人类活动对碳循环的影响

[课程论文]

人类活动对碳循环的影响

人类活动对碳循环的影响

摘要：随着近些年温室效应的加强及人类活动对碳循环的影响，全球碳循环体系中，已经发生了初步的变化，在地球系统中，海洋、大气和陆地以及其中的生命与非生命部分都存在着相互联系。人类正在以各种方式根本性地改变着地球的各种系统和循环。碳循环是一个极其复杂的地球化学循环过程，包括碳元素在各个储库的贮存和在不同储库之间的流通。不同时间尺度的碳的自然循环都保持着动态平衡状态。人类活动触动了这种平衡机制，成为当前全球碳循环变化的主要驱动因子。本文主要探讨碳循环的概念及其变化的原因，并对减缓碳循环变化提出展望与建议。

关键词：碳储库；碳循环；人类活动

引言：

碳元素不是地球上丰度最高的元素，但它独特的原子结构使其成为存在形式最为复杂的元素，也是地球上化合物种类最多的元素。碳元素有4个共价键，这些键很容易跟其他元素链接成长而稳定的复杂分子，以吸收、储存、交换周围环境的物质和能量。自然界的碳稳定同位素有 C和 C两种，丰度分别为98．89 和1．11 ，我们熟知的MC是碳的放射性同位素，半衰期是5 730 a。碳元素的自然赋存状态有单质和化合物，其中包括数以百万计的有机化合物。自然界中碳同位素的分馏主要有动力学分馏效应和碳同位素交换反应。从根本上影响碳同位素分馏的是生物因素。但生物过程复杂多变，难以像物理过程那样遵循一些基本原则而得出准确严谨的解释。这也正是为什么碳循环的研究要比水循环更加复杂的原因。研究自然界中碳的循环规律是揭示地球环境因子变化的重要手段。一方面，碳在自然界的物质循环过程影响着地球气候与环境的变化，CO2。在大气中含量的变化是地球气候发生改变的关键；另一方面，碳是生命物质的最基本元素之一，生命活动是碳元素在自然界进行循环的最重要影响因素。由于生命有机物质中碳元素中“轻碳”( C)比“重碳”(坞C)含量高，因此通过研究岩石中碳的同位素

组成比例的变化可以了解地质时期生命活动与碳循环的关系，从而揭示大气和海洋环境因子的变化过程。

1 碳循环概述

自然界中绝大多数的碳并非储存于生物体内，而是储存于大量的地壳沉积岩中。一方面沉积岩中的碳因自然和人为的各种化学作用分解后进入大气和海洋；另一方面生物体死亡以及其他各种含碳物质又不停地以沉积物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。碳的生物循环虽然对地球的环境有着很大的影响，但是从以百万年计的地质时间上来看，缓慢变化的碳的地球化学大循环才是地球环境最主要的控制因素。

1．1 碳元素的分布

从全球的角度讲，碳元素分布于地球各圈层若干主要的储库中。碳有着巨大的不活动的地质存储库（如岩石圈等）和较小的、但在生态学上活动积极的大气圈库、海洋库和生物库。碳的化学形态常随所在库的不同而变化。在岩石

CO和烃类气圈中以有机碳和无机碳酸盐的形态存在；在大气圈中以CO2、CH

4、

体的形态存在；在海洋中也以有机碳、无机碳的多种形式存在；而在生物库中则存在着几百种被生物合成的有机物质。这些物质的存在形态受到各种因素的调节。

①大气圈

大气中所含碳元素最少，主要是CO2。、CH和CO2气体。CO2。是最主要的温室气体，工业革命以来，人类活动使大气中CO2。浓度持续增长，导致了全球气候变暖、海平面上升等后果。

②水圈

通常大洋碳储库被分为表层和深层两个储库来研究。表层海水与大气圈存在活跃的交换，广阔的大洋水体中溶解了大量的CO2。，浮游生物也会通过制造自身的骨骼壳体而将碳元素固定下来。表层碳储库较之深海储库储量较小，但它的重要性不容小觑，它不仅是海一气相互作用的主要场所，还是进入深海的通道。深

