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。