化之前大自然的碳循环。图里面使用的数字的单位，是十亿吨碳，而不是二氧化碳的质量。这是为了研究方便，因为在碳循环的过程中，碳的化学形态是在改变的，使用碳作为衡量单位，比二氧化碳要方便。两者也很方便换算，碳的原子量是12，二氧化碳的分子量是44，这样，一吨碳，就折合3.67吨二氧化碳。另外一个要指出的，是碳循环的波动是很大的，每年与每年之间有很大的差别，但是长期趋势是平衡的。这个图里面，所列出的也就是平均值。

全球碳循环

这个图说，没有人类干扰的时候，大气中的二氧化碳总量是5970亿吨碳，相当于2.2万亿吨二氧化碳。每年，平均有1200亿吨碳通过光合作用被转化成其他形式，或者说通过

光合作用被固定。光合作用把二氧化碳转变成有机物。植物自身有呼吸作用，把一部分有机物转变成二氧化碳释放进入大气，动物吃了植物，也会把部分有机物通过自身的呼吸作用转变成二氧化碳释放入大气。一部分植物的有机物进入土壤，土壤里面的有机物，在有氧条件下会缓慢氧化，最终也以二氧化碳形式是放到大气里面，或者在厌氧条件下，形成甲烷进入大气。植物的自然的火灾也是植物里面固定的碳进入大气的一个方式，不过总的来说，植物的作用基本上是在从大气中吸收二氧化碳的。加在一起，动植物的呼吸作用，大约把1196亿吨碳返回大气。这就是说，植物每年可以固定碳4亿吨。这些碳，会被植物保存几十几百年。在工业化之前，植被和土壤里面的碳，总量是2.3万亿吨。

二氧化碳还可以部分溶解在水里面，地球的表面有70%都是海洋，这么大的水体里面，自然要溶解不少量的二氧化碳。二氧化碳在水里面的形态，可以是气态的二氧化碳，也有碳酸氢根离子和碳酸根离子的形式，这三者受化学平衡的制约，所以考虑的时候，把这三种化学形态的总量作为整体来考虑，这三者在一起，也有一个专门的名词，叫做可溶性无机碳，缩写是DIC。同样，溶解在海洋表面这些可溶性无机碳，也会因为直接与大气接触，而在一定条件下把溶解的二氧化碳释放出来。不同温度压力情况下，二氧化碳在水里面的溶解度是不同的，世界各地海平面的气压变化相对不算大，但是温度变化可是不小，而二氧化碳在水里面的溶解度，随着温度的升高会下降。这就是说，在冬季，高纬度的地区水温寒冷，二氧化碳在水里面的溶解度高，这样，二氧化碳就会被海水吸收；而在低纬度地区的温暖海面，以及夏季的时候，二氧化碳在水里面的溶解度低，溶解在水里面的一些二氧化碳就会被释放出来。这个现象，结合子午线环流，被称为二氧化碳的溶解泵。总体来说，海水对于二氧化碳的一呼一吸是基本平衡的。在工业化之前，每年海洋从大气中吸收700亿吨碳，同时释放706亿吨碳。

很显然，新溶解在海水里面的二氧化碳基本上都在海水表层。海水表层大约有总量9000

亿吨的碳。在这里的二氧化碳，可以重新进入大气，也可能进入深层的海水。二氧化碳在浅层海水停留的时间，大约是几年的样子。海水表层还有丰富的浮游生物，总量是30亿吨碳，这些水生植物可以把海水表层的二氧化碳通过光合作用转变成为有机质，这个过程，被称作二氧化碳的生物泵。这些有机质，可以形成可溶性的有机碳，DOC，或者随着生命体的死亡，沉到深层的海水里面。由于各种各样的反应的存在，有机碳的寿命总是要短一些的，最终这些有机碳也会变成无机碳，也会有一小部分沉积在大洋底部。每年，这些浮游生物从海水表层吸收的碳是500亿吨，同时有390亿吨返还给海水表层，进入中层海水的有机碳是110亿吨。

表层海水下面就是中层海水，中层海水下面就是深层海水。中层和深层海水里面，含碳量高达37.1万亿吨碳，是碳循环里面质量比例最大的部分。浅层海水向中层海水输送无机碳的速率，是每年902亿吨，大约是浅层海水碳总量的十分之一，不过同时中层海水也向浅层海水输送无机碳，速率是每年1010亿吨。不同层的海水的混合速度很慢，中层海水的混合需要几十年上百年的时间来进行，而深层的海水则需要上千年的时间来完成。最终会有一些碳沉积在海洋底部，速率大约在每年2亿吨的样子。沉积在海底表面的碳，总量是1500亿吨。这些数字可以看出海洋对于吸收二氧化碳来讲，容量是非常大的，不过要注意，由于不同层的海水之间进行交换的时间尺度很不同，在考虑海水吸收二氧化碳的效果的时候，需要考虑扩散到各层的时间因素。

生物泵和溶解泵一起构成了海水的碳循环。在全球范围来考虑，影响这个碳循环的因素非常非常多，比如洋流情况，海水表面温度情况，盐度，各个层的分布，当然还不能忽视冰盖的影响，海水中溶解的营养物质的数量，也会直接影响生物泵的运行情况，不同地区的浮游生物的种类等等，也对这个碳循环的复杂性有所贡献。

已经很热闹了？还有呢。陆地上的碳循环，与海洋的碳循环也不是独立的。河流是在向海洋输送碳的。这里面大多数是无机碳，也有少数的有机碳，又可以溶解在水里面的，也有一些颗粒形状的。这个量，每年大约是8亿吨碳。这8亿吨碳里面，大约有4亿吨碳来自植物，另外有2亿吨碳左右是河水从大气吸收的二氧化碳，还有大约2亿吨碳是河水从岩石表面得到的二氧化碳。这个量不同年度是有很大变化的，不过长期平均下来还是有规律的，可以平衡的。除此之外，还有一些规模更小的行为也在碳循环之内，比如土壤里面的碳的形态的转变，岩石的风化、沉积，这些都是在很长的地质时间里面才会显现出作用来的。当然不能忘了火山喷发。火山喷发的时候，会有大量原本在地球深处的二氧化碳进入大气。不过这些现象加在一起，从1750年到现在，对于碳循环所作的贡献，是平均每年不到1亿吨碳。反对大气增加的二氧化碳主要来自人类活动这个观点的一个常见说法是夸大火山喷发所喷出的二氧化碳的总量，不过从所观测到的火山所喷发的二氧化碳的量，平均下来，并没有这些反对者声称的这么多。

这里可以看出大自然的碳循环总量是非常大的，陆地和海洋的两个碳循环，每年交换的碳总量达到1900亿吨碳，折合二氧化碳总量7000亿吨。而大自然中的碳总量更是惊人，达到了41万亿吨碳，折合二氧化碳150万亿吨。人类的活动真的能对这么大量的碳循环造成影响吗？