碳循环研究进展及其影响因子探讨

1、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z,也是人类利用得最早的元索z。在当 今温室效应越来越明显的影响当白然气候和人类牛活，导致温室效应加剧的主要影响因索就 碳元素。为此本文将结合现有个领域的研究成來，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、引言口工业革命以来，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，人气co2浓度还会不断增加。ipcc在2001年发布了第三次评

2、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己引起了广泛的注意，该报告指出，工 业革命以來的全球气温己增加了约0.6°c,这主要是由于人气屮人为温室气体（如co2、ch4、 n2o、cfcs）浓度增加所致，其屮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、碳循环的概念碳循坏是碳元素在地球各圈层的流动过程，是一个“二氧化碳一有机碳一碳酸盐”系统。 光合作用和

3、呼吸作用是碳循环的两个主要组成部分。二者每年吸收和禅放的二氧化碳含量相 差无儿，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冇些不能直接进入大 气，其屮约有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。雨水屮的碳酸会与岩石屮的碳酸钙发生反应,所以暴露于空气和水屮的碳酸盐石也会风 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

4、碳酸盐岩层，其余的6亿吨会再度回到空气中。己经死亡的植物有一小部分被埋在地卜，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。火山喷发平均侮年 产生1亿吨的碳。6.4marine bola33700-244, j70.670 222 20vege:aiion.soil & detritus 2300 >101-140 i>0.4reservoir sizes in gtc 冋uxes and rates in gtc yr1120 (.119.6 |26 5*| gpp i 狀 respjrafxxlimned 矶

5、&doq)ocoan37,100 + 100sur1a:i)nddim(inl150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%o这两 个库中的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作川。地球上还冇三个碳库大气圈库、水圈库和 牛物库。这三个库屮的碳在牛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2x1012化石燃料4x1012海洋3.8x1012甲烷水合物8x1012土壤1.5x1012生物圈0.5x1012有机物0.5x1012碳酸盐岩7.5x1016其他（泥碳）<0.3x1012

6、表1全球碳库储最概括而言，地球上主要有四个碳库，即大气碳库、海洋碳库、陆地牛态系统碳库和岩石碳 库从上表可以看岀，岩石碳库的储最是最大的，但是其形成周期较长，约儿百万年以上，可 以视为相对静止.3、碳的存在形式碳在岩石圈屮主耍以碳酸盐的形式存在，在人气圈屮以二氧化碳和一氧化碳的形式存 在，在水圈屮以多种形式存在，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索的调节。在大气中，二氧化碳是含碳的主要气体,也是碳参少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。森林乂是生物库中碳的主 要贮存者，相当于目前大气含碳量的2/3。

7、植物通过光合作用从人气中吸收碳的速率，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、气圈和牛物圈之间，以cacoj-（以caco3 > mgco?为主）、hco；、c02. ch4. （ch2o（有机碳）等形式相互转换盒 云移过程。4.1陆地系统碳循环陆地牛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c0?和其他 温室气体浓度变化、认识人气圈和生物圈的相互作川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

8、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z。总的来说，陆地生态系统碳循环过程主要包括两方而内容：一是指植物通过 光合作用吸收c02,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?返冋大气；二是指有机物的 代谢，一部分冇机物通过植物自身的呼吸作用和土壤及枯枝落叶层中冇机质的腐 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hi生态系统、草地生态系统以及湿

9、 地等生态系统。碳的蓄积、储量或潜力在不同生态系统中冇较人差异，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、岩石系统屮的碳循环。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 变化研究屮的主流趋势，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c配合土 壤固碳机理及其彩响因素的研究，分析与预测未來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。土壤中含冇冇机碳和无机碳酸盐两种形态的碳，后者是生物不能直接利川的。全球土壤 小无机碳酸盐约有1 ooop

10、g,而土壤屮储存的有机碳（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了，与人气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耍的关系,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彫响，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

