生物地球化学作业

举例说明碳循环与气候反馈的过程和机理。

1.碳循环

碳循环：是指碳元素在自然界的循环状态。碳循环是地球系统物质和能量循环的核心，是地圈－生物圈－大气圈相互作用的纽带。

1.1 全球碳库分布与碳储量

《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)将温室气体“源”定义为向大气中释放温室气体的过程或活动, 温室气体“汇”为从大气中清除温室气体、气溶胶或温室气体前体物的过程、活动或机制。全球碳循环的源与汇是以大气圈为参照系, 以从大气中输出或向大气中输入碳为标准来确定。全球碳源与碳汇分布极为普遍, 由陆地到海洋、由耕地到森林、由自然界到人类社会等都存在碳源与汇。

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%。这两个库中的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作用。地球上还有三个碳库——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，实际上起着交换库的作用。

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。在大气中，二氧化碳是含碳的主要气体，也是碳参与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两倍。森林又是生物库中碳的主要贮存者,贮存量大约为4.82×1011吨，相当于目前大气含碳量的2/3。

1.1.1 岩石圈中的碳

地壳岩石中平均含有0 .27 %的碳, 约有6 .55 ×1011 GtC , 其中73 %是以碳酸盐岩(海相碳酸盐岩、沉积碎屑岩中碳酸盐胶结物以及泥质岩中碳酸盐矿物)和幔源碳的形式存在, 其余部分以石油、天然气、煤等各种有机碳形式存在。在各种内外营力作用过程中(如脱碳气、氧化、热裂解、微生物降解等), 碳以水溶气相、油溶气相、连续气相、连续液相等各种形式迁移或转化, 最终以CO2 等气体形式通过地下水、油(气)田、地热区、活动断裂带和火山活动不断地释放出来, 或者储存在沉积地层中成为CO2 气田。

尽管地质碳库是最大的碳库, 但其中储存的绝大多数的碳不参与全球的碳循环。除了人类大规模的矿产和燃料开采, 使岩石圈储存的碳得以释放, 并

直接影响全球碳循环平衡外, 岩石圈的碳的活动一般只对地球的局部产生影响(如火山喷发引发区域的CO2 浓度升高)或者只会在较大的时间尺度内(千年以上)发生作用。

1.1.2 岩溶作用过程中的碳循环

岩溶碳循环是全球碳循环的重要一环, 全球陆地碳酸盐岩体碳库容量估计近1 ×108GtC , 分布面积为2 .2 ×107 km2 。碳酸盐的产生与地质历史时期的大气、气候、水热和生物环境条件密切相关, 它是过去全球碳循环方向和强度变化过程中被固化的部分。岩溶作用是岩溶水系统内可溶岩、水、空气、生物界面之间的地球化学场上能量、物质交换的表现及结果, 在岩溶作用过程中存在CO2 -H2O -碳酸盐岩三相动态平衡过程。碳酸盐岩的溶蚀过程是从大气中吸收碳的过程, 凝结钙华的过程是碳的排放过程。当大气中CO2 浓度降低时, 岩溶系统中将出现钙华凝结沉降, 并向大气中排放CO2 , 反之则吸收CO2 。在目前全球CO2 浓度普遍过高的状况下, 岩溶系统对碳的调节作用主要以吸收碳为主。

1.1.3 陆地生态系统中的碳

陆地生态系统是全球碳循环又一重要碳库, 每年净吸收0 .4 GtC , 其贮存的碳总量为2 477 GtC ,其中植物体储存了466 GtC , 土壤(地表1 m 深度范围)储存了2 011 GtC 。陆地生态系统—大气的碳通量取决于植物的光合作用、呼吸作用和土壤微生物之间的平衡, 这些过程受温度、降水、土壤质地和养分供应的强烈影响。

土壤具有储存转化有机碳的作用, 土壤的矿化作用(包括根的呼吸、土壤动物和微生物的代谢作用)是自然生态系统中重要的CO2 释放过程, 其对全球碳循环的影响是长时间尺度的。但是日益加强的土地利用加速了土壤的碳呼吸, 动植物残体和有机质分解增强, 土壤贮存的碳大幅度减少, 通过水土、大气输出而成为重要的碳源。伴随着高纬度地区温度的大幅上升, 高纬度地区的冻土带和泥炭地中储存的CO2 和CH4 也将逐步释放出来, 这些地区难于分解的碳, 随着温度升高也将加速分解, 并最终以超过光合作用固碳能力的水平向大气中释放。

陆地表面的岩石、土壤与生物等经过各种自然营力, 产生大量的有机与无机碳, 以及河流自生的有机碳, 经由河流进入海洋。每年通过河流输入海洋的碳约在1 Gt 左右, 其中约60 %为无机碳, 40 %为有机碳。河流碳通量与碳循环的其他环节不同,如在“大气—海洋”、“大气—陆地生态系统”等循环中, 碳的交换是双向同时进行的, 而河流碳通量在特定的时间和地区是由陆地单向流入海洋的。

