全球碳循環(huán)論文

1、.考生姓名 學號 考生所在分院：專業(yè)班級： .低碳經濟的工程科學 課程期末大作業(yè) 全球碳循環(huán) 在我們的生活當中，到處都在上演著碳循環(huán)。例如，我們呼吸著新鮮空氣，這個過程就是把氧氣吸進體內，經過一系列化學反應，將二氧化碳排出體外。再例如，植物將我們呼出的二氧化碳吸收，再放出氧氣，這些都是碳循環(huán)。1碳循環(huán)碳循環(huán)，地球上有五個碳庫，最大的兩個碳庫是巖石圈和化石燃料，但是這兩個庫中的碳活動緩慢，實際上起著貯存庫的作用。還有三個碳庫：大氣圈庫、水圈庫和生物庫。這三個庫中的碳在生物和無機環(huán)境之間迅速交換,容量小而活躍，起著交換庫的作用。碳在巖石圈中主要以碳酸鹽的形式存在,在大氣圈中以二氧化碳和一氧化碳的形

2、式存在，在水圈中以多種形式存在，在生物庫中則存在著幾百種被生物合成的有機物。根據(jù)生態(tài)學原理,一個系統(tǒng)中的自然過程總是有利于系統(tǒng)的結構穩(wěn)定和功能最大化,而非自然過程總是降低或破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,增加系統(tǒng)的不確定性。顯然,大量開采化石燃料以及開采森林等活動都是非自然過程。這些活動導致了大氣二氧化碳濃度的不斷上升。鑒于大氣二氧化碳上升可能引起的嚴重生態(tài)后果,科學家對于全球碳循環(huán)進行了廣泛的研究。具體內容包括地球各部分(大氣、海洋和森林等)碳儲量估算,森林生態(tài)系統(tǒng)與其它部分碳的交換量(流)的估算,以及人類干擾對各個庫和流的影響。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中,森林是最大的有機碳的貯庫,占整個陸地碳庫的56%。因此

3、了解森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用,對于研究陸氣系統(tǒng)的碳循環(huán)乃至全球碳循環(huán)都是一個基礎,具有重要的意義。大氣中的二氧化碳被陸地和海洋中的植物吸收,然后通過生物或地質過程以及人類活動，又以二氧化碳的形式返回大氣中。綠色植物從空氣中獲得二氧化碳，經過光合作用轉化為葡萄糖，再綜合成為植物體的碳化合物，經過食物鏈的傳遞，成為動物體的碳化合物。植物和動第2頁（共6頁）物的呼吸作用把攝入體內的一部分碳轉化為二氧化碳釋放入大氣，另一部分則構成生物的機體或在機體內貯存。動、植物死后,殘體中的碳,通過微生物的分解作用也成為二氧化碳而最終排入大氣。一部分動、植物殘體在被分解之前即被沉積物所掩埋而成為有機沉積物。這些

4、沉積物經過悠長的年代，在熱能和壓力作用下轉變成礦物燃料，當它們在風化過程中或作為燃料燃燒時，其中的碳氧化成為二氧化碳排入大氣。人類燃燒礦物燃料以獲得能量時，產生大量的二氧化碳。由于燃燒礦物燃料以及其他工業(yè)活動，二氧化碳的生成量每年遞增，使得大氣中二氧化碳濃度升高，這樣就破壞了自然界原有的平衡。植物通過光合作用從大氣中吸收碳的速率，與通過動植物的呼吸和微生物的分解作用將碳釋放到大氣中的速率大體相等,根據(jù)生態(tài)學原理,一個系統(tǒng)中的自然過程總是有利于系統(tǒng)的結構穩(wěn)定和功能最大化,而非自然過程總是降低或破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,增加系統(tǒng)的不確定性。顯然,大量開采化石燃料以及開采森林等活動都是非自然過程，這些活

5、動導致了大氣二氧化碳濃度的不斷上升。 如下圖，就是一個碳循環(huán)的簡化流程圖：對于全球碳循環(huán)，本文將從地球上各種不同的生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)的調查，來詮釋全球碳循環(huán)。2生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)，指在自然界的一定的空間內，生物與環(huán)境構成的統(tǒng)一整體，在這個統(tǒng)一整體中，生物與環(huán)境之間相互影響、相互制約，不斷演變，并在一定時期內處于相對穩(wěn)定的動平衡狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)的范圍可大可小，相互交錯，最大的生態(tài)系統(tǒng)是生物圈；最為復雜的生態(tài)系統(tǒng)是熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)，人類主要生活在以城市和農田為主的人工生態(tài)系統(tǒng)中。生態(tài)系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，為了維系自身的穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)需要不斷輸入能量，否則就有崩潰的危險；許多基礎物質在生態(tài)系統(tǒng)中不斷循環(huán)，其中碳

