人類精彩活動對碳循環(huán)地影響

1、word課程論文人類活動對碳循環(huán)的影響word人類活動對碳循環(huán)的影響摘要：隨著近些年溫室效應的加強與人類活動對碳循環(huán)的影響，全球碳循環(huán)體 系中，已經發(fā)生了初步的變化，在地球系統(tǒng)中，海洋、大氣和陸地以與其中的生 命與非生命局部都存在著相互聯(lián)系。人類正在以各種方式根本性地改變著地球的 各種系統(tǒng)和循環(huán)。碳循環(huán)是一個極其復雜的地球化學循環(huán)過程，包括碳元素在各 個儲庫的貯存和在不同儲庫之間的流通。 不同時間尺度的碳的自然循環(huán)都保持著 動態(tài)平衡狀態(tài)。人類活動觸動了這種平衡機制，成為當前全球碳循環(huán)變化的主要 驅動因子。本文主要探討碳循環(huán)的概念與其變化的原因， 并對減緩碳循環(huán)變化提 出展望與建議。關鍵詞：碳儲

2、庫；碳循環(huán)；人類活動引言：碳元素不是地球上豐度最高的元素，但它獨特的原子結構使其成為存在形式 最為復雜的元素，也是地球上化合物種類最多的元素。碳元素有4個共價鍵，這些鍵很容易跟其他元素成長而穩(wěn)定的復雜分子，以吸收、儲存、交換周圍環(huán)境的 物質和能量。自然界的碳穩(wěn)定同位素有 C和C兩種，豐度分別為98. 89和 1. 11 ,我們熟知的MO碳的放射性同位素，半衰期是5 730 a。碳元素的自然 賦存狀態(tài)有單質和化合物，其中包括數(shù)以百萬計的有機化合物。自然界中碳同位 素的分儲主要有動力學分儲效應和碳同位素交換反響。從根本上影響碳同位素分儲的是生物因素。但生物過程復雜多變，難以像物理過程那樣遵循一些根

3、本原如 此而得出準確嚴謹?shù)慕忉?。這也正是為什么碳循環(huán)的研究要比水循環(huán)更加復雜的原 因。研究自然界中碳的循環(huán)規(guī)律是揭示地球環(huán)境因子變化的重要手段。一方面， 碳在自然界的物質循環(huán)過程影響著地球氣候與環(huán)境的變化，CO2在大氣中含量的變化是地球氣候發(fā)生改變的關鍵；另一方面，碳是生命物質的最根本元素之一， 生命活動是碳元素在自然界進展循環(huán)的最重要影響因素。由于生命有機物質中碳word元素中“輕碳 （C）比“重碳（塢C）含量高，因此通過研究巖石中碳的同位素 組成比例的變化可以了解地質時期生命活動與碳循環(huán)的關系，從而揭示大氣和海洋環(huán)境因子的變化過程。1碳循環(huán)概述自然界中絕大多數(shù)的碳并非儲存于生物體內，而是儲

4、存于大量的地殼沉積巖 中。一方面沉積巖中的碳因自然和人為的各種化學作用分解后進入大氣和海洋； 另一方面生物體死亡以與其他各種含碳物質又不停地以沉積物的形式返回地殼 中，由此構成了全球碳循環(huán)的一局部。碳的生物循環(huán)雖然對地球的環(huán)境有著很大 的影響，但是從以百萬年計的地質時間上來看， 緩慢變化的碳的地球化學大循環(huán) 才是地球環(huán)境最主要的控制因素。1. 1碳元素的分布從全球的角度講，碳元素分布于地球各圈層假如干主要的儲庫中。碳有著 巨大的不活動的地質存儲庫如巖石圈等和較小的、但在生態(tài)學上活動積極 的大氣圈庫、海洋庫和生物庫。碳的化學形態(tài)常隨所在庫的不同而變化。在巖 石圈中以有機碳和無機碳酸鹽的形態(tài)存在；

5、在大氣圈中以CO2 CHLCOffi姓:類氣體的形態(tài)存在；在海洋中也以有機碳、無機碳的多種形式存在；而在生物庫 中如此存在著幾百種被生物合成的有機物質。這些物質的存在形態(tài)受到各種因 素的調節(jié)。大氣圈大氣中所含碳元素最少，主要是 CO2、C悌DCO抗體。CO2是最主要的溫室 氣體，工業(yè)革命以來，人類活動使大氣中 CO2濃度持續(xù)增長，導致了全球氣候 變暖、海平面上升等后果。水圈通常大洋碳儲庫被分為表層和深層兩個儲庫來研究。表層海水與大氣圈存在 活躍的交換，廣闊的大洋水體中溶解了大量的CO2,浮游生物也會通過制造自身 的骨骼殼體而將碳元素固定下來。表層碳儲庫較之深海儲庫儲量較小，但它的重word要性

