全球碳循環(huán)的變化及影響

1、全球碳循環(huán)及其變化和影響（西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系地質(zhì)學(xué)基地班；2009110*）摘要 全球碳循環(huán)研究是全球變化科學(xué)中的研究重點之一，尤其是隨著近些年溫室效應(yīng)的加強及人類活動對碳循環(huán)的影響，全球碳循環(huán)體系中，已經(jīng)發(fā)生了初步的變化，作為全球主要碳庫的大氣、海洋、陸地的作用也在發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在：（1）陸地由最初的碳匯逐漸轉(zhuǎn)變成現(xiàn)在的弱碳源；（2）大洋作為全球碳循環(huán)中最主要的碳匯的作用在減弱；（3）大氣中的C02明顯增多，其成為了主要的碳匯。這些變化對自然界的演化、對人類的生存、 對環(huán)境等都有著嚴重的影響， 為了了解這些變化產(chǎn)生的原因及減緩這些變化，我們有必要對全球碳循環(huán)作進一步的了解，本文將分別從草地

2、、 森林、海洋、氣候等幾個方面去探討引起碳循環(huán)及其變化的原因，并對減緩碳循環(huán)變化提出幾點看法及建議。關(guān)鍵詞 碳庫；碳循環(huán)；碳源；碳匯；氣候變暖為了研究碳循環(huán)，我們首先要了解一下地球上的碳庫。 在碳循環(huán)過程中，我 們所計算的是碳參與的數(shù)量而不是二氧化碳的數(shù)量。地球上總共約1017噸的碳,他們中的大部分都以化石燃料和石灰?guī)r等碳酸鹽巖石的形式存在。碳、煤、石油和天然氣等化石燃料含有4X1012噸的碳，他們大部分由植物的遺骸分解后形成。 甲烷水合物含有的碳為8X 1012噸，它們主要存在于冰晶結(jié)構(gòu)之中，分布于海底 和部分的陸地沉積巖中。巖石、化石燃料、和甲烷水合物組成了地質(zhì)碳庫。大氣 中的碳庫含量也達

3、到了 7300億噸（受四季氣候波動），主要是二氧化碳。其實， 地球上大部分的碳還是貯存在海洋中。空氣中的二氧化碳溶解于水后形成溶解的 無機碳（DIC）。另外，水中的微生物、植物和動物的身體組織里也含有碳。它們 所產(chǎn)生的廢物及死后的遺骸等也含有碳并溶解于水，被稱為溶解的有機碳（DO） 河水將無機碳和有機碳帶入海洋，所以海洋中的碳庫大約是3.8萬億噸。此外，陸地上的碳庫由土壤和有機物組成， 其中土壤中的碳含量為1.5萬億噸（一部分 是有機物死亡后分解產(chǎn)生的碳；另一部分是土壤顆粒間的空隙容量所吸收的大氣 中的二氧化碳），有機物所含的碳為5000億噸，其中大部分來自于植物。（邁克 爾.阿拉貝，2011

4、）全球碳庫儲量庫數(shù)量/噸庫數(shù)量/噸大氣2 X 10 12化石燃料4 X 10 12海洋3.8 X 10 12甲烷水合物8 X 10 12土壤1.5 X 10 12生物圈0.5 X 10 12有機物0.5 X 10 12碳酸鹽巖7.5 X 10 16其他（泥碳）<0.3 X 10 12概括而言，地球上主要有四個碳庫，即大氣碳庫、海洋碳庫、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫和巖石碳 庫從上表可以看出，巖石碳庫的儲量是最大的，但是其形成周期較長，約幾百萬年以上，可 以視為相對靜止.碳循環(huán)碳循環(huán)是碳元素在地球各圈層的流動過程，是一個“二氧化碳一有機碳一碳 酸鹽”系統(tǒng)。光合作用和呼吸作用是碳循環(huán)的兩個主要組成部分。

5、二者每年吸收 和釋放的二氧化碳含量相差無幾，大約是1200億噸。每年海洋所溶解的二氧化碳 是900億噸，而同樣數(shù)量的二氧化碳最終又從海洋回到了空氣中。碳循環(huán)還包括一些小的組成部分。陸地植物死亡后被分解出的碳有些不能直 接進入大氣，其中約有4億噸的碳以有機的形式進入河流并最終隨河水注入海洋。雨水中的碳酸會與巖石中的碳酸鈣發(fā)生反應(yīng)， 所以暴露于空氣和水中的碳酸 鹽石也會風化釋放出二氧化碳，每年產(chǎn)生的碳為2億噸。這些碳被海水帶入海洋。 海洋生物死亡后所分解產(chǎn)生的二氧化碳每年為海洋增加2億噸的碳，所以海洋每年吸收的碳的總量約為8億噸。這其中有兩億噸沉積在海底最終形成碳酸鹽巖層， 其余的6億噸會再度回到