6、循環(huán)與全球溫室效應密切相關，生態(tài)系統(tǒng)是生態(tài)學領域的一個主要結構和功能單位，屬于生態(tài)學研究的最高層次。3森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)3.1森林神態(tài)系統(tǒng)的概念森林是一種主要的植物群落類型，約占地球陸地面積的1/3(4.1×109hm2)。森林生物量約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量的90%,生產量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)的70%。森林生態(tài)系統(tǒng)也是一種主要的生態(tài)系統(tǒng)，在全球碳循環(huán)過程中起著重要的作用。在自然狀態(tài)下,森林進行光合同化二氧化碳,固定于生物量中,同時以根生物量和枯落物碎屑形式補充土壤的碳量。在同化二氧化碳的同時,存在林木呼吸和枯落物分解釋放二氧化碳進入大氣這一逆過程,同時固定于木質部分的二氧化碳也會在一

7、定的時間后腐爛或被燒掉,以二氧化碳的形式歸還大氣。因此,從很長的時間尺度考察森林對大氣二氧化碳濃度變化的作用,其影響是很小的,只能是一個不很大的匯。但在短時間尺度來考察,由于單位森林面積中的碳儲量很大,林下土壤中的碳儲量更大,因而森林變化(人類干擾)就有可能引起大氣二氧化碳濃度大的波動。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地中重要的碳匯和碳源,在這個系統(tǒng)中, 植物首先通過光合作用吸收二氧化碳生成有機質貯藏在體內,這是森林吸收碳素的過程，成為碳匯；而后,通過植物自身的呼吸作用要釋放出一部分碳素，同時以枯枝落葉、根屑等形式把碳貯藏在土壤中,而土壤中的碳有一部分會被微生物和其它的異養(yǎng)生物通過分解和呼吸釋放到大氣中，成為

8、碳源。森林生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的碳通量是森林生長過程中固定的碳和干擾過程中釋放碳之間的差值。在自然生長狀態(tài)下，森林生態(tài)系統(tǒng)的凈生產量為正,是個碳匯。然而,由于人類活動的干擾和破壞,尤其是對熱帶森林的亂伐或把其變?yōu)檗r業(yè)用地等行為就會使森林生態(tài)系統(tǒng)的凈生產量為負,從而成為碳源,這應該引起人類的關注,采取有效措施防止森林變成碳源,從而緩和和扭轉全球氣溫變暖的趨勢。3.2森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用從人類認識到溫室氣體尤其是二氧化碳濃度的升高會使全球氣溫變暖,從而帶來一系列嚴重生態(tài)環(huán)境問題時,就展開了對碳素循環(huán)的研究。而森林生態(tài)系統(tǒng)作為吸收二氧化碳釋放氧氣的一個大碳匯,在碳循環(huán)中起著非常重要的作用。全球

9、森林面積為41.61億hm2,其中熱帶、溫帶、寒帶分別占32.9%、24.9%和42.1%。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)地上部的碳為562Gt,森林生態(tài)系統(tǒng)地上部的含碳量為483Gt,占了86%。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)地下部含碳量為1272Gt,而森林地下部含碳約927Gt,占整個世界土壤含碳量的73%。森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用主要取決于以下幾個方面:(1)生物量。森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量貯存著大量的碳素,如按植物生物量的含碳量為45%50%計,那么整個森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量將近一半是碳素含量。森林的生物量與其成長階段的關系最為密切,一般森林據(jù)其年齡可分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林/過熟林,其中碳的累積速度在

10、中齡林生態(tài)系統(tǒng)中最大,而成熟林/過熟林由于其生物量基本停止增長,其碳素的吸收與釋放基本平衡。從森林的年齡結構來估算吸收碳素的潛力是決定森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的一個主要方面。目前,我國森林的結構以幼齡林、中齡林居多,因此我國森林生態(tài)系統(tǒng)中植物固定大氣碳的潛力很大。據(jù)王效科等估算我國森林生態(tài)系統(tǒng)潛在的植物總碳貯量為8.41Pg,現(xiàn)有的實際碳貯存總量只是潛在的植物總碳貯量的44.3%。因此,如果我國的森林生態(tài)系統(tǒng)得到切實有效地保護,那么它將是中國一個重要的碳匯。(2)林產品。森林生態(tài)系統(tǒng)林產品的固碳量是個變化很大的因子。一般林產品根據(jù)其使用壽命可分為短期產品和長期產品。像燃料用木、紙漿用木等屬于短期產

