腐植酸类物质在地球碳循环中的作用_成绍鑫

年增加 ０．５％。如果按此速度增长， ２１ 世纪末 ＣＯ２ 浓度将达到 ６５０～７００ ｐｐｍ（ｖ） 。ＣＯ２ 浓度的变化， 显然是地球碳循环失衡的表观现象，其深层的原 因，除了工业燃烧的因素外，主要与地球生态变 化有关。全球陆地生态系统的 Ｃ 储量约 ４ ６ ％ 在森 林中，２ ３ ％ 在热带和温带草原中，其余依次在耕 地、湿地、冻原、高山草地和沙漠中。可见， 森林和草原的 Ｃ 占了总储量的 ６９％（约 ２．４ 万亿吨）， 是大气 Ｃ（０．７５ 万亿吨）的 ３ 倍多。“牵一发而动全 身”，这些大碳库的微小变化都会对大气 ＣＯ２ 浓度 造成很大影响，何况现代经济建设中毁林、毁 草、粗犷耕作日益加剧，可用数字具体说明。
（２） 草原、湿地的退化。全球草原 ３２ 亿公顷， 碳储量占陆地生态系统总 Ｃ 储量的 ２３％，其中 ９２％ 在土壤腐殖质中。草原被开垦后，促进了土壤呼吸 作用，加速了腐殖质的分解。草原转为农田后，土 壤 Ｃ 损失 ３０％ ～５０％ ；过度放牧也使土壤 Ｃ 加速向 大气释放，如内蒙锡林河４０年来由于放牧使表层土 壤 Ｃ 储量减少了 １２．４％。泥炭、沼泽和各种湿地中 的 Ｃ 占陆地生态系统总碳的 １２％ 左右。湿地逐年减 少也是不争的事实，显然也影响着生物圈碳平衡。
但是，并不是所有的植物组织都按（２）式完全 分解。在一定条件下，相当一部分植物残体在微 生物作用下被腐殖化，形成腐植酸类物质。如果 继续覆水、缺氧并处于酸性介质中，植物残体就 可能通过泥炭化阶段向煤炭转化，还有一些低等 生物残体会转化为腐泥煤、石油和天然气。这实 际上是把太阳能储存在地壳中了。腐植酸、煤通 过微生物或纯氧化 － 降解过程，转化为 ＣＯ ２ 、ＣＨ ４
壤腐殖质又是陆生系统中储量最大、作用最敏感 的碳储库。因此，保护土壤腐殖质，维护腐殖质的 动态平衡，合理利用天然腐植酸类物质，既是增加 作物产量、改善作物品质、提高食品安全的需要，更 是维护地球碳储存、缓和大气 ＣＯ２ 浓度升高和“温 室效应”的重要举措。
目前，人类企图扭转碳失衡的局面应采取两项 措施。
气中积累（即附加的那部分 ＣＯ２ 浓度），还有 ２３ 亿吨 Ｃ 不知去向，科学界称后者为“未知碳库”（有各种猜
测，正在研究）。近期的全球碳循环模型如图２所示。
图２ 全球碳循环示意图 Fig. 2 Sketch map of carbon cycle on the earth
大气中 ＣＯ２ 浓度增加，不仅扰乱了地球碳循环 和生态平衡，也直接影响了生物和人类的正常生存 与身体健康。诸多研究认为，地球的“温室效应”也 与 ＣＯ２ 浓度增高有关。近年来的平均气温比 ２０ 世 纪初提高了 ０．３～０．６ ℃，并且还有增长的趋势。海 面升高、灾害频发和疾病增多可能也与全球变暖有 关。气温升高，反过来又增强了土壤呼吸作用和加 速了土壤腐殖质的分解，形成生态恶性循环。当然 气候变暖的根源很复杂，不少学者一直在考证，仍 众说纷纭，莫衷一是。但 ＣＯ２ 排放量的增加不能不
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腐植酸类物质在地球碳循环中的作用
成绍鑫 （中国科学院山西煤炭化学研究所 太原 ０３０００１）