6、空氣中。已經(jīng)死亡的植物有一小部分被埋在地下，處于真空狀態(tài)，還有些在河口和湖口形成實心泥，有些變成化石并最終變成煤和泥碳。參與這一過程的碳約為3億噸?；鹕絿姲l(fā)平均每年產(chǎn)生1億噸的碳。以上是自然界碳循環(huán)的主要過程，下圖和表是對這一過程的簡單呈現(xiàn)。自然界碳循環(huán)碳源年釋放量（10億噸）碳匯年吸收量（10億噸）呼吸作用132光合作用132海洋99.66海洋99火山0.11沉積成巖石0.22風化0.22風化0.22海洋生物分解0.22來自陸地的有機碳0.44化石作用0.33總量232.21232.21碳循環(huán)示意圖碳在大氣中始終處于運動狀態(tài)并被植物吸收利用.動植物將碳傳給土壤中的有機生物生物和海底沉積物后又

7、通過呼吸作用將其釋放回大氣下面從陸地、海洋、大氣三個方面詳細介紹碳循環(huán)：陸地碳循環(huán)陸地生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存與持續(xù)發(fā)展的生命支持系統(tǒng)， 是全球生態(tài)系統(tǒng) 碳循環(huán)的重要組成部分 , 在全球碳收支中占主導(dǎo)地位。總的來說，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程主要包括兩方面內(nèi)容： 一是指植物通過 光合作用吸收CO,將碳貯存在植物體內(nèi)，固定為有機化合物，形成初級生產(chǎn)量， 同時又在不同的時間尺度上通過各種呼吸途徑將 CO返回大氣；二是指有機物的 代謝，一部分有機物通過植物自身的呼吸作用和土壤及枯枝落葉層中有機質(zhì)的腐 爛即異氧呼吸返回大氣， 未完全腐爛的有機質(zhì)經(jīng)過漫長的地質(zhì)過程形成化石燃料 儲藏于地下，另一部分則通過各種人

8、為和自然因素進入大氣一植被一土壤一巖石 一大氣的碳庫之間的循環(huán)過程。陸地生態(tài)系統(tǒng)主要分為森林生態(tài)系統(tǒng)、 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、 草地生態(tài)系統(tǒng)以及濕 地等生態(tài)系統(tǒng) 。碳的蓄積、儲量或潛力在不同生態(tài)系統(tǒng)中有較大差異，同時受 人類活動的影響也不同。1、 森林生態(tài)系統(tǒng)森林是陸地上面積最大、 結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、 生物量最大、 初級 生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)， 森林生態(tài)系統(tǒng)在地圈、 生物圈的生物地球化學(xué)過程中起 著重要的“緩沖器”和“閥”的功能，陸地生態(tài)系統(tǒng)中的大部分碳源都蓄積在森 林中。在這個系統(tǒng)中，森林的生物量、植物碎屑和森林土壤固定碳素成為碳匯， 森林及森林中微生物、動物、土壤等的呼吸、分解釋放碳素到大氣中成為碳源。

9、 如果森林固定的碳大于釋放的碳就成為碳匯， 反之成為碳源。 碳積蓄在森林生態(tài) 系統(tǒng)中，主要以兩種形式存在：一是以生物量即樹干、樹枝、樹葉和樹根等形式 儲存；二是以土壤有機碳的形式儲存。 目前森林包含的碳儲量約占陸地生物圈地 上碳儲量的 80 和地下碳儲量的 40 ，其中約有 23存在于土壤有機質(zhì)中， 只 有約13儲存在植被中 ，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：一是生物量， 植物生物量中含碳量約達到 45 一50 ，即整個森林生態(tài) 系統(tǒng)的生物量中約有一半是碳素含量。 而森林的生物量與其成長階段有著密切關(guān) 系，按照生長時間，森林一般可分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林，碳的生

10、 物量在中齡林中達到最大，成熟林達到基本的吸收釋放平衡 。二是植物枯枝落 葉和根系碎屑， 這部分儲存的碳量在整個森林生態(tài)系統(tǒng)中占的比例很少， 但減緩 枯枝的分解對于森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳也起到了一定作用。 三是森林土壤， 森林土 壤是該生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫不同的森林類型土壤含碳量具有很大的差別 。2、 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，而且是 全球碳庫中最活躍的部分。 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程是在人類活動干擾下的生態(tài) 系統(tǒng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。 在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中， 碳主要以植物有機質(zhì)和土壤蓄積的形式 存在。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中具有特殊的地位： 一方面， 農(nóng)作物在生長發(fā)育過 程中會通過呼