6、不容小覷，它不僅是海一氣相互作用的主要場所， 還是進入深海的通道。深 海碳庫得益于大洋表層水的“泵作用：生物泵一一海水表層溶解的CO皴浮游 生物利用制造成有機質和碳酸鈣質的骨骼，生物死亡后沉到海底進入海洋沉積， 生出海洋和大氣的碳循環(huán)；碳酸鹽泵一一 表層海水對碳酸鹽過飽和，不斷地有 碳酸鹽礦物晶體形成，在沉入深海的過程中隨著壓力的升高和溫度的降低逐漸溶 解，至補償深度（CCD）®酸鹽全部消失。陸地生物囤2003IPCC®表的報告估計，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量約 24 770億t,其中 植被4 660億t, 土壤20 110億t。值得一提的是森林生態(tài)系統(tǒng)，作為陸地生態(tài)系 統(tǒng)中最

7、大的碳儲庫，森林植被的碳儲量約占全球植被的 77 ,森林土壤的碳儲量 約占全球土壤的39%而單位面積的森林儲存的碳是農田的 2品100音。巖石圈儲量最大的巖石圈儲庫包括大陸碳酸鹽巖、海床碳酸鹽巖、有機碳油母質與 地幔物質，跟其他圈層碳交換較少。地幔中有大量的溶解于橄欖巖等熔巖里的碳，“地下海洋看似波濤不驚，一旦發(fā)生大規(guī)模的巖漿噴發(fā)，蘊藏于地幔中的碳酸 鹽類將以CO2的形式進入地表的大氣與海洋，具所造成溫室效應的規(guī)模將遠超 過我們的想象。1. 2碳素的滯留時間碳元素在儲庫之間通過物理的、化學的和生物的過程相互交換，保持一種長 期的動態(tài)平衡。根據(jù)公式：滯留時間一總量/速率，我們不難得出碳在各個儲庫

8、 的滯留時間。大儲庫的周轉較之小儲庫速度要慢得多。1. 3不同時間尺度的碳循環(huán)地球上的碳循環(huán)至少有3個層次：生物圈與大氣圈間的 CO2循環(huán)是季節(jié)到百 年尺度的周期；涉與深海的碳酸鹽沉積與溶解，碳循環(huán)的時間尺度就長達萬年級； 而板塊運動中巖石圈的碳循環(huán)如此長達千萬年以上 L2。1 . 4碳源和碳匯任何釋放碳素的過程謂之“源，固定碳素的過程稱為“匯。碳源和碳匯 都是以大氣圈為參照系，以向大氣中輸入碳或從大氣中輸出碳為標準來確定。最終決定一個體系是源還是匯的是碳的凈收支。因為大氣 CO維度對于人類的影響word最為直接，“一萬年太久，只爭朝夕，人類最為關心的莫過于短時間尺度上的 碳源和碳匯的變化。對

9、于幾年到幾百年的時間尺度，全球碳循環(huán)主要是以CO酌形式在生物圈、海洋和大氣圈中進展。植物光合作用吸收大氣中的CO2,把碳用 于生長，從而完成將大氣中的CO2固定到陸地生物圈的過程；而植物的呼吸以 與生物體的燃燒和腐爛等有機物的分解，如此是以相反方式完成將碳返還到大氣 中的過程。海洋的透光層中也存在相似的光合和呼吸作用。 海洋的非生物物理化 學過程也在不斷地吸收和釋放CO2大氣中的總碳量每年約有10%的收支，其中 一半是與陸地生物群落交換，另一半如此通過物理和化學過程穿過海洋外表。陸 地、生物圈和海洋含碳量遠大于大氣中的含碳量，所以，這些大的碳庫的很小的變化都可以對大氣CO2濃度有很大的影響。人

