全球碳循环论文题库

《低碳经济的工程科学》课程期末大作业

全球碳循环

在我们的生活当中，到处都在上演着碳循环。例如，我们呼吸着新鲜空气，这个过程就是把氧气吸进体内，经过一系列化学反应，将二氧化碳排出体外。再例如，植物将我们呼出的二氧化碳吸收，再放出氧气，这些都是碳循环。

1碳循环

碳循环，地球上有五个碳库，最大的两个碳库是岩石圈和化石燃料，但是这两个库中的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作用。还有三个碳库：大气圈库、水圈库和生物

库。这三个库中的碳在生物和无机环境之间迅速交换,容量小而活跃，起着交换库的作用。碳在岩石圈中主要以碳酸盐的形式存在,在大气圈中以二氧化碳和一氧化碳的形式存在，在水圈中以多种形式存在，在生物库中则存在着几百种被生物合成的有机物。根据

生态学原理,一个系统中的自然过程总是有利于系统的结构稳定和功能最大化,而非自然过程总是降低或破坏生态系统的稳定性,增加系统的不确定性。显然,大量开采化石燃料以及开采森林等活动都是非自然过程。这些活动导致了大气二氧化碳浓度的不断上升。鉴于大气二氧化碳上升可能引起的严重生态后果,科学家对于全球碳循环进行了广泛的研究。具体内容包

括地球各部分(大气、海洋和森林等)碳储量估算,森林生态系统与其它部分碳的交换量(流)

的估算,以及人类干扰对各个库和流的影响。在陆地生态系统中,森林是最大的有机碳的贮库,占整个陆地碳库的56%。因此了解森林生态系统在碳循环中的作用,对于研究陆气系统的碳

循环乃至全球碳循环都是一个基础,具有重要的意义。

大气中的二氧化碳被陆地和海洋中的植物吸收,然后通过生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳的形式返回大气中。绿色植物从空气中获得二氧化碳，经过光合作用

转化为葡萄糖，再综合成为植物体的碳化合物，经过食物链的传递，成为动物体的碳化

合物。植物和动

物的呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。动、植物死后,残体中的碳,通过微生物的分解作用也成为二氧化碳而最终排入大气。

一部分动、植物残体在被分解之前即被沉积物所掩埋而成为有机沉积物。这些沉积物经过悠长的年代，在热能和压力作用下转变成矿物燃料，当它们在风化过程中或作为燃料燃烧时，其中的碳氧化成为二氧化碳排入大气。人类燃烧矿物燃料以获得能量时，产生大量的二氧化碳。由于燃烧矿物燃料以及其他工业活动，二氧化碳的生成量每年递增，使得大气中二氧化碳浓度升高，这样就破坏了自然界原有的平衡。

植物通过光合作用从大气中吸收碳的速率，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,根据生态学原理,一个系统中的自然过程总是有利于系统的结构稳定和功能最大化,而非自然过程总是降低或破坏生态系统的稳定性,增加系统的不确定性。显然,大量开采化石燃料以及开采森林等活动都是非自然过程，这些活动导致了大气二氧化碳浓度的不断上升。

如下图，就是一个碳循环的简化流程图：

对于全球碳循环，本文将从地球上各种不同的生态系统的碳循环的调查，来诠释全球碳循环。

2生态系统

生态系统，指在自然界的一定的空间内，生物与环境构成的统一整体，在这个统一整体中，生物与环境之间相互影响、相互制约，不断演变，并在一定时期内处于相对稳定的动平衡状态。生态系统的范围可大可小，相互交错，最大的生态系统是生物圈；最为复杂的生态系统是热带雨林生态系统，人类主要生活在以城市和农田为主的人工生态系统中。生态系统是开放系统，为了维系自身的稳定，生态系统需要不断输入能量，否则就有崩溃的危险；许