11、。其屮气候变化、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、组成和分布等方血的变化及其反馈关系対森林生态系统碳循环的影响是模型模 拟的关键问题。20世纪80年代以来，随着对森林生态系统结构、功能和生态过程认识的不断深入以及 遥感、地理信息系统（gis）和计算机技术的发展，森林碳循环模型发展较快，并已在区域或 全球尺度上对森林牛态系统当前及未的碳存贮模式做出了一些预测。森林牛态系统碳循坏的 基木过程是植物通过光合作用同化co2形成总初级生产力（gpp）,由于植物自身呼吸消耗 部分有机物并释放co2（ ra）,剩余的有机物即为净初级牛产力（npp ）,npp的积累形成森 林植被

12、生物量碳库，生物量在异养呼吸的作用下释放co2（ rh）,再形成生态系统净生产力 （nep）,nep包括了土壤和凋落物的碳库积累。但由于干扰过程导致森林生态系统的碳排放 （用rd表示），剩余的碳存贮称为牛物群落净生产力（nbp）,形成了森林牛态系统长期的 碳存贮能力。它们之间的关系可以用下式表示：nbp = gpp ra rh rd4.1.3碳酸岩石生态系统中碳的循环大气中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成为碳酸,碳酸能把右灰岩变为可溶态的重碳 酸盐，并被河流输送到海洋中。海水屮的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的，接纳新输入的碳 酸盐，便有等疑的碳酸盐沉积下来。通过不同的成岩过程，又形成为石灰岩、白

13、云石和碳质 页岩。在化学和物理作用（风化）下，这些岩石被破坏，所含的碳又以二氧化碳的形式释放 入大气屮。火山爆发也可使一部分侑机碳和碳酸盐屮的碳再次加入碳的循环。碳质岩石的破 坏，在短时期内对循环的影响虽不大，但对儿百万年中碳量的平衡却是重要的。计算心式：60>1.54 5.590>100450 121 92餌約丈“ /s4倉jt*户4the present cartxxicyde亿"i*豪*4人離借备92 40 6 4 = 12 （十亿乜）=120亿1(mg<. jkjt + q貝发豪 負彳d*匕的tn& 植ajtu 1-10an > tioo*4.

14、2海洋牛态系统碳循环海洋在全球碳循环中起着极其重要的作用，海洋是地球上最大的碳库。海洋储存碳是 大气的60倍，是陆地牛物土壤层的20倍。海洋屮的碳主要以溶解无机碳（d 10.溶解有机碳（d0c）、颗粒有机碳（p0c）等形式存在，以溶解无机碳居多。海洋碳循环是碳在海洋中吸 收、输送及释放的过程，主要包括com勺海-气通量交换过程、环流过程、生物过程和化学过 程。海洋碳循环可以分为三个方面。第一方面是“碳酸盐泵”，就是大气中的c02气体被海 洋吸收，并在海洋中以碳酸盐的形式存在；笫二方面是“物理泵”，即混合层发展过程和 陆架上升流输入，它与海洋环流密切相关；第三方面是“生物泵”，即生物净固碳输出，

15、它 是浮游植物光合固碳速率减去浮游植物、浮游动物和细菌的呼吸作川速率，也就是通过生物 的新陈代谢來实现碳的转移，在海洋屮主要是通过海洋浮游植物的光合作川來实现的。4. 3大气系统的碳循环人气屮碳含聚并不高，但是人气屮碳循环却是至关重要的，人气将陆地和海洋碳循环链 接为一个整体，构成了整个全球的碳循环。大气碳循环主要有三类：1、大气中的碳被陆地上的有机体吸收，主要是植物的光合作 用及土壤中有机体合成；2、在气水界血被海水吸收，进入海洋碳循环体系；3、地质作用（如 火山等）及有机体的呼吸作用释放c02进入人气碳循环。5、“碳失汇”研究进展全球碳循环是全球生物地球化学的主要研究方向目前其重点集中在/