10、類活動就是通過改變這些源和匯 從而影響碳循環(huán)的。2人類活動與碳循環(huán)在過去的幾千年中，海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)等自然碳源排人大氣的大量 CO2已 通過光合作用和海洋吸收等自然過程的去除作用幾乎完全平衡。工業(yè)革命以前， 大氣中的CO維度平均值約為280X 10A (-6) o,變化幅度大約在10x 10 A (-6)以 內，平均而言，這一時期的自然碳收支處于很好的平衡態(tài)。工業(yè)革命之后的幾百年里，大氣中的CO2濃度增加31 , 1995年大氣中的CO維度達到360X 10A (-6)。 人類活動造成的碳收支失衡不斷增長、積累，碳循環(huán)的平衡開始被破壞。這種非 平衡態(tài)導致了大氣中多余CO2的累積。綜合來說，人

11、類活動對全球碳循環(huán)的影響表現(xiàn)在 3方面：一是人為增加碳源； 二是人為減少碳匯；三是氣候變暖的反響作用。雖然這種反響通過自然作用完成， 不是人類的直接行為，但是終究氣候變暖是人類過度排放溫室氣體的后果， 所以， 將其歸因于人為因素并不為過。2. 1化石燃料的燃燒化石燃料的燃燒和工業(yè)排放是人為增加的最大碳源?；剂系脑洗蠖嗍?數(shù)百萬年甚至數(shù)億年前埋在地下的有機體，經長期的高熱高壓作用而以氣體、液5 / 9word體或固體的形式貯存于地層中，都是具有高碳量的物質。通過燃燒化石燃料獲取 能源，人類每年向大氣排放約220億t的CO2占人類活動總排放量的70%90% 從全球尺度來看，火山排放的CO如不

12、與人類活動排放量的1% o況且，火山排放 的和動植物呼出的CQ 一直以來都是自然碳循環(huán)的一局部， 已達到了近乎平衡的 狀態(tài)，對大氣CO濃度變化幾乎沒有影響。事實上，人類透支了巖石圈的駐留碳 素，“人類利用化石燃料改變了碳的天然循環(huán)，把沉積圈中的復原碳過早地釋放 到大氣中，人為地加快了沉積圈和其他圈層的碳交換。 這無異于打開了潘多拉 魔盒，可能造成如同自然巖漿噴發(fā)一樣的碳循環(huán)突變。2. 2 土地利用方式的改變陸地生態(tài)系統(tǒng)是最活躍的碳循環(huán)因素，具有很大的不確定性。按照生態(tài)類型 劃分，全球的碳有46%貯存在森林，23%貯存在熱帶與溫帶草原，其余貯存在耕 地、濕地、凍原、高山草地與沙漠半沙漠中。不同的

13、土地利用方式改變了地表植被和土壤的分布，導致C02釋放量與吸收量的變化，即改變了自然碳源和碳 匯。2. 3森林生態(tài)系統(tǒng)的變化人類的生存有賴于農業(yè)，開展依附于工業(yè)。為了進展這兩項滿足自身需要的 活動，人類不斷地砍伐森林，在溫帶和亞熱帶森林大面積破壞之后， 熱帶森林也 開始遭受消滅。全球森林和海洋是大氣 C02的兩個最主要的匯。森林面積的減 少、樹木的砍伐與枯葉腐殖層的破壞使得森林作為大氣 C02E的功能變弱甚至消 失。形象地說，森林如同C02的銀行，兼具吸收、貯存、釋放C02的機能。輕 易動用銀行的外匯儲藏是十分危險的事情， 同樣的，森林碳匯也應該具有一定的 長期穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，人造林的增加局部補

14、償了原始森林碳匯的消失。但是，森林 一般需要上百年的時間才能達到最優(yōu)的碳吸收狀態(tài)。人工造林是亡羊補牢的做 法，控制地球天然林的減少才是根本。碳匯是地球上可暫時或長期吸取大氣中 C02、并以不同形式貯存在吸收體中的碳會聚物，森林實際上是一個緩沖碳匯， 減緩了 C02在大氣中的累積速度，延遲了其對氣候的影響。2. 2. 2農業(yè)用地的管理不善草場對碳的吸收量也不容小覷， 它與森林的作用同等重要。處在高寒地 區(qū)的青藏高原的草地生態(tài)系統(tǒng)溫度低，碳的吸收量大而排放量小，即碳固定大于 碳排放，表現(xiàn)為碳匯，對全球C02吸收的貢獻是很大的。然而，過度放牧、開word墾耕地致使草場退化和土地荒漠化， 人為地破壞了