多基础物质在生态系统中不断循环，其中碳循环与全球温室效应密切相关，生态系统是生态学领域的一个主要结构和功能单位，属于生态学研究的最高层次。

3森林生态系统的碳循环

3.1森林神态系统的概念

森林是一种主要的植物群落类型，约占地球陆地面积的1/3(4.1×109hm2)。森林生物量约占整个陆地生态系统生物量的90%,生产量约占陆地生态系统的70%。森林生态系统也是一种主要的生态系统，在全球碳循环过程中起着重要的作用。在自然状态下,森林进行光合同化二氧化碳,固定于生物量中,同时以根生物量和枯落物碎屑形式补充土壤的碳量。在同化二氧化碳的同时,存在林木呼吸和枯落物分解释放二氧化碳进入大气这一逆过程,同时固定于木质部分的二氧化碳也会在一定的时间后腐烂或被烧掉,以二氧化碳的形式归还大气。因此,从很长的时间尺度考察森林对大气二氧化碳浓度变化的作用,其影响是很小的,只能是一个不很大的汇。但在短时间尺度来考察,由于单位森林面积中的碳储量很大,林下土壤中的碳储量更大,因而森林变化(人类干扰)就有可能引起大气二氧化碳浓度大的波动。

森林生态系统是陆地中重要的碳汇和碳源,在这个系统中, 植物首先通过光合作用吸收二氧化碳生成有机质贮藏在体内,这是森林吸收碳素的过程，成为碳汇；而后,通过植物自身的呼吸作用要释放出一部分碳素，同时以枯枝落叶、根屑等形式把碳贮藏在土壤中,而土壤中的碳有一部分会被微生物和其它的异养生物通过分解和呼吸释放到大气中，成为碳源。森林生态系统和大气之间的碳通量是森林生长过程中固定的碳和干扰过程中释放碳之间的差值。在自然生长状态下，森林生态系统的净生产量为正,是个碳汇。然而,由于人类活动的干扰和破坏,尤其是对热带森林的乱伐或把其变为农业用地等行为就会使森林生态系统的净生产量为负,从而成为碳源,这应该引起人类的关注,采取有效措施防止森林变成碳源,从而缓和和扭转全球气温变暖的趋势。

3.2森林生态系统在碳循环中的作用

从人类认识到温室气体尤其是二氧化碳浓度的升高会使全球气温变暖,从而带来一系列严重生态环境问题时,就展开了对碳素循环的研究。而森林生态系统作为吸收二氧化碳释放氧气的一个大碳汇,在碳循环中起着非常重要的作用。全球森林面积为41.61亿hm2,其中热带、温带、寒带分别占32.9%、24.9%和42.1%。全球陆地生态系统地上部的碳为562Gt,森林生态系统地上部的含碳量为483Gt,占了86%。全球陆地生态系统地下部含碳量为1272Gt,

而森林地下部含碳约927Gt,占整个世界土壤含碳量的73%。森林生态系统在碳循环中的作用主要取决于以下几个方面:

(1)生物量。森林生态系统的生物量贮存着大量的碳素,如按植物生物量的含碳量为45%—50%计,那么整个森林生态系统的生物量将近一半是碳素含量。森林的生物量与其成长阶段的关系最为密切,一般森林据其年龄可分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林/过熟林,其中碳的累积速度在中龄林生态系统中最大,而成熟林/过熟林由于其生物量基本停止增长,其碳素的吸收与释放基本平衡。从森林的年龄结构来估算吸收碳素的潜力是决定森林生态系统碳汇功能的一个主要方面。目前,我国森林的结构以幼龄林、中龄林居多,因此我国森林生态系统中植物固定大气碳的潜力很大。据王效科等估算我国森林生态系统潜在的植物总碳贮量为

8.41Pg,现有的实际碳贮存总量只是潜在的植物总碳贮量的44.3%。因此,如果我国的森林生态系统得到切实有效地保护,那么它将是中国一个重要的碳汇。

(2)林产品。森林生态系统林产品的固碳量是个变化很大的因子。一般林产品根据其使用寿命可分为短期产品和长期产品。像燃料用木、纸浆用木等属于短期产品,而胶合板、建筑用木则属于长期产品。林产品使用寿命的长短在很大程度上也决定着森林生态系统的碳汇功能。使用寿命长的林产品可以延缓碳素释放,缓解全球大气碳浓度的增加,一般来说,耐用林产品的使用寿命可达100—200年,在这么长时间里,通过再造林完全可以实现碳素的良性循环。因此应尽量加工耐用、使用寿命长的林产品。

(3)植物枯枝落叶和根系碎屑。这一部分含碳量在整个森林生态系统中占的比例虽少,但也是一个不容忽略的碳库。减缓它的沉淀和分解对于森林生态系统的固碳量也起到一定的作用。