11、品,而膠合板、建筑用木則屬于長期產品。林產品使用壽命的長短在很大程度上也決定著森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。使用壽命長的林產品可以延緩碳素釋放,緩解全球大氣碳濃度的增加,一般來說,耐用林產品的使用壽命可達100200年,在這么長時間里,通過再造林完全可以實現(xiàn)碳素的良性循環(huán)。因此應盡量加工耐用、使用壽命長的林產品。(3)植物枯枝落葉和根系碎屑。這一部分含碳量在整個森林生態(tài)系統(tǒng)中占的比例雖少,但也是一個不容忽略的碳庫。減緩它的沉淀和分解對于森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳量也起到一定的作用。(4)森林土壤。這是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫。不同的森林其土壤含碳量具有很大的差別,在北部森林中森林土壤占有84%總碳量;溫帶森

12、林土壤中的碳占到其總碳量的62.9%;在熱帶森林中,土壤中的含碳量占整個熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的一半。全球森林土壤的含碳量為660927Gt,是森林生態(tài)系統(tǒng)地上部的2-3倍。國內外很多學者都認識到森林土壤碳庫的重要作用,紛紛對其展開研究。目前研究土壤碳庫及其碳循環(huán)和全球變化已成為土壤學的一個新的發(fā)展方向。4濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)4.1濕地生態(tài)系統(tǒng)的概念濕地生態(tài)系統(tǒng)是指介于水、陸生態(tài)系統(tǒng)之間的一類生態(tài)單元。其生物群落由水生和陸生種類組成，物質循環(huán)、能量流動和物種遷移與演變活躍，具有較高的生態(tài)多樣性、物種多樣性和生物生產力。廣闊眾多的濕地具有多種生態(tài)功能,蘊育著豐富的自然資源,被人們稱為“地球之腎”

13、、物種貯存庫、氣候調節(jié)器,在保護生態(tài)環(huán)境、保持生物多樣性以及發(fā)展經濟社會中,具有不可替代的重要作用。4.2濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程濕地碳循環(huán)的過程主要表現(xiàn)為：植物吸收大氣中的二氧化碳與水分， 通過光合作用生成有機物和氧氣，有機物經過食物鏈傳遞被動物吸收，生物死亡后在好氧條件下腐蝕在土壤中的有機質經微生物分解成二氧化碳又釋放到大氣中，在厭氧環(huán)境下則生成CH4釋放到大氣中，同時植物在呼吸過程中也會釋放出二氧化碳。濕地碳循環(huán)影響著二氧化碳和甲烷的平衡：濕地植物吸收大氣中的二氧化碳經光合作用產生有機質供植物吸收并通過食物鏈傳遞給各級高級消費者，動植物殘體在微生物的分解下形成腐殖質儲藏于土壤中，起到固碳

14、作用；同時濕地植物呼吸釋放二氧化碳，微生物在產生腐殖作用的同時也在使有機質發(fā)生礦化，釋放二氧化碳與甲烷，由此可知，濕地土壤既是碳匯又是碳源，由于人類的開墾利用，自然界中二氧化碳、甲烷嚴重失衡， 因此要增強濕地碳匯功能，發(fā)揮濕地在溫室氣體減排中的作用。4.3濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)特點濕地生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性變化是和大氣氣候條件的變化分不開的,溫暖的春季和濕潤的夏季會導致二氧化碳釋放量的增加。目前,較為一致的看法是,熱帶濕地生態(tài)系統(tǒng)是大氣主要來源。但北部高地濕地由于其巨大的碳貯量,同時對氣候條件的變化相當敏感,因此,對大氣碳循環(huán)的貢獻巨大,目前已經成為濕地碳循環(huán)的焦點。土壤對有機碳的固定作用實際上應該是

15、易變形態(tài)成為難變形態(tài),生物可利用形態(tài)成為不可利用形態(tài)。因此,土壤中有機碳與土壤粒子的結合可能受土壤中有機- 無機- 生物的相互作用特點所制約。土壤有機碳固定中團聚體保護機制可能說明有機碳的固定效應。因此,需要從微團聚體水平的有機碳轉化與結合機制上研究土壤對有機碳的固定機制,并探討促進其固定的技術措施。下圖為濕地土壤溫室氣體循環(huán)：4.4濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)的影響因素氣候條件決定濕地水文的季節(jié)變化、凈初級生產力、化學活動能力、有機質的獲得及沉積量等,是濕地碳循環(huán)的生物地球化學過程的重要驅動因素。大氣環(huán)境中日益升高的二氧化碳濃度可以促進植物地上部分及地下部分的生物量產出,同時使土壤的碳循環(huán)速率加快。溫度的變化也是影響全球碳循環(huán)的重要因素。研究表明,高地濕地的碳動態(tài)與溫度密切相關,溫度升高,土壤中有機物分解加快,產生的二氧化碳或者甲烷釋放