碳是怎么來(lái)的？一起了解碳循環(huán)

1.碳循環(huán)

碳循環(huán)，是指碳元素在地球上的生物圈、水圈、巖石圈及大氣圈中交換，并隨地球的運(yùn)動(dòng)循環(huán)不止的現(xiàn)象。

生物圈中的碳循環(huán)主要表現(xiàn)在綠色植物從大氣中吸收二氧化碳，在水的參與下經(jīng)光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖并釋放出氧氣，有機(jī)體再利用葡萄糖合成其他有機(jī)化合物。

有機(jī)化合物經(jīng)食物鏈傳遞，又成為動(dòng)物和細(xì)菌等其他生物體的一部分。

生物體內(nèi)的碳水化合物一部分作為有機(jī)體代謝的能源經(jīng)呼吸作用被氧化為二氧化碳和水，并釋放出其中儲(chǔ)存的能量。

碳循環(huán)過(guò)程，大氣中的二氧化碳大約20年可完全更新一次。自然界中絕大多數(shù)的碳儲(chǔ)存于地殼巖石中，巖石中的碳因自然和人為的各種化學(xué)作用分解后進(jìn)入大氣和海洋，同時(shí)死亡生物體以及其他各種含碳物質(zhì)又不停地以沉積物的形式返回地殼中，由此構(gòu)成了全球碳循環(huán)的一部分。

碳元素在大氣、土壤、巖層及動(dòng)植物間流轉(zhuǎn)的過(guò)程。藻類(lèi)和綠色植物經(jīng)由光合作用，將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)換為碳水化合物，再經(jīng)動(dòng)物的呼吸作用，尸體分解及燃燒等形式而回歸大氣。所以碳素循環(huán)始終維持平衡。

地球上最大的兩個(gè)碳庫(kù)是巖石圈和化石燃料，含碳量約占地球上碳總量的99.9%。

自然界碳循環(huán)的基本過(guò)程如下：大氣中的二氧化碳(CO2)被陸地和海洋中的植物吸收，然后通過(guò)生物或地質(zhì)過(guò)程以及人類(lèi)活動(dòng)，又以二氧化碳的形式返回大氣中。

生物和大氣之間的循環(huán)

綠色植物從空氣中獲得二氧化碳，經(jīng)過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，再綜合成為植物體的碳化合物，經(jīng)過(guò)食物鏈的傳遞，成為動(dòng)物體的碳化合物。

植物和動(dòng)物的呼吸作用把攝入體內(nèi)的一部分碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳釋放入大氣，另一部分則構(gòu)成生物的機(jī)體或在機(jī)體內(nèi)貯存。

動(dòng)、植物死后，殘?bào)w中的碳，通過(guò)微生物的分解作用也成為二氧化碳而最終排入大氣。

大氣中的二氧化碳這樣循環(huán)一次約需20年。

一部分(約千分之一)動(dòng)、植物殘?bào)w在被分解之前即被沉積物所掩埋而成為有機(jī)沉積物。這些沉積物經(jīng)過(guò)悠長(zhǎng)的年代，在熱能和壓力作用下轉(zhuǎn)變成礦物燃料--煤、石油和天然氣等。當(dāng)它們?cè)陲L(fēng)化過(guò)程中或作為燃料燃燒時(shí)，其中的碳氧化成為二氧化碳排入大氣。人類(lèi)消耗大量礦物燃料對(duì)碳循環(huán)發(fā)生重大影響。

一方面沉積巖中的碳因自然和人為的各種化學(xué)作用分解后進(jìn)入大氣和海洋;另一方面生物體死亡以及其他各種含碳物質(zhì)又不停地以沉積物的形式返回地殼中，由此構(gòu)成了全球碳循環(huán)的一部分。碳的生物循環(huán)雖然對(duì)地球的環(huán)境有著很大的影響，但是從以百萬(wàn)年計(jì)的地質(zhì)時(shí)間上來(lái)看，緩慢變化的碳的地球化學(xué)大循環(huán)才是地球環(huán)境最主要的控制因素。

大氣和海洋之間的交換

二氧化碳可由大氣進(jìn)入海水，也可由海水進(jìn)入大氣。這種交換發(fā)生在氣和水的界面處，由于風(fēng)和波浪的作用而加強(qiáng)。這兩個(gè)方向流動(dòng)的二氧化碳量大致相等，大氣中二氧化碳量增多或減少，海洋吸收的二氧化碳量也隨之增多或減少。

含碳鹽的形成和分解

大氣中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成為碳酸，碳酸能把石灰?guī)r變?yōu)榭扇軕B(tài)的重碳酸鹽，并被河流輸送到海洋中，海水中接納的碳酸鹽和重碳酸鹽含量是飽和的。新輸入多少碳酸鹽，便有等量的碳酸鹽沉積下來(lái)。通過(guò)不同的成巖過(guò)程，又形成為石灰?guī)r、白云石和碳質(zhì)頁(yè)巖。在化學(xué)和物理作用(風(fēng)化)下，這些巖石被破壞，所含的碳又以二氧化碳的形式釋放入大氣中。火山爆發(fā)也可使一部分有機(jī)碳和碳酸鹽中的碳再次加入碳的循環(huán)。碳質(zhì)巖石的破壞，在短時(shí)期內(nèi)對(duì)循環(huán)的影響雖不大，但對(duì)幾百萬(wàn)年中碳量的平衡卻是重要的。