15、草地碳匯。止匕外，對于耕地的 不合理利用也會大大增加CO2的排放。目前，全世界每年燃燒煤炭、石油和大 然氣等化石燃料排放到大氣中的CO2總量折合成碳大約是6O乙t ;每年由于土地 利用變化和森林破壞釋放約15億t。而每年大氣中碳的凈增加大約是38億t,其余 的37億t如此被海洋和陸地生物圈吸收，其中海洋吸收約20乙t,陸地生物圈吸收 約17億t。這75億t的人為排放C02ft終去向如圖3所示。可以看出，約有50%C02 留在大氣中。春時期，但是由波和流提供的再懸浮能量最大值卻出現(xiàn)在冬季，這將導致沉積物的暫時性沉積，它們中的大局部將隨著下一個冬季比擬活躍的動力 環(huán)境的開始而發(fā)生侵蝕和擴散。因而在

16、Po陸架上，短期和長期沉積模式的關系應 當與華盛頓陸架上的更為相似，而不是 Eel陸架?？墒菍τ赑0擊架，洪水沉積和 長期沉積的模式是相似的，這主要是因為 P0擊架上冬季平均波高只有23項由 于缺乏極度活躍的動力環(huán)境，因此波河可能不具備擴散在洪水期間輸運來的大量 沉積物的能力，從而使得大局部沉積物保存在它的初始位置。Po系統(tǒng)與Eel系統(tǒng)（短期洪水模式-二長期堆積模式）結果的相似性是因為它們各自的洪水發(fā)生的環(huán) 境也同樣控制著長期沉積物的擴散。上放射性波動起伏并不是由于粒度的改變，而是由于在洪水事件的快速沉積作用期間到達海床上的具有變化放射性的沉積物堆積的結果。在這些支流附近， 沉積速率為研究區(qū)域

17、中的最高值（14 cm/a）,并且在巖心中觀察到自然沉積構 造。在這些支流之間和此擴散系統(tǒng)的南部，沉積作用比擬緩慢 （1 c"a）且處于 穩(wěn)定狀態(tài)，反映了非洪水期間的沉積作用。海床的生物混合作用在這些區(qū)域具有 較大的影響，并且在沉積物被埋藏保存之前對自然層理有所改造。長期沉積（100 a）的沉積中心與觀察到的2003洪水之后沉積中心相一致，更加突出了Po陸架七洪水的重要性。波河現(xiàn)代沉積物總輸運量中大約有一半堆積在Po擊架上，剩余局部很可能在西亞得里亞海盛行環(huán)流的作用下向南輸運。2. 4氣候變暖的反響作用全球變暖導致海平面上升，大氣濕度增加，植被帶發(fā)生遷移。熱帶雨林和寒溫帶落葉闊葉林面

18、積的增加引起生物庫和土壤庫的碳儲量增加；沙漠、半沙漠寒溫帶常綠針葉林和凍原面積的減少使得土壤碳庫相應縮減，但其減少量遠小于前word兩者生物庫增加的量。3結語前已提與，地球上的碳循環(huán)大體分成 3個層次一一構造尺度、軌道尺度和生 物尺度。驅動這些循環(huán)的最重要因子有地殼運動、天文軌道和生物過程包括人類 的活動。人類處于生物演化的最高階段，能夠主動地去改造自然，人類活動有潛 力改變地球系統(tǒng)，使其按照不可逆轉的替代型模式運行。 受不同因素支配的不同 時間尺度的碳循環(huán)是演進過程中循環(huán)性的表現(xiàn)。 人類活動有意或無意觸發(fā)了碳循 環(huán)的天然儲庫，重新排布了碳源和碳匯，如果這些改變越過了某個閾值， 很可能 會給地

19、球系統(tǒng)帶來災難性后果?？傊?，只要我們認識到碳循環(huán)變化的嚴重性， 并 作出相應的措施，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)，還是需要努力的。一方面，各國政府應制定能源節(jié)省方案；另一方面，注意 分析影響土地利用變化的社會經濟因素， 制定科學的土地利用政策。止匕外，人口 問題仍然是根本性的問題，控制人口增長也是促進碳循環(huán)平衡的有效途徑之一。參考文獻1汪品先.氣候演變中的冰和碳J .地學前緣，2002, 9(1) : 85 94.2汪品先.深海研究和新世紀的地球科學c / “百年科技回顧與展望.某某：某某教育，2000: 181-211.3陳 駿,王鶴年.地球化學M.:科學，20

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