海碳库得益于大洋表层水的“泵”作用：生物泵——海水表层溶解的CO2被浮游生物利用制造成有机质和碳酸钙质的骨骼，生物死亡后沉到海底进入海洋沉积，推出海洋和大气的碳循环；碳酸盐泵——表层海水对碳酸盐过饱和，不断地有碳酸盐矿物晶体形成，在沉入深海的过程中随着压力的升高和温度的降低逐渐溶解，至补偿深度(CCD)碳酸盐全部消失。

③陆地生物囤

2000年IPCC发表的报告估计，全球陆地生态系统碳储量约24 770亿t，其中植被4 660亿t，土壤20 110亿t。值得一提的是森林生态系统，作为陆地生态系统中最大的碳储库，森林植被的碳储量约占全球植被的77 ，森林土壤的碳储量约占全球土壤的39%，而单位面积的森林储存的碳是农田的2O～100倍。

④岩石圈

储量最大的岩石圈储库包括大陆碳酸盐岩、海床碳酸盐岩、有机碳油母质及地幔物质，跟其他圈层碳交换较少。地幔中有大量的溶解于橄榄岩等熔岩里的碳，“地下海洋”看似波涛不惊，一旦发生大规模的岩浆喷发，蕴藏于地幔中的碳酸盐类将以CO2。的形式进入地表的大气与海洋，其所造成温室效应的规模将远超过我们的想象。

1．2 碳素的滞留时间

碳元素在储库之间通过物理的、化学的和生物的过程相互交换，保持一种长期的动态平衡。根据公式：滞留时间一总量／速率，我们不难得出碳在各个储库的滞留时间。大储库的周转较之小储库速度要慢得多。

1．3 不同时间尺度的碳循环

地球上的碳循环至少有3个层次：生物圈与大气圈间的CO2 循环是季节到百年尺度的周期；涉及深海的碳酸盐沉积与溶解，碳循环的时间尺度就长达万年级；而板块运动中岩石圈的碳循环则长达千万年以上L2。

1．4 碳源和碳汇

任何释放碳素的过程谓之“源”，固定碳素的过程称为“汇”。碳源和碳汇都是以大气圈为参照系，以向大气中输入碳或从大气中输出碳为标准来确定。最终决定一个体系是源还是汇的是碳的净收支。因为大气CO2浓度对于人类的影响最为直接，“一万年太久，只争朝夕”，人类最为关心的莫过于短时间尺度上的碳源

和碳汇的变化。对于几年到几百年的时间尺度，全球碳循环主要是以CO2的形式在生物圈、海洋和大气圈中进行。植物光合作用吸收大气中的CO2。，把碳用于生长，从而完成将大气中的CO2。固定到陆地生物圈的过程；而植物的呼吸以及生物体的燃烧和腐烂等有机物的分解，则是以相反方式完成将碳返还到大气中的过程。海洋的透光层中也存在相似的光合和呼吸作用。海洋的非生物物理化学过程也在不断地吸收和释放CO2。大气中的总碳量每年约有10% 的收支，其中一半是与陆地生物群落交换，另一半则通过物理和化学过程穿过海洋表面。陆地、生物圈和海洋含碳量远大于大气中的含碳量，所以，这些大的碳库的很小的变化都可以对大气CO2：浓度有很大的影响。人类活动就是通过改变这些源和汇从而影响碳循环的。

2 人类活动与碳循环

在过去的几千年中，海洋和陆地生态系统等自然碳源排人大气的大量CO2 已通过光合作用和海洋吸收等自然过程的清除作用几乎完全平衡。工业革命以前，大气中的CO2浓度平均值约为280×10∧(-6)。，变化幅度大约在10x 10∧(-6)以内，平均而言，这一时期的自然碳收支处于很好的平衡态。工业革命之后的几百年里，大气中的CO2。浓度增加31 ，1995年大气中的CO2浓度达到360×10∧(-6)。人类活动造成的碳收支失衡不断增长、积累，碳循环的平衡开始被破坏。这种非平衡态导致了大气中多余CO2。的累积。

综合来说，人类活动对全球碳循环的影响体现在3方面：一是人为增加碳源；二是人为减少碳汇；三是气候变暖的反馈作用。虽然这种反馈通过自然作用完成，不是人类的直接行为，但是终究气候变暖是人类过度排放温室气体的后果，所以，将其归因于人为因素并不为过。

