全球碳循环:从基本的科学问题到国家的绿色担当

全球碳循环:从基本的科学问题到国家的绿色担当

姜联合

大气 CO2 浓度不断增高导致全球气温明显上升， 作为影响大气 CO2 浓度的重要过程，碳循环成为全球气候变化研究的焦点，碳平衡是其中的核心问题，它由碳固定与碳释放两个过程组成，

大气中二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（NO）等浓度的增加，就像在地球周围大气中罩了一层玻璃，使得太阳辐射到地表的热量难以向空中散发，导致近地表的温度增高，造成温室效应。其中，最重要的因素是CO2 浓度的增高，CO2 有吸热和隔热的特点，因此也被称为温室气体。最近的150 年来，大气CO2 浓度已从280×10－8 上升到400×10－8，导致全球平均气温上升了约0.7℃，灾害性天气频发，且强度加大。大量科学论证表明，如果大气温度上升超过2℃，地球上的生命将岌岌可危。

2015 年12 月22 日，美国国家航空航天局（NASA）公布了首张全球CO2 分布图，其中中低纬度部分地区的大气CO2 浓度突破了400×10－8。2019 年5 月夏威夷莫纳罗亚天文台观测到大气层CO2 浓度达到了415.26×10－8，这是人类有史以来首见。

全世界的科学家已达成共识：CO2 排放增加会导致全球气候变暖、极端天气增多，从而使南北极积雪融化、海平面上升、极端旱涝灾害频发、沿海三角洲被淹没等。根据100 个野外站点的观察，科学家们估计，从2003 年到2017 年，全球变暖导致的北部多年冻土层融化释放的碳，比植被吸收的量平均每年多出6×1011 千克。

到目前为止，人类使用煤炭、石油、天然气等化石燃料所产生的以CO2 为主的温室气体排放，被认为是导致近150 年来大气CO2 浓度急剧上升和全球变暖的主要推手。

一、大气CO2的监测

对大气中CO2 的监测一般通过气象站、气象球、探测飞机和探测卫星完成。2009 年，日本发射了世界首颗温室气体观测卫星（GOSAT）。2014 年美国发射了碳卫星（OCO-2），并于2015 年发布了首张全球CO2数据图像。

2016 年12 月22 日，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭，成功将我国首颗全球CO2 监测科学实验卫星（TANSAT，简称“碳卫星”或“嗅碳卫星”）发射升空。2018 年4 月，由该碳卫星获取的第一幅全球CO2 分布图对外公布，该图有助于准确监测CO2 的时空变化、排放与吸收情况，通过深入研究CO2 变化情况与全球变暖的关系，可以帮助我们在未来对气候变化做出精确预测。

二、碳循环中的基本概念

碳循环是指碳元素在地球的生物圈、岩石圈、水圈及大气圈中交换，并随地球运动循环往复的现象，其全球循环过程就是大气中CO2 被陆地和海洋中的植物吸收，又通过生物或地质过程以及人类活动，以CO2 形式返回大气。它包括碳固定与碳释放两个阶段，前者是从大气吸收CO2 的过程，称为碳汇；后者是向大气释放CO2 的过程，称为碳源。其中，森林碳汇是指森林植物通过光合作用将大气中CO2 吸收并固定在植被与土壤中；林业碳汇是指通过植树造林、加强森林经营管理、减少毁林、保护和恢复森林植被等活动，加强吸收和固定大气中CO2，以及按照相关规则进行与碳汇交易相结合的过程、活动或机制。

三、全球碳循环过程

碳固定包括有机碳固定、无机碳固定，以及人类通过各种技术方法对碳的固定。有机碳固定是指绿色植物从空气中获取CO2，经过光合作用转化为葡萄糖，再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。无机碳固定包括海水溶解部分大气中CO2，干旱区盐碱土吸收CO2，以及碳质岩的形成（即雨水和地下水吸收大气中CO2 成为碳酸，碳酸又把石灰岩变为可溶态的重碳酸盐流入海洋。而海水中的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的，接纳了新输入碳酸盐后便有等量的碳酸盐沉积下来。通过成岩过程形成石灰岩、白云石和碳质岩）。人类固定CO2 的技术有：在地下深层埋藏CO2，通过高温高压反应将CO2 合成为其他碳化合物。

碳释放包括：①有机体碳释放，即植物和动物( 包括微生物) 的呼吸作用把通过光合作用积累在体内的一部分碳转化为CO2 释放进大气，构成生物体或贮存在生物体内的碳, 在生物体死亡后通过微生物分解作用转变为CO2，最终排入大气。大气中的CO2 平均每7 年通过光合作用与陆地生物圈交换1 次。

