人类活动对碳循环的影响

[课程论文]

人类活动对碳循环的影响

人类活动对碳循环的影响

摘要：随着近些年温室效应的加强及人类活动对碳循环的影响，全球碳循环体系中，已经发生了初步的变化，在地球系统中，海洋、大气和陆地以及其中的生命与非生命部分都存在着相互联系。人类正在以各种方式根本性地改变着地球的各种系统和循环。碳循环是一个极其复杂的地球化学循环过程，包括碳元素在各个储库的贮存和在不同储库之间的流通。不同时间尺度的碳的自然循环都保持着动态平衡状态。人类活动触动了这种平衡机制，成为当前全球碳循环变化的主要驱动因子。本文主要探讨碳循环的概念及其变化的原因，并对减缓碳循环变化提出展望与建议。

关键词：碳储库；碳循环；人类活动

引言：

碳元素不是地球上丰度最高的元素，但它独特的原子结构使其成为存在形式最为复杂的元素，也是地球上化合物种类最多的元素。碳元素有4个共价键，这些键很容易跟其他元素链接成长而稳定的复杂分子，以吸收、储存、交换周围环境的物质和能量。自然界的碳稳定同位素有 C和 C两种，丰度分别为98．89 和1．11 ，我们熟知的MC是碳的放射性同位素，半衰期是5 730 a。碳元素的自然赋存状态有单质和化合物，其中包括数以百万计的有机化合物。自然界中碳同位素的分馏主要有动力学分馏效应和碳同位素交换反应。从根本上影响碳同位素分馏的是生物因素。但生物过程复杂多变，难以像物理过程那样遵循一些基本原则而得出准确严谨的解释。这也正是为什么碳循环的研究要比水循环更加复杂的原因。研究自然界中碳的循环规律是揭示地球环境因子变化的重要手段。一方面，碳在自然界的物质循环过程影响着地球气候与环境的变化，CO2。在大气中含量的变化是地球气候发生改变的关键；另一方面，碳是生命物质的最基本元素之一，生命活动是碳元素在自然界进行循环的最重要影响因素。由于生命有机物质中碳元素中“轻碳”( C)比“重碳”(坞C)含量高，因此通过研究岩石中碳的同位素

组成比例的变化可以了解地质时期生命活动与碳循环的关系，从而揭示大气和海洋环境因子的变化过程。

1 碳循环概述

自然界中绝大多数的碳并非储存于生物体内，而是储存于大量的地壳沉积岩中。一方面沉积岩中的碳因自然和人为的各种化学作用分解后进入大气和海洋；另一方面生物体死亡以及其他各种含碳物质又不停地以沉积物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。碳的生物循环虽然对地球的环境有着很大的影响，但是从以百万年计的地质时间上来看，缓慢变化的碳的地球化学大循环才是地球环境最主要的控制因素。

1．1 碳元素的分布

从全球的角度讲，碳元素分布于地球各圈层若干主要的储库中。碳有着巨大的不活动的地质存储库（如岩石圈等）和较小的、但在生态学上活动积极的大气圈库、海洋库和生物库。碳的化学形态常随所在库的不同而变化。在岩石

CO和烃类气圈中以有机碳和无机碳酸盐的形态存在；在大气圈中以CO2、CH

4、

体的形态存在；在海洋中也以有机碳、无机碳的多种形式存在；而在生物库中则存在着几百种被生物合成的有机物质。这些物质的存在形态受到各种因素的调节。

①大气圈

大气中所含碳元素最少，主要是CO2。、CH和CO2气体。CO2。是最主要的温室气体，工业革命以来，人类活动使大气中CO2。浓度持续增长，导致了全球气候变暖、海平面上升等后果。

②水圈

通常大洋碳储库被分为表层和深层两个储库来研究。表层海水与大气圈存在活跃的交换，广阔的大洋水体中溶解了大量的CO2。，浮游生物也会通过制造自身的骨骼壳体而将碳元素固定下来。表层碳储库较之深海储库储量较小，但它的重要性不容小觑，它不仅是海一气相互作用的主要场所，还是进入深海的通道。深

海碳库得益于大洋表层水的“泵”作用：生物泵——海水表层溶解的CO2被浮游生物利用制造成有机质和碳酸钙质的骨骼，生物死亡后沉到海底进入海洋沉积，推出海洋和大气的碳循环；碳酸盐泵——表层海水对碳酸盐过饱和，不断地有碳酸盐矿物晶体形成，在沉入深海的过程中随着压力的升高和温度的降低逐渐溶解，至补偿深度(CCD)碳酸盐全部消失。