人類(lèi)活動(dòng)

人類(lèi)燃燒礦物燃料以獲得能量時(shí)，產(chǎn)生大量的二氧化碳。從1949年到1969年，由于燃燒礦物燃料以及其他工業(yè)活動(dòng)，二氧化碳的生成量估計(jì)每年增加4.8%。其結(jié)果是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，可能導(dǎo)致氣候異常。礦物燃料燃燒生成并排入大氣的二氧化碳有一小部分可被海水溶解，但海水溶解態(tài)二氧化碳的增加又會(huì)引起海水中酸堿平衡和碳酸鹽溶解平衡的變化。

2.森林生態(tài)系統(tǒng)的作用

森林生態(tài)系統(tǒng)作為吸收二氧化碳釋放氧氣的的大碳匯在碳循環(huán)中起著非常重要的作用。全球森林面積為41.61億公頃，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1 272Gt，而森林地下部含碳約927Gt，占整個(gè)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(gè)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(jì)，那么整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量將近一半是碳素含量。我國(guó)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(shí)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(guó)的森林生態(tài)系統(tǒng)得到切實(shí)有效的保護(hù)，那么它將是中國(guó)一個(gè)重要的碳匯。

2)、林產(chǎn)品

森林生態(tài)系統(tǒng)林產(chǎn)品的固碳量是個(gè)變化很大的因子。一般林產(chǎn)品根據(jù)其使用壽命可分為短期產(chǎn)品和長(zhǎng)期產(chǎn)品。像燃料用木、紙漿用木等屬于短期產(chǎn)品，而膠合板、建筑用木則屬于長(zhǎng)期產(chǎn)品。林產(chǎn)品使用壽命的長(zhǎng)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(zhǎng)的林產(chǎn)品可以延緩碳素釋放，緩解全球大氣碳濃度的增加，一般來(lái)說(shuō)，耐用林產(chǎn)品的使用壽命可達(dá)100～200a，在這么長(zhǎng)時(shí)間里，通過(guò)再造林完全可以實(shí)現(xiàn)碳素的良性循環(huán)。因此，應(yīng)盡量加工耐用、使用壽命長(zhǎng)的林產(chǎn)品。

3)、植物枯枝落葉和根系碎屑

這一部分含碳量在整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)中占的比例雖少，但也是一個(gè)不容忽略的碳庫(kù)，減緩它的沉淀和分解對(duì)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(kù)。全球森林土壤的含碳量為660～927Gt，是森林生態(tài)系統(tǒng)地上部的2～3倍。研究土壤碳庫(kù)及其碳循環(huán)和全球變化已成為土壤學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向。

5)、全球碳庫(kù)

碳是生命物質(zhì)中的主要元素之一，是有機(jī)質(zhì)的重要組成部分。

概括起來(lái)，地球上主要有四大碳庫(kù)，即大氣碳庫(kù)，海洋碳庫(kù)、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)和巖石圈碳庫(kù)。

碳元素在大氣、陸地和海洋等各大碳庫(kù)之間不斷地循環(huán)變化。大氣中的碳主要以二氧化碳和甲烷等氣體形式存在，在水中主要為碳酸根離子。在巖石圈中是碳酸鹽巖石和沉積物的主要成分，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中則以各種有機(jī)物或無(wú)機(jī)物的形式存在于植被和土壤中。

3.碳的地球化學(xué)循環(huán)

碳的地球化學(xué)循環(huán)控制了碳在地表或近地表的沉積物和大氣、生物圈及海洋之間的遷移，而且是對(duì)大氣二氧化碳和海洋二氧化碳的最主要的控制。

4.碳的生物循環(huán)

在碳的生物循環(huán)中，大氣中的二氧化碳被植物吸收后，通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)變成有機(jī)物質(zhì)，然后通過(guò)生物呼吸作用和細(xì)菌分解作用又從有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)換為二氧化碳而進(jìn)入大氣。碳的生物循環(huán)包括了碳在動(dòng)、植物及環(huán)境之間的遷移。

5.全球碳循環(huán)的過(guò)程

碳固定包括有機(jī)碳固定、無(wú)機(jī)碳固定，以及人類(lèi)通過(guò)各種技術(shù)方法對(duì)碳的固定。有機(jī)碳固定是指綠色植物從空氣中獲取CO2，經(jīng)過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，再合成為植物體的碳化合物，經(jīng)過(guò)食物鏈的傳遞，成為動(dòng)物體的碳化合物。無(wú)機(jī)碳固定包括海水溶解部分大氣中CO2，干旱區(qū)鹽堿土吸收CO2，以及碳質(zhì)巖的形成(即雨水和地下水吸收大氣中CO2 成為碳酸，碳酸又把石灰?guī)r變?yōu)榭扇軕B(tài)的重碳酸鹽流入海洋。而海水中的碳酸鹽和重碳酸鹽含量是飽和的，接納了新輸入碳酸鹽后便有等量的碳酸鹽沉積下來(lái)。通過(guò)成巖過(guò)程形成石灰?guī)r、白云石和碳質(zhì)巖)。人類(lèi)固定CO2 的技術(shù)有：在地下深層埋藏CO2，通過(guò)高溫高壓反應(yīng)將CO2 合成為其他碳化合物。