(4)森林土壤。这是森林生态系统中最大的碳库。不同的森林其土壤含碳量具有很大的差别,在北部森林中森林土壤占有84%总碳量;温带森林土壤中的碳占到其总碳量的62.9%;在热带森林中,土壤中的含碳量占整个热带森林生态系统碳贮量的一半。全球森林土壤的含碳量为660—927Gt,是森林生态系统地上部的2-3倍。国内外很多学者都认识到森林土壤碳库的重要作用,纷纷对其展开研究。目前研究土壤碳库及其碳循环和全球变化已成为土壤学的一个新的发展方向。

4湿地生态系统的碳循环

4.1湿地生态系统的概念

湿地生态系统是指介于水、陆生态系统之间的一类生态单元。其生物群落由水生和陆生种类组成，物质循环、能量流动和物种迁移与演变活跃，具有较高的生态多样性、物种多样性和生物生产力。广阔众多的湿地具有多种生态功能,蕴育着丰富的自然资源,被人们称为“地球之肾”、物种贮存库、气候调节器,在保护生态环境、保持生物多样性以及发展经济社会中,具有不可替代的重要作用。

4.2湿地生态系统的碳循环过程

湿地碳循环的过程主要表现为：植物吸收大气中的二氧化碳与水分，通过光合作用生成有机物和氧气，有机物经过食物链传递被动物吸收，生物死亡后在好氧条件下腐蚀在土壤中的有机质经微生物分解成二氧化碳又释放到大气中，在厌氧环境下则生成CH

释放到大气

4

中，同时植物在呼吸过程中也会释放出二氧化碳。湿地碳循环影响着二氧化碳和甲烷的平衡：湿地植物吸收大气中的二氧化碳经光合作用产生有机质供植物吸收并通过食物链传递给各级高级消费者，动植物残体在微生物的分解下形成腐殖质储藏于土壤中，起到固碳作用；同时湿地植物呼吸释放二氧化碳，微生物在产生腐殖作用的同时也在使有机质发生矿化，释放二氧化碳与甲烷，由此可知，湿地土壤既是碳汇又是碳源，由于人类的开垦利用，自然界中二氧化碳、甲烷严重失衡，因此要增强湿地碳汇功能，发挥湿地在温室气体减排中的作用。

4.3湿地生态系统的碳循环特点

湿地生态系统的季节性变化是和大气气候条件的变化分不开的,温暖的春季和湿润的夏季会导致二氧化碳释放量的增加。目前,较为一致的看法是,热带湿地生态系统是大气主要来源。但北部高地湿地由于其巨大的碳贮量,同时对气候条件的变化相当敏感,因此,对大气碳循环的贡献巨大,目前已经成为湿地碳循环的焦点。

土壤对有机碳的固定作用实际上应该是易变形态成为难变形态,生物可利用形态成为不可利用形态。因此,土壤中有机碳与土壤粒子的结合可能受土壤中有机- 无机- 生物的相互作用特点所制约。土壤有机碳固定中团聚体保护机制可能说明有机碳的固定效应。因此,需

要从微团聚体水平的有机碳转化与结合机制上研究土壤对有机碳的固定机制,并探讨促进其固定的技术措施。下图为湿地土壤温室气体循环：

4.4湿地生态系统的碳循环的影响因素

气候条件决定湿地水文的季节变化、净初级生产力、化学活动能力、有机质的获得及沉积量等,是湿地碳循环的生物地球化学过程的重要驱动因素。大气环境中日益升高的二氧化碳浓度可以促进植物地上部分及地下部分的生物量产出,同时使土壤的碳循环速率加快。

温度的变化也是影响全球碳循环的重要因素。研究表明,高地湿地的碳动态与温度密切相关,温度升高,土壤中有机物分解加快,产生的二氧化碳或者甲烷释放到大气中去,直接参与了大气的碳循环进程。由于寒冷的气候有利于碳的积累,因此,科研工作者推测,逐渐升高的大气温度有可能加速原有碳库中碳的释放。在冻原地带的湿地生态系统中,这一现象已有报道。对于其它的湿地生态类型,温度则通过增加植物种群的初级生产力来增加土壤碳库的贮备。

湿地水文状况是影响湿地碳通量的主要因素。水文条件不仅能直接改变湿地的理化性状,如养分的有效性、基质的缺氧程度、基质盐度、沉淀性质和pH等,而且也是最终选择系统生物群落的主要因素之一,进一步影响到湿地的微生物群落。