③陆地生物囤

2000年IPCC发表的报告估计，全球陆地生态系统碳储量约24 770亿t，其中植被4 660亿t，土壤20 110亿t。值得一提的是森林生态系统，作为陆地生态系统中最大的碳储库，森林植被的碳储量约占全球植被的77 ，森林土壤的碳储量约占全球土壤的39%，而单位面积的森林储存的碳是农田的2O～100倍。

④岩石圈

储量最大的岩石圈储库包括大陆碳酸盐岩、海床碳酸盐岩、有机碳油母质及地幔物质，跟其他圈层碳交换较少。地幔中有大量的溶解于橄榄岩等熔岩里的碳，“地下海洋”看似波涛不惊，一旦发生大规模的岩浆喷发，蕴藏于地幔中的碳酸盐类将以CO2。的形式进入地表的大气与海洋，其所造成温室效应的规模将远超过我们的想象。

1．2 碳素的滞留时间

碳元素在储库之间通过物理的、化学的和生物的过程相互交换，保持一种长期的动态平衡。根据公式：滞留时间一总量／速率，我们不难得出碳在各个储库的滞留时间。大储库的周转较之小储库速度要慢得多。

1．3 不同时间尺度的碳循环

地球上的碳循环至少有3个层次：生物圈与大气圈间的CO2 循环是季节到百年尺度的周期；涉及深海的碳酸盐沉积与溶解，碳循环的时间尺度就长达万年级；而板块运动中岩石圈的碳循环则长达千万年以上L2。

1．4 碳源和碳汇

任何释放碳素的过程谓之“源”，固定碳素的过程称为“汇”。碳源和碳汇都是以大气圈为参照系，以向大气中输入碳或从大气中输出碳为标准来确定。最终决定一个体系是源还是汇的是碳的净收支。因为大气CO2浓度对于人类的影响最为直接，“一万年太久，只争朝夕”，人类最为关心的莫过于短时间尺度上的碳源

和碳汇的变化。对于几年到几百年的时间尺度，全球碳循环主要是以CO2的形式在生物圈、海洋和大气圈中进行。植物光合作用吸收大气中的CO2。，把碳用于生长，从而完成将大气中的CO2。固定到陆地生物圈的过程；而植物的呼吸以及生物体的燃烧和腐烂等有机物的分解，则是以相反方式完成将碳返还到大气中的过程。海洋的透光层中也存在相似的光合和呼吸作用。海洋的非生物物理化学过程也在不断地吸收和释放CO2。大气中的总碳量每年约有10% 的收支，其中一半是与陆地生物群落交换，另一半则通过物理和化学过程穿过海洋表面。陆地、生物圈和海洋含碳量远大于大气中的含碳量，所以，这些大的碳库的很小的变化都可以对大气CO2：浓度有很大的影响。人类活动就是通过改变这些源和汇从而影响碳循环的。

2 人类活动与碳循环

在过去的几千年中，海洋和陆地生态系统等自然碳源排人大气的大量CO2 已通过光合作用和海洋吸收等自然过程的清除作用几乎完全平衡。工业革命以前，大气中的CO2浓度平均值约为280×10∧(-6)。，变化幅度大约在10x 10∧(-6)以内，平均而言，这一时期的自然碳收支处于很好的平衡态。工业革命之后的几百年里，大气中的CO2。浓度增加31 ，1995年大气中的CO2浓度达到360×10∧(-6)。人类活动造成的碳收支失衡不断增长、积累，碳循环的平衡开始被破坏。这种非平衡态导致了大气中多余CO2。的累积。

综合来说，人类活动对全球碳循环的影响体现在3方面：一是人为增加碳源；二是人为减少碳汇；三是气候变暖的反馈作用。虽然这种反馈通过自然作用完成，不是人类的直接行为，但是终究气候变暖是人类过度排放温室气体的后果，所以，将其归因于人为因素并不为过。

2．1 化石燃料的燃烧

化石燃料的燃烧和工业排放是人为增加的最大碳源。化石燃料的原料大多是数百万年甚至数亿年前埋在地下的有机体，经长期的高热高压作用而以气体、液体或固体的形式贮存于地层中，都是具有高碳量的物质。通过燃烧化石燃料获取