碳釋放包括：

①有機(jī)體碳釋放，即植物和動(dòng)物( 包括微生物) 的呼吸作用把通過(guò)光合作用積累在體內(nèi)的一部分碳轉(zhuǎn)化為CO2 釋放進(jìn)大氣，構(gòu)成生物體或貯存在生物體內(nèi)的碳, 在生物體死亡后通過(guò)微生物分解作用轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，最終排入大氣。大氣中的CO2 平均每7 年通過(guò)光合作用與陸地生物圈交換1 次。

②燃料化石碳釋放，一部分動(dòng)植物殘?bào)w在被分解之前即被沉積物所掩埋，而成為有機(jī)沉積物，經(jīng)過(guò)悠長(zhǎng)的年代，它們?cè)跓崮芎蛪毫ψ饔孟罗D(zhuǎn)變成礦物燃料——煤、石油和天然氣等。當(dāng)它們?cè)陲L(fēng)化過(guò)程中或作為燃料燃燒時(shí)，其中的碳氧化成CO2 排入大氣。人類(lèi)消耗大量礦物燃料對(duì)碳循環(huán)產(chǎn)生了重大影響，全世界每年燃燒煤炭、石油和天然氣化石燃料，以及水泥生產(chǎn)等釋放到大氣中的碳為5.3×1012 千克。

③在化學(xué)和物理因素作用下，石灰?guī)r、白云石和碳質(zhì)頁(yè)巖被分解，所含的碳又以CO2 形式釋放入大氣中。碳質(zhì)巖的破壞在短時(shí)期內(nèi)對(duì)碳循環(huán)的影響雖不大，但對(duì)全球幾百萬(wàn)年尺度時(shí)間里的碳平衡卻是重要的。

④大氣、河流和海洋之間的CO2 交換，這種交換發(fā)生在氣和水的交界面，由于風(fēng)和波浪的作用而加強(qiáng)，且這兩個(gè)方向流動(dòng)的CO2 量大致相等，大氣與河流和海洋之間碳交換量為1.02×1015 千克。

6.CO2失匯

科學(xué)家在進(jìn)行全球碳平衡研究和估算中發(fā)現(xiàn)，排放的CO2 有近20% 去向不明，這就是全球變化與碳循環(huán)領(lǐng)域的CO2 失匯，即“碳黑洞”問(wèn)題。失匯量約每年(1.8~3.1)×1012 千克。

7.我國(guó)在應(yīng)對(duì)氣候變化中的擔(dān)當(dāng)

2015 年12 月，在巴黎氣候變化大會(huì)上通過(guò)的《巴黎氣候變化協(xié)定》，其目標(biāo)是在21 世紀(jì)中，將全球平均氣溫較工業(yè)化之前的升幅控制在2.0℃以?xún)?nèi)，最理想的情況是控制在1.5℃以?xún)?nèi)。該協(xié)定于2016 年11 月4 日正式生效，明確要求世界各國(guó)要加強(qiáng)對(duì)氣候變化威脅的全球應(yīng)對(duì)，推動(dòng)各方以“自主貢獻(xiàn)”方式參與全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)，以此來(lái)降低溫室氣體排放，減緩全球升溫速率。全球未來(lái)碳排放目標(biāo)是：到2050 年，全球減排50%，發(fā)達(dá)國(guó)家減排80% ;全球累計(jì)排放最多4.16×1014 千克，人均累計(jì)排放最多5.3×104 千克，發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家人均累計(jì)排放分別為8.1×104 千克和4.7×104 千克。

無(wú)論是森林固碳，還是干旱區(qū)鹽堿土固碳，中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)可抵消化石燃料總排放的1/3, 1981—2000 年，化石燃料釋放的碳量為1.32×1013 千克，生態(tài)系統(tǒng)吸收的碳量為(3.5-4.6)×1012 千克，相當(dāng)于化石碳排放量的27%—34%。中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯目前已經(jīng)高于歐洲、低于北美。

2015 年，我國(guó)提出了2030 年應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)目標(biāo)，推動(dòng)社會(huì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。當(dāng)年單位GDP 的CO2 排放比2005 年下降了60%—65%，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到20% 左右，森林蓄積量比2005 年增加了45 億米3。我國(guó)積極推進(jìn)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)際合作和全球氣候治理進(jìn)程，全面推進(jìn)低碳發(fā)展，超額完成應(yīng)對(duì)氣候變化的目標(biāo)任務(wù)，扭轉(zhuǎn)了多年來(lái)CO2 排放快速增長(zhǎng)的局面，展現(xiàn)了對(duì)構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體的擔(dān)當(dāng)。