摘 要：阐述了生物质和腐植酸类物质的碳和能量转化历程，指出陆地生态系统中的腐殖质是巨大的碳库， 对地球生物圈碳循环、大气 Ｃ Ｏ ２ 浓度变化以及生物健康有重大影响，认为土壤“碳截留”、“碳补充”和发 展腐植酸绿色产业对维护地球生态和碳平衡有重要意义。 关 键 词 ： 碳循环 腐殖物质 生态环境 温室效应 中图分类号：ＴＱ３１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ６ ７ １ － ９ ２ １ ２ （ ２ ０ ０ ６ ） ０ ２ － ０ ０ ０ １ － ０ ５
３ 腐植酸对生物碳平衡的影响因素
据报道［１１］，陆生生态系统中约有 ５％ 的 Ｃ 与大 气进行循环，即陆生植物和土壤通过呼吸作用向大 气排放出 Ｃ（其中微生物对土壤有机质的分解，即异 氧呼吸作用占 ５０％～７０％，其余为根系呼吸和自养 呼吸）为 ５００ 亿吨 ／ 年；而植物凋落物返回土壤的 Ｃ（即植物“生产能力”）为 ６００ 亿吨 ／ 年，这两项 之和基本上与植物光合作用从大气中吸收的１１００亿 吨 Ｃ／ 年相平衡。在正常生态平衡状态下，由于植 物代谢和土壤呼吸的调节，生物圈净 Ｃ 储量基本不 变，大气中 ＣＯ２ 浓度不会有太大波动［１２］。但事实 是，从世界工业革命伊始就打破了原来的平衡：大 气 ＣＯ２ 浓度由 １８５０ 年的 ２８５ ｐｐｍ（ｖ）增加到 １９９８ 年 的 ３６７ ｐｐｍ（ｖ），增加了近 ３０％；最近 １０ 年平均每
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图１ 地球各碳库中碳的循环周期［７］ Fig. 1 The carbon cycle period of different carbon pool
on the earth
生物圈的碳库主要在陆生植物和土壤有机质 中，其中土壤储存的有机碳（３ 万亿吨）中 ８０％ 左右 （２．４ 万亿吨）是腐殖质碳［１０］，是陆地植被碳的 ４倍 多、大气 Ｃ Ｏ ２ 碳的 ３ 倍多。假如陆地土壤中的腐 殖质多分解 １ ０ ％ ，大气中的 Ｃ Ｏ ２ 浓度就会增加 ３０％，就会导致灾难性的后果，足见土壤腐殖质对 碳平衡影响之大。正如 Ｓｃｈｎｉｔｚｅｒ［１０］所说，土壤腐 殖质碳是 ＣＯ２ 的主要来源，并作为环境和大气 ＣＯ２ 浓度变化敏感的碳聚合体。
在地壳含有的 ８４ 种主要元素中，碳（Ｃ）的总重 量仅占 １．２８％。生物组织中的 Ｃ 平均含量在 ５０％ 左 右（干物重），Ｃ是生物体维持生命的主要元素之一。 生物质的 Ｃ 来自地球表层和大气，受益于地球系统 的碳循环。因此，碳循环对人类生存发展和地球环 境具有十分重要的意义［１］。
地球碳循环是从大循环进入小循环的。大循环 也称地质循环，是指 Ｃ 在岩石圈、水圈、大气圈、生 物圈之间以 Ｃ Ｏ ３ ２ － 、Ｈ Ｃ Ｏ ３ － 、Ｃ Ｏ ２ 、Ｃ Ｈ ４ 、Ｒ Ｃ Ｏ Ｏ Ｈ （有机酸）形式互相转换和迁移的过程。小循环即生 物碳循环，主要在生物圈和大气圈之间进行，即生 命物质（主要是植物）与大气 ＣＯ２ 进行交换的过程。 与生物和人类关系最直接的是生物碳循环［２］。
（３） 耕作方式的改变。全球耕地面积 １７ 亿公 顷，其 Ｃ 储量占世界土壤总 Ｃ 的 １４％ 左右。由于人 类耕作方式的改变（如机械操作、深耕、多耕、不科 学施肥等） ，使腐殖质加速分解释放，这也是大气 ＣＯ２ 浓度提高的一个重要原因。据统计，１ ８ ５ ０ 年 全球耕地 Ｃ释放量为４亿吨，１９８０年达８ 亿吨，１９９０ 年上升到 １７亿吨，其中１／３是由于开垦导致的腐殖
一是“碳补充”，就是在土壤中添加腐植酸类物 质，包括腐植酸类改土剂、有机 － 无机复混肥料、 泥炭营养基质、可降解有机地膜、有机堆肥等，改 良土质、增加作物产量、改善作物品质、提高食品 安全，这就是目前腐植酸行业正在做的工作。