11、吸作用吸收二氧化碳，釋放氧氣；另一方面，發(fā)展農(nóng)業(yè)，滿足糧食 供給會增加碳的排放量， 不合理的農(nóng)田活動和土地利用變化改變了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 的碳收支狀況。3、 草地生態(tài)系統(tǒng)草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的主體類型，約占陸 地總面積的四分之一到三分之一， 對氣候和環(huán)境變化反應(yīng)十分敏感， 草地生態(tài)系 統(tǒng)的碳循環(huán)是維系陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本機制之一， 并與陸地生態(tài)系統(tǒng)的維持、 發(fā) 展和穩(wěn)定性機制密切聯(lián)系。草地生態(tài)系統(tǒng)中，綠色植物通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳合成有機 物，植物枯死后的凋落物經(jīng)腐殖化作用， 形成土壤有機碳固定在土壤中， 這部分 有機碳經(jīng)土壤動物和土壤微生物的礦化作用， 可被植物重新利用。 同時

12、， 植物光 合作用固定的有機碳還可通過植物自身的呼吸作用、 凋落物的異養(yǎng)呼吸以及土壤 的呼吸作用重新進入大氣， 構(gòu)成系統(tǒng)與大氣間的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。 草地生 態(tài)系統(tǒng)中的碳絕大部分儲存在土壤中，碳蓄積長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。4、 濕地生態(tài)系統(tǒng)濕地包括各類沼澤、泥炭地、咸、淡水體，以及低潮位 時6n水深以內(nèi)的海域，是一類時空差異極大的生態(tài)系統(tǒng)，因此具有較低的有機質(zhì) 分解速率和較高的生產(chǎn)力成為重要的碳匯。 據(jù)研究濕地植物凈化的碳僅有 15釋 放到大氣中，表明濕地生態(tài)系統(tǒng)能作為一個抑制大氣 CO升高的碳匯。然而，氣 候變暖引起濕地水溫和土壤溫度升高，使 冰層覆蓋變化、 凍原融化、濕地水位下降影響濕地生態(tài)

13、系統(tǒng)的生物群落演替及生 物地球化學(xué)過程。濕地生態(tài)系統(tǒng)中的碳幾乎全部作為死的有機物存儲在土壤中， 且受人類活動的影響很大。海洋碳循環(huán)海洋在全球碳循環(huán)中起著極其重要的作用 , 海洋是地球上最大的碳庫。 海洋 儲存碳是大氣的 60倍, 是陸地生物土壤層的 20 倍。海洋中的碳主要以溶解無機碳（D IC）、溶解有機碳（DOC）顆粒有機碳（POC） 等形式存在 , 以溶解無機碳居多。 海洋碳循環(huán)是碳在海洋中吸收、 輸送及釋放的 過程,主要包括CO的海-氣通量交換過程、環(huán)流過程、生物過程和化學(xué)過程。海洋碳循環(huán)可以分為三個方面。 第一方面是“碳酸鹽泵”, 就是大氣中的 CO2 氣體被海洋吸收 , 并在海洋中

14、以碳酸鹽的形式存在； 第二方面是“物理泵”, 即 混合層發(fā)展過程和陸架上升流輸入 , 它與海洋環(huán)流密切相關(guān)； 第三方面是“生 物泵”, 即生物凈固碳輸出 , 它是浮游植物光合固碳速率減去浮游植物、 浮游動 物和細菌的呼吸作用速率 , 也就是通過生物的新陳代謝來實現(xiàn)碳的轉(zhuǎn)移 , 在海 洋中主要是通過海洋浮游植物的光合作用來實現(xiàn)的。大氣碳循環(huán)大氣中碳含量并不高， 但是大氣中碳循環(huán)卻是至關(guān)重要的， 大氣將陸地和海 洋碳循環(huán)鏈接為一個整體，構(gòu)成了整個全球的碳循環(huán)。大氣碳循環(huán)主要有三類： 1、大氣中的碳被陸地上的有機體吸收，主要是植 物的光合作用及土壤中有機體合成； 2、在氣水界面被海水吸收，進入海洋碳

15、循 環(huán)體系；3、地質(zhì)作用（如火山等）及有機體的呼吸作用釋放 CC2進入大氣碳循 環(huán)。大氣碳循環(huán)直接影響著全球碳循環(huán)，與人類的生活及生存也直接相關(guān)。上面介紹了碳循環(huán)的主要過程， 接下來探討一下近些年來全球碳循環(huán)變化及 其原因。碳循環(huán)變化及原因探討從大的范疇來講，近些年全球碳循環(huán)的變化主要表現(xiàn)在：（ 1）陸地由最初 的碳匯逐漸轉(zhuǎn)變成現(xiàn)在的弱碳源；（ 2）大洋作為全球碳循環(huán)中最主要的碳匯的 作用在減弱；（3）大氣中的CO明顯增多，其成為了主要的碳匯。究其原因， 主要有以下幾點：土地荒漠化 土地荒漠化將不僅引起土壤有機碳礦化 , 更重要的是從根本 上改變了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ,。土地荒漠化使得原來土壤中固定