1.1.4 海洋碳库

海洋的碳储量高达38 000 GtC , 是重要的CO2汇。根据测算, 在每年由人类排放的碳中, 大约30 %～40 %由海洋吸收。根据人为释放CO2 会使海水溶解态无机碳13C/12C 比率减小的原理测算,1970 —1990 年海洋的吸收值为2 .1 ±1 .5 Gt C/a , 根据人为释放CO2造成O2/N2 比率变化的原理测算,1989 —1994 年海洋的吸收值为1 .9 ±0 .5 Gt C/a , 普遍的认识是海洋年均吸收值为1 .5 ～ 2 .5 Gt C。

生物作用在海洋的碳循环过程中发挥着重要作用, 海洋中向下输送的碳大部分都与海洋生物过程有关。在海洋表面的透光层中, 大量的浮游植物通过光合作用吸收海水中的CO2 , 将其转化为颗粒有机碳, 形成初级生产力, 初级生产的大部分在透光层中再循环, 但在海洋生物死亡和腐烂时, 其体内的碳将向下输送到海水深处或海底。

1.1.5 大气中的碳

大气中的碳主要以CO2、CH4 和CO 的形式存在, 碳储量合计约730 GtC , 其中以CO2 最为重要。在整个地质历史时期, 大气碳含量始终处于变化之中。

1.1.6 人类活动与碳循环

随着人类社会的发展, 尤其是化石燃料的普遍利用, 人类碳源的强度是不断增大的。人类碳源主要包括化石燃料使用、水泥生产等的碳排放以及土

地利用(如水稻生产)、矿产开采、地下水开采等过程中的碳的释放, 其中化石燃料燃烧发挥了最大作用, 约占3/4 。在1980 —1989 年间, 化石燃料燃烧(包括少量的水泥生产释放的碳)产生的碳排放量平均为 5 .4 ±0 .3 GtC/a , 1990 —1999 年间这一数值升为6 .3 ±0 .4 GtC/a 。土地利用变化所产生的碳排放增加的情况与此相当。人类活动在增加大气CO2 的同时, 完全可以通过积极的行动增加对大气CO2 的吸收, 从而形成“人为汇”。

1.2 碳循环的基本过程

自然界碳循环的基本过程如下：大气中的二氧化碳（CO2）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。

1.2.1 生物和大气之间的循环

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。大气中的二氧化碳这样循环一次约需20年。

一部分（约千分之一）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──煤、石油和天然气等。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。人类消耗大量矿物燃料对碳循环发生重大影响。

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。

1.2.2 大气和海洋之间的交换

二氧化碳可由大气进入海水，也可由海水进入大气。这种交换发生在气和水的界面处，由于风和波浪的作用而加强。这两个方向流动的二氧化碳量大致相等，大气中二氧化碳量增多或减少，海洋吸收的二氧化碳量也随之增多或减少。

1.2.3 含碳盐的形成和分解

大气中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成为碳酸，碳酸能把石灰岩变为可溶态的重碳酸盐，并被河流输送到海洋中，海水中接纳的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的。新输入多少碳酸盐，便有等量的碳酸盐沉积下来。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中。火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中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，但对几百万年中碳量的平衡却是重要的。

1.2.4 人类活动

人类燃烧矿物燃料以获得能量时，产生大量的二氧化碳。从1949年到1969年，由于燃烧矿物燃料以及其他工业活动，二氧化碳的生成量估计每年增加4.8%。其结果是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，可能导致气候异常。矿物燃料燃烧生成并排入大气的二氧化碳有一小部分可被海水溶解，但海水中溶解态二氧化碳的增加又会引起海水中酸碱平衡和碳酸盐溶解平衡的变化。

矿物燃料的不完全燃烧会产生少量的一氧化碳。自然过程也会产生一氧化碳。一氧化碳在大气中存留时间很短，主要是被土壤中的微生物所吸收，也可通过一系列化学或光化学反应转化为二氧化碳。

以上这些过程可以概括为碳的地球化学循环和生物循环。碳的地球化学循环控制了碳在地表或近地表的沉积物和大气、生物圈及海洋之间的迁移；碳的生物循环包括了碳在动、植物及环境之间的迁移。碳库通过碳的循环过程保持着动态平衡。