The Role of Humic Substances in Geo-carbon Cycle
Cheng Shaoxin (Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan, 030001) Abstract: This paper introduces the transformation mechanism of carbon and energy in biological and humic substances, and indicates that humus in the land ecosystem is a large carbon pool which plays an important role in carbon cycle of the biosphere, change of CO2 density and the health of living being. It suggests that the conservation and supplement of humic substances in soil, as well as developing humic acid industry will have great significance on protecting ecological environment and carbon equilibrium of the earth. Key words: carbon cycle; humic substances; ecological environment; greenhouse effect
１ 生物碳和能量的交换历程
在讨论生物碳循环之前，应先了解一下植物碳和能量的简单转化过程。
太阳光辐射到达地球大气层的能量约 ５ ６ ×
１０ ２３ Ｊ ［３］ ，植物生命活动所需的能量几乎都来自太 阳能。
植物中叶绿素在太阳能的作用下从大气中吸收 Ｃ Ｏ ２ ，合成植物自己的组织，放出 Ｏ ２ ：
于是，植物组织就积蓄了太阳能，也就是说 太阳能转化为生物质能。这些能量在植物死亡和分 解后又回到大气中，放出能量：
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质流失。１００ 多年来大气中 ７％ 左右的 ＣＯ２ 是耕地 腐殖质矿化释放而来的。
粗略估算，２０ 世纪 ８０ 年代以来，由于以上 ３ 项陆地生态原因导致大气中增加 Ｃ 为 １６ 亿吨 ／ 年， 再加上工业燃烧释放的 Ｃ 约 ６３ 亿吨 ／ 年，总计排入
大气中的 Ｃ 每年增加 ７９ 亿吨（约折合 ２９０ 亿吨ＣＯ２）。 其中约有每年２３ 亿吨 Ｃ 被海洋吸收，３３ 亿吨 Ｃ在大
（１） 森林的毁坏。占陆地面积 ２８％ 的林地，储 备着 ８０％ 的陆地植被碳和 ４０％ 的土壤腐殖质碳，因 此，森林在碳循环中起着“缓冲器”和“阀”的作 用［７］。２０ 世纪 ８０ 年代以来，全球森林损失达 １．８ 亿平方千米，其中森林退化的速度比毁林速度快 好几倍［ ７ ］ ，仅每年因毁林（ 滥伐、改农田、火灾 等）而释放的 Ｃ 约 １０ 亿～２０ 亿吨，其中很大一部分 是由于森林被砍伐后使土壤 Ｃ（腐殖质 Ｃ）暴露而加 速分解造成的，比如森林转为农田、草地和轮作地， 土壤中 Ｃ 分别损失 ２５％～４０％、２０％ 和 １８％～２７％， 成为大气 Ｃ Ｏ ２ 浓度升高的主要原因之一。