16、碳失汇o （missing sink）问题的研究上。最近的研究表明，/碳失汇0产生的主要原因是北方陆地森 林牛态系统对碳的固定、海洋对碳的吸收、岩石圈屮caco3- h2o-co2系统（岩溶动力系 统）对碳的吸收，以及陆地上碳库的转移。碳循环是一个涉及多学科的综合动态过程，它的动态变化可用以下方程来表示dc02/dt = c+ d+ r+ s+ o- p-1- b,其中方程左边表示的是大气c02的动态变化率，右边各项代表大气c02的源和汇（正号 项为碳源，负号项为碳汇）.主要碳源包扌心c:化石燃料燃烧释放到大气屮的co2;d: 土地利 用（包括森林砍伐、森林退化、开荒等）軽放到人气屮的co2;

17、r:陆地植物的自养呼吸;s:陆 地生态系统植物的异养呼吸（包括微生物、真菌类和动物）；0:海洋释放到大气中的c02; 主要碳汇包括:p：陆地生态系统通过光合作用固定的c02;i:海洋吸收大气中的c02;b:沉 积在陆地和海洋中的有机和无机碳.在这些源汇中，因为海洋対碳的贡献吸收大于释放（i > 0）,海洋主要作为大气汇.陆地生态系统中的光合作用和口养呼吸以及杲养ii乎吸均以陆地 生态系统为一个整体来进行探讨。关于/碳失汇0存在地点（或说是/碳失汇成因）的研究，己经取得了一定进展.己经基 本达成共识，有1p3左右的/碳失汇0存在于北半球陆地生态系统中.海洋对/碳失汇0的贡 献也已引起了很多

18、人的注意.然而还冇近1p3的/碳失汇0存在于岩石圈却还没冇引起太 多人的关注。在未来儿年内，关于/碳失汇0的研究重点是关于各个碳库的研究及具定量化 ,以及各个碳库间的碳通量研究.寻找/碳失汇（）的研究方法也有待进一步完善。6结束语.对于碳循环的研究是一个系统工程，不是一个学科、一个国家就能完成的，所以在碳循坏研究中要加强学科与学科、以及国家与国家间的交流和合作。其实人自然的碳循环是平衡的，近些年碳循环的变化上要是因为人类的活动导致（上述 原因归根结底主要都是人类的活动），人量化石燃料的燃烧、植被的破坏、人口的剧增等等 都使碳循环失去平衡，为了减缓碳循环的变化，我们应该反省我们的行为，当然，一些

19、科技 的手段也是很冇效的，比如说口木科学家在深海发现的海底病毒可以固定大量的碳。总z, 只要我们认识到碳循坏变化的严重性，并作出相应的措施，相信碳循环的变化被减缓是必然 的，当然要回到正常的碳循环还是需要努力地。参考文献：1于贵瑞，方华军，伏玉玲，工秋凤.区域尺度陆地牛态系统碳收支及具循坏过程研究进 展j 生态学报.2011, 31( 19):5449-5459.任书杰,，曹明奎，陶波，李克让.陆地生态系统氮状态対碳循环的限制作用研究进展山.地 理科学进展.2006,7:58-67徐小锋,宋长春全球碳循环研究小/碳失汇研究进展j.小国科学院研究牛院学 报.2004.4:145:-152.潘根兴.赵其国，蔡祖聪.京都议定书生效后我国耕地土壤碳循环研究若千问题山，中国 基础科学科学前沿.2005.2:12-18.巴特尔巴克，张旭东,彭镇华，周金星，魏远，黄玲玲.批界林业研究51.2008,2:8-13.6 李克让，王绍强,曹明奎.中国植被和土壤碳贮量j.中国科学(d辑)j.2003.1:72-80.7 宋燕燕，王敬国，齐鑫，金红岩.陆地碳循环模型的比较分析