2．1 化石燃料的燃烧

化石燃料的燃烧和工业排放是人为增加的最大碳源。化石燃料的原料大多是数百万年甚至数亿年前埋在地下的有机体，经长期的高热高压作用而以气体、液体或固体的形式贮存于地层中，都是具有高碳量的物质。通过燃烧化石燃料获取

能源，人类每年向大气排放约220亿t的CO2，占人类活动总排放量的7O% ～9O%。从全球尺度来看，火山排放的CO2还不及人类活动排放量的1% 。况且，火山排放的和动植物呼出的C0。一直以来都是自然碳循环的一部分，已达到了近乎平衡的状态，对大气CO。浓度变化几乎没有影响。事实上，人类透支了岩石圈的驻留碳素，“人类利用化石燃料改变了碳的天然循环，把沉积圈中的还原碳过早地释放到大气中，人为地加快了沉积圈和其他圈层的碳交换”。这无异于打开了潘多拉魔盒，可能造成如同自然岩浆喷发一样的碳循环突变。

2．2 土地利用方式的改变

陆地生态系统是最活跃的碳循环因素，具有很大的不确定性。按照生态类型划分，全球的碳有46% 贮存在森林，23% 贮存在热带及温带草原，其余贮存在耕地、湿地、冻原、高山草地及沙漠半沙漠中。不同的土地利用方式改变了地表植被和土壤的分布，导致CO2。释放量与吸收量的变化，即改变了自然碳源和碳汇。

2．3 森林生态系统的变化

人类的生存有赖于农业，发展依附于工业。为了进行这两项满足自身需要的活动，人类不断地砍伐森林，在温带和亚热带森林大面积破坏之后，热带森林也开始遭受毁灭。全球森林和海洋是大气CO2。的两个最主要的汇。森林面积的减少、树木的砍伐及枯叶腐殖层的破坏使得森林作为大气CO2汇的功能变弱甚至消失。形象地说，森林如同CO2。的银行，兼具吸收、贮存、释放CO2。的机能。轻易动用银行的外汇储备是十分危险的事情，同样的，森林碳汇也应该具有一定的长期稳定性。现在，人造林的增加部分补偿了原始森林碳汇的消失。但是，森林一般需要上百年的时间才能达到最佳的碳吸收状态。人工造林是亡羊补牢的做法，控制地球天然林的减少才是根本。碳汇是地球上可暂时或长期吸取大气中CO2 、并以不同形式贮存在吸收体中的碳汇聚物，森林实际上是一个缓冲碳汇，减缓了CO2 在大气中的累积速度，延迟了其对气候的影响。2．2．2 农业用地的管理不善草场对碳的吸收量也不容小觑，它与森林的作用同等重要。处在高寒地区的青藏高原的草地生态系统温度低，碳的吸收量大而排放量小，即碳固定大于碳排放，表现为碳汇，对全球CO2。吸收的贡献是很大的。然而，过度放牧、开垦耕地致使草场退化和土地荒漠化，人为地破坏了草地碳汇。此外，对于耕地的

不合理利用也会大大增加CO2。的排放。目前，全世界每年燃烧煤炭、石油和天然气等化石燃料排放到大气中的CO2。总量折合成碳大约是6O亿t；每年由于土地利用变化和森林破坏释放约15亿t。而每年大气中碳的净增加大约是38亿t，其余的37亿t则被海洋和陆地生物圈吸收，其中海洋吸收约2O亿t，陆地生物圈吸收约17亿t。这75亿t的人为排放C02最终去向如图3所示。可以看出，约有5O%CO2。留在大气中。春时期，但是由波和流提供的再悬浮能量最大值却出现在冬季，这将导致沉积物的暂时性沉积，它们中的大部分将随着下一个冬季比较活跃的动力环境的开始而发生侵蚀和扩散。因而在Po陆架上，短期和长期沉积模式的关系应当与华盛顿陆架上的更为相似，而不是Eel陆架。可是对于Po陆架，洪水沉积和长期沉积的模式是相似的，这主要是因为Po陆架上冬季平均波高只有2～3 m，由于缺乏极度活跃的动力环境，因此波河可能不具备扩散在洪水期间输运来的大量沉积物的能力，从而使得大部分沉积物保留在它的初始位置。Po系统与Eel系统(短期洪水模式-二长期堆积模式)结果的相似性是因为它们各自的洪水发生的环境也同样控制着长期沉积物的扩散。