16、的碳釋放到了大氣中， 增加了大氣中的碳含量草原開墾 草原開墾影響土壤碳貯量最為劇烈。草原開墾為農(nóng)田通常導(dǎo)致 土壤有機碳的大量釋放。 開墾后伴隨的燒荒措施使原來固定在植被中的碳素全部 釋放到大氣中。開墾使土壤有機質(zhì)充分暴露在空氣中 , 土壤溫度和濕度條件得到 改善, 從而極大地促進了土壤呼吸作用 , 加速了土壤有機質(zhì)的分解。 此外, 多年 生牧草被作物取代后使初級生產(chǎn)固定的碳素向土壤中的分配比例降低 （生物量的 地下與地上比例降低 ） , 收割又減少了地上生物量碳向土壤的輸入， 使得陸地逐 步轉(zhuǎn)向碳源。過度放牧 過度放牧可使草地固定碳素的能力降低 , 家畜采食減少了碳素 由植物凋落物向土壤中的輸

17、入。有研究表明 , 過度放牧可促進土壤的呼吸作用 從而加速了碳素從土壤向大氣中釋放。森林破壞 森林在全球碳循環(huán)的過程中是一個巨大的碳匯，但隨著森林破 壞、退化的加劇、火災(zāi)等因素的影響，森林生態(tài)系統(tǒng)作為碳匯的作用減弱，甚至 加劇全球的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的進一步惡化。氣候變暖 氣候變暖通過影響NPP（生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)力）和Rh （土壤呼吸）對植被碳庫和土壤碳庫產(chǎn)生影響， 同時還可以改變凋落物的產(chǎn)量及分解速 率。近年來對氣候變暖對NP及Rh的影響有不同的看法，但是其最終作用使得陸 地轉(zhuǎn)變成一個弱碳源卻是毋庸置疑的。 此外，研究表明全球氣候變化對海洋碳的 吸收有負效應(yīng)，甚至?xí)?dǎo)致CG吸收的減弱

18、。大氣中二氧化碳增加，有效輻射相 對就會減少 , 海水表面的溫度會隨之增高 , 海水的穩(wěn)定度加大 , 從而海吸收二 氧化碳的能力就會減少 , 大氣中二氧化碳的含量會相應(yīng)增加。地質(zhì)作用 近幾年來，地質(zhì)活動比較活躍，也導(dǎo)致部分原本的“死”碳重新 進入的大氣中。以上只是我的幾點淺顯看法，由于知識有限，不能探本溯源，望老師體諒。 以上這些因素的綜合影響， 導(dǎo)致了全球碳循環(huán)的變化， 這些變化，對自然界、 對人類都有著嚴重的影響。碳循環(huán)變化的影響全球碳循環(huán)的變化是方方面面的，其主要的影響體現(xiàn)在溫室效應(yīng)的明顯增 強，大氣升溫可以影響冰期旋回， 可以致使海平面上升， 可以導(dǎo)致全世界降雨格 局變化等等，在此不再

19、贅述。其實大自然的碳循環(huán)是平衡的，近些年碳循環(huán)的變化主要是因為人類的活 動導(dǎo)致（上述原因歸根結(jié)底主要都是人類的活動） ，大量化石燃料的燃燒、植被 的破壞、人口的劇增等等都使碳循環(huán)失去平衡， 為了減緩碳循環(huán)的變化， 我們應(yīng) 該反省我們的行為， 當然，一些科技的手段也是很有效的， 比如說日本科學(xué)家在 深海發(fā)現(xiàn)的海底病毒可以固定大量的碳。 總之，只要我們認識到碳循環(huán)變化的嚴 重性，并作出相應(yīng)的措施， 相信碳循環(huán)的變化被減緩是必然的， 當然要回到正常 的碳循環(huán)還是需要努力地。參考文獻：1 鐘華平 , 樊江文 , 于貴瑞 , 等。草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究進展。 草地學(xué)報，2005，1007-0435 （2005） 增刊 0067-07 。2 科學(xué)通報，專題：地質(zhì)作用與碳循環(huán)， 2011。3 譚娟，沈新勇，李清泉。海洋碳循環(huán)與全球氣候變化相互反饋的研究進展。氣象研究與 應(yīng)用， 2009,1673-8411.4 徐小鋒，田漢勤，萬師強。氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響。 植物生態(tài)學(xué)報， 2007,31 （2）175-188.5 曲建生，孫成權(quán)，張志強，高峰。全球變化科學(xué)中的碳循環(huán)研究進展與趨向。地球科學(xué) 進展， 2003,0620980208.6 李銀鵬，季勁均。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間碳交換的模擬研究。地理學(xué)報， 2001,04-0