②燃料化石碳释放，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，经过悠长的年代，它们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CO2 排入大气。人类消耗大量矿物燃料对碳循环产生了重大影响，全世界每年燃烧煤炭、石油和天然气化石燃料，以及水泥生产等释放到大气中的碳为5.3×1012 千克。

③在化学和物理因素作用下，石灰岩、白云石和碳质页岩被分解，所含的碳又以CO2 形式释放入大气中。碳质岩的破坏在短时期内对碳循环的影响虽不大，但对全球几百万年尺度时间里的碳平衡却是重要的。

④大气、河流和海洋之间的CO2 交换，这种交换发生在气和水的交界面，由于风和波浪的作用而加强，且这两个方向流动的CO2 量大致相等，大气与河流和海洋之间碳交换量为1.02×1015 千克。

四、全球碳库的分布和储量

在全球碳循环过程中，碳库是指地球系统各个存储碳的部分，主要分为大气碳库、陆地碳库、海洋碳库和岩石碳库等。其中，大气碳库储量7.5×1014 千克；陆地碳库中植被碳库有6.1×1014 千克，土壤（包括腐殖质）碳库1.58×1015 千克，所以土壤碳库在全球碳平衡中具有重要作用；海洋碳库4×1016 千克，是地球上最大的碳库，包括生物群落的储量3×1012 千克、地壳沉淀物的储量1.5×1014 千克、溶解性有机碳的储量7×1014 千克，以及中层及深层海洋中的储量3.81×1016 千克。

2018 年，科学家发现湿地虽然仅占陆地面积5%—8%，却保存了陆地生态系统约35% 的碳库。其中，泥炭湿地甚至能保存1.3 万年前的有机碳，包括植物和动物的残体。然而，由于气候变化和土地利用变化，全球大约有一半的湿地正受到水位下降的威胁。人为排水或干旱造成的水位下降, 很可能将湿地由碳汇变成碳源。但在野外观测中，土壤有机碳库对湿地水位降低或干旱的响应并不统一，其调控因素还有待进一步研究。

五、 CO2失汇

科学家在进行全球碳平衡研究和估算中发现，排放的CO2 有近20% 去向不明，这就是全球变化与碳循环领域的CO2 失汇，即“碳黑洞”问题。失汇量约每年(1.8~3.1)×1012 千克。

研究发现，干旱区盐碱土对CO2 失汇起着重要作用。在以往的认识中，无论昼夜，由于土壤生物的呼吸作用，任何生态系统的土壤呼吸放出CO2 的量均为正值，这一过程是CO2 释放的过程。我国学者在新疆进行盐碱土荒漠生态系统土壤呼吸研究时，发现夜间的土壤呼吸频繁出现负值，经与箱式法的测定结果比较，确认那里的盐碱土呼吸在夜间出现CO2 负通量。为证实这一表观吸收是否为真实的负通量，又采用纯石英沙、盐碱土溶液、高温灭菌后的盐碱土分别进行呼吸的测定，发现石英沙没有出现CO2 负通量，但盐碱土溶液、高温灭菌后的盐碱土均出现CO2 负通量，从而进一步证实了盐碱土可以吸收空气中的CO2。

美国科学家在美国加利福尼亚莫哈维沙漠（Mojave Desert）也发现了类似现象，证实荒漠生态系统盐碱土可以吸收CO2。鉴于干旱区盐碱土在全世界分布广泛，它们可能是陆地生态系统另一个重要碳库，并被认为部分地解释了碳黑洞现象，从而引起科学界广泛关注。

我国学者最终发现，干旱区盐碱土不仅可以吸收CO2，并且CO2 最终被储存到了地下咸水层中。荒漠—绿洲复合体与海洋类似，具有吸收CO2 功能，甚至更大，从而使之成为除海洋之外又一具重要意义的碳汇区。研究揭示了无机碳汇形成的载体和通道：碳通过绿洲区农田灌溉淋洗和荒漠区洪水，以及地下水的波动，被带入地下咸水层，地下咸水层是干旱区物质的最终归宿地。无机碳的载体是灌溉洗盐的水，水接触盐碱土变为咸水，咸水溶解、携带大量CO2 渗入地下咸水层，从而形成碳汇。就其属性特征和形成特点看，这个无机碳汇（库）更接近海洋，而非陆地的土壤和植物碳汇（库）。实测数据显示，全球沙漠下咸水层的可溶性无机碳的碳含量是海水中的2 倍多，估计全球干旱区每年可以固定碳1.85×1012 千克。