2 碳循环与气候反馈（以陆地生态系统碳循环对气候变化的反馈和海洋碳循环过

程对气候的反馈为例）

2.1 陆地生态系统碳循环对气候变化的反馈

大气CO2 浓度升高通常会促进植物的光合作用，进而促进植物生长和陆地生态系统生产力。大气CO2浓度升高对陆地生态系统生产具有正效；温度影响着植物的各项生理过程，在达到最适温度之前，温度升高通常会提高植物的光合作用，促进植物生长，但温度升高同时也会促进植物的呼吸作用。长期观测和实验的结果还表明全球温度升高会改变植物的物候，造成生长季延长。另一方面，温度升高会导致土壤水分含量下降从而间接地对某些陆地生态系统碳循环过程产生负面效应。全球温度升高会降低植物群落的物种丰富度和多样性［1314］，但会提高植物生物量和陆地生态系统生产力；降雨格局改变直接影响着碳循环。对许多陆地生态系统而言，降雨量增加会提高生态系统生产力，而干旱被认为是造成陆地生态系统生产力下降的重要原因；这说明陆地生态系统碳循环对大气氮沉降增加的响应可能是非线性的，大气氮沉降增加在短期内可以促进陆地生态系统生产力，全球范围的大气氮沉降增加可能会使陆地生态系统碳汇增大，但同时会导致陆地植物多样性下降；工业革命以来，大气中的臭氧浓度不断升高，臭氧不仅本身是一种温室气体还影响着气候变化，臭氧浓度增加会直接抑制植物生长进而降低植物生产力；不同生态系统对气溶胶含量增加有不同的响应，对于森林和农田生态系统而言，气溶胶有可能会增加其碳汇; 而对于草地生态系统，气溶胶增加会降低其碳汇。

陆地生态系统碳循环对气候变化的反馈研究均基于模型模拟。目前有两种碳循环反馈模型，一种是CO2浓度－碳循环耦合模型，另外一种是气候－碳循环耦合模型。由于大气CO2浓度增加通常会促进陆地生态系统的碳积累，所以利用CO2浓度－碳循环模型模拟的结果是碳循环与全球变化间存在负反馈关系。但是，基于气候－碳循环模型的研究结果，碳循环与全球变化之间是正反馈作用。不同地球系统模型模拟结果的差异性取决于陆地碳库响应大气CO2浓度升高的时滞，而不同模型中碳通量和碳库的结果主要取决于植物生产力对CO2浓度增加的敏感性，虽然其它碳循环过程同样受CO2浓度增加的影响。同样，大多数气候－碳循环模型显示的正反馈结果源于在气候变暖条件下生态系统净初级生产力的降低和呼吸的增强，而实验的证据显示植物生产力在碳循环对气候变化的反馈中起重要调节作用。另外，模型结果的不确定性也来源于从微观到宏观以及从短时间尺度到长时间尺度的尺度推绎问题同时，目前很多模型没有考虑到碳氮循环的相互作用、除CO2以外的其它温室气体的变化以及大气气溶胶的变化等。

2.2 海洋碳循环过程对气候的反馈

海洋作为地球上一个主要吸收二氧化碳的汇, 储存大量的二氧化碳。海-气间的二氧化碳交换, 使得海洋中碳对气候产生反馈作用, 从而影响着大气中CO2 的浓度, 甚至影响到全球气候的变化。

海洋中的碳主要以溶解无机碳( DIC)、溶解有机碳( DOC)、颗粒有机碳( POC) 等形式存在, 以溶解无机碳居多, 比例近似为DIC∶DOC∶POC=2000∶38∶1 。北太平洋中层的DIC浓度在全球海洋中最高。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CO2 的海-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CO2气体被海洋吸收,并在海洋中以碳酸盐的形式存在; 第二方面是“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, 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用速率, 也就是通过生物的新陈代谢来实现碳的转移, 在海洋中主要是通过海洋浮游植物的光合作用来实现的。虽然海洋中的生物只有陆地生物生产率的30% ～40% , 但是它们有很高的循环速度。浮游植物由于生活在上层海洋, 能够直接吸收太阳辐射, 通过光合作用将CO2转化为有机碳; 而有机碳又通过浮游动物的生命过程或其他物理化学过程形成颗粒碳, 以这种形式沉积到深层海洋。颗粒有机物由于重力的作用沉降到下层海洋, 一部分被再矿化, 即颗粒碳通过真菌或细菌的分解又转化为有机碳, 进入再循环过程; 另一部分则被沉积埋藏在深海里。

大气与海洋的CO2 交换主要发生在海水表层,海水表层储存碳的空间是有限的, 表层海水与深层海水之间的交换是一个长期的缓慢过程, 时间尺度在几百年到几千年之间。浮游生物的死亡腐化, 却可以将海洋表层100m中的碳向深层海洋转移, 从而减少海洋表层的含碳量; 也可以让海洋吸收大气中CO2的速率大大提高, 从而减少大气中CO2 的含量, 达到辐射量能平衡。这就是海洋碳循环中生物泵的作用。

由于人类活动使大气中二氧化碳浓度增加, 温室效应导致全球变暖, 全球气候变化对海洋碳的吸收有负效应, 甚至会导致CO2吸收的减弱。大气中二氧化碳增加, 有效辐射相对就会减少, 海水表面的温度会随之增高, 海水的稳定度加大, 从而海洋吸收二氧化碳的能力就会减少, 大气中二氧化碳的含量会相应增加, 这是一种正反馈的机制。大气中二氧化碳浓度的增高会造成海洋中的硅藻光合作用增强、以及浮游植物的呼吸作用下降。

对于短期气候的异常变化, 如厄尔尼诺和南方涛动( EN SO) , 碳循环也有很好的响应。研究表明厄尔尼诺事件发生时, 大气二氧化碳浓度在4个选定区域增加; 拉尼娜事件发生时, 情况恰好相反。