上放射性波动起伏并不是由于粒度的改变，而是由于在洪水事件的快速沉积作用期间到达海床上的具有变化放射性的沉积物堆积的结果。在这些支流附近，沉积速率为研究区域中的最高值(1～4 cm／a)，并且在岩心中观察到自然沉积构造。在这些支流之间和此扩散系统的南部，沉积作用比较缓慢(<1 cm／a)且处于稳定状态，反映了非洪水期间的沉积作用。海床的生物混合作用在这些区域具有较大的影响，并且在沉积物被埋藏保存之前对自然层理有所改造。长期沉积(～100 a)的沉积中心与观察到的2000年洪水之后沉积中心相一致，更加突出了Po 陆架七洪水的重要性。波河现代沉积物总输运量中大约有一半堆积在Po陆架上，剩余部分很可能在西亚得里亚海盛行环流的作用下向南输运。

2．4 气候变暖的反馈作用

全球变暖导致海平面上升，大气湿度增加，植被带发生迁移。热带雨林和寒温带落叶阔叶林面积的增加引起生物库和土壤库的碳储量增加；沙漠、半沙漠寒温带常绿针叶林和冻原面积的减少使得土壤碳库相应缩减，但其减少量远小于前两者生物库增加的量。

3 结语

前已提及，地球上的碳循环大体分成3个层次一一构造尺度、轨道尺度和生物尺度。驱动这些循环的最重要因子有地壳运动、天文轨道和生物过程包括人类的活动。人类处于生物演化的最高阶段，能够主动地去改造自然，人类活动有潜力改变地球系统，使其按照不可逆转的替代型模式运行。受不同因素支配的不同时间尺度的碳循环是演进过程中循环性的表现。人类活动有意或无意触发了碳循环的天然储库，重新排布了碳源和碳汇，如果这些改变越过了某个阈值，很可能会给地球系统带来灾难性后果。总之，只要我们认识到碳循环变化的严重性，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，还是需要努力的。一方面，各国政府应制定能源节省方案；另一方面，注意分析影响土地利用变化的社会经济因素，制定科学的土地利用政策。此外，人口问题仍然是根本性的问题，控制人口增长也是促进碳循环平衡的有效途径之一。

参考文献

[1] 汪品先．气候演变中的冰和碳[J]．地学前缘，2002，9

(1)：85—94．

[2] 汪品先．深海研究和新世纪的地球科学[c]／／“百年科

技回顾与展望”．上海：上海教育出版社，2000：181—211．

[3] 陈骏，王鹤年．地球化学[M]．北京：科学出版社，

2004：124 129，394 401．

[4] 周广胜．全球碳循环[M]．北京：气象出版社，2003：21

44

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[5] Anderson D W, Coleman D C. The dynamics of organic matter in grassland soils [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1985, 40: 211-216.

[6] McConnell SG, QuinnML. Soil productivity of four land use systems in southeastern in southeasternMontana [J]. Soil Science Society of Ameri-

ca Journal, 1988. 52: 500-506.

[14] Aguilar R., KellyEF,Heil RD. Effectsof cultivation on soils in north-

ern Great Plains rangeland [J]. Soil Science Society of America Journal, 1988, 52: 1081-1085.

Abstract:along with the strengthening of the greenhouse effect in recent years and human activities on the carbon cycle, the effects of the global carbon circulation system, has been preliminary changes in the earth system, sea, air and land and the life and nonliving part there are connected with each other. Human beings are in a variety of ways to change the fundamental of the earth system and circulating. Carbon cycle is an extremely complex geochemical recycling process, including carbon element in each of the storage reservoir and in different characteristics between the circulation. Different time scales the natural cycle of carbon keeping a dynamic equilibrium. Human activities touches this balance mechanism, become the global carbon cycle the main driving factors change. This paper mainly discusses the concept of the carbon cycle and the reason of its changes, and to slow the carbon cycle changes put forward the prospects and the suggestion.