六、森林和海洋在碳循环中的作用

森林的光合和呼吸作用与大气之间的年碳交换量占到陆地生态系统总量的70%，主导着全球陆地碳循环的动态。与其他生态系统类型相比较，森林生态系统具有较高的碳贮存密度。森林植被具有较强的生存持续性和结构与功能的稳定性，在生物地球化学循环中起着重要的调节作用。全球森林每年总碳汇为2.4×1012 千克，相当于全球化石燃料碳排放量的一半，陆地碳汇基本来自森林。

近年来，科学家发现，陆地生态系统固碳是减缓大气CO2 浓度升高最经济可行的途径，中国陆地生态系统在过去几十年中一直扮演着重要的碳汇角色，2001—2010 年间，陆地生态系统年均固碳2.01×1011千克，相当于抵消了同期中国化石燃料碳排放量的14.1%。其中，中国森林生态系统是固碳的主体，贡献了约80% 的固碳量，农田和灌丛生态系统分别贡献了12% 和8%，草地生态系统的碳收支基本处于平衡。科学研究表明，人类的有效干预能提高陆地生态系统的固碳能力。例如，我国的重大生态工程（天然林保护工程、退耕还林工程、退耕还草工程、长江和珠江防护林工程等）和秸秆还田的农田管理措施，分别贡献了中国陆地生态系统固碳总量的36.8%（7.4×1010千克）和9.9%（2.0×1010 千克）。

海洋覆盖了地球表面的70.8%，是地球上最重要的“碳汇”聚集地。海洋通过波浪涌动溶解大气中CO2，生物量巨大的海藻，其光合功能亦能吸收大量CO2，海洋中的可溶性钙盐与碳酸结合，可以在海底形成大面积的碳沉积。

据测算，地球上每年化石燃料燃烧产生的CO2，约13% 为陆地植被吸收，35% 为海洋所吸收，其余部分暂存于大气中，海洋的固碳能力约为4×1015 千克，年新增储存能力(5－6)×1015 千克。所以，森林与海洋是大气CO2 的两个重要调节器。

七、我国在应对气候变化中的担当

全球气候及环境变化影响到人类社会的可持续发展，2009 年12 月在丹麦哥本哈根召开的世界气候大会（官方正式名称是：《联合国气候变化框架公约》缔约方第15 次会议 ）的任务就是在如何减少和控制温室气体排放问题上达成协议，并以此作为2012年《京都议定书》第一阶段结束后的后续方案。我国在会上承诺，到2020 年, 单位GDP 的CO2 排放比2005 年下降40%—45%。

2015 年12 月，在巴黎气候变化大会上通过的《巴黎气候变化协定》，其目标是在21 世纪中，将全球平均气温较工业化之前的升幅控制在2.0℃以内，最理想的情况是控制在1.5℃以内。该协定于2016 年11 月4 日正式生效，明确要求世界各国要加强对气候变化威胁的全球应对，推动各方以“自主贡献”方式参与全球应对气候变化行动，以此来降低温室气体排放，减缓全球升温速率。全球未来碳排放目标是：到2050 年，全球减排50%，发达国家减排80% ；全球累计排放最多4.16×1014 千克，人均累计排放最多5.3×104 千克，发达国家和发展中国家人均累计排放分别为8.1×104 千克和4.7×104 千克。

无论是森林固碳，还是干旱区盐碱土固碳，中国生态系统可抵消化石燃料总排放的1/3, 1981—2000 年，化石燃料释放的碳量为1.32×1013 千克，生态系统吸收的碳量为(3.5－4.6)×1012 千克，相当于化石碳排放量的27%—34%。中国陆地生态系统的碳汇目前已经高于欧洲、低于北美。

2015 年，我国提出了2030 年应对气候变化行动目标，推动社会转型升级。当年单位GDP 的CO2 排放比2005 年下降了60%—65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20% 左右，森林蓄积量比2005 年增加了45 亿米3。我国积极推进应对气候变化国际合作和全球气候治理进程，全面推进低碳发展，超额完成应对气候变化的目标任务，扭转了多年来CO2 排放快速增长的局面，展现了对构建人类命运共同体的担当。

“碳与环境”成为全球关注的问题，“碳与环境和生活的关系”不仅是科学家的问题，也是公众关心的问题，涉及国家可持续发展和人民生活的方方面面。

《全球碳循环》（姜联合 绘）

《碳库：雪域高原》（姜联合 摄）

来源于《科学》（2021）