人类活动对全球碳循环的影响

摘要：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。一个崭新的地质时代人类世不期而至。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。关键词：人类活动；碳循环；全球碳循环；引言自工业革命以来，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，大气CO2浓度还会不断增加。IPCC在2001年发布了第三次评估报告。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已引起了广泛的注意，该报告指出，工业革命以来的全球气温已增加了约0.6℃，这主要是由于大气中人为温室气体(如CO2、CH4、N2O、CFCs)浓度增加所致，其中CO2的作用居首位。初步预测，21世纪全球增暖将超过过去10ka来自然的温度变化速率。1、全球碳循环概述1.1碳循环概述1.1.1碳元素的分布———碳储库从全球的角度讲,碳元素分布于地球各圈层若干主要的储库中(图1)。（1）大气圈大气中所含碳元素最少,主要是CO2、CH4和CO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。图1地表系统的碳储库（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—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）陆地生物圈2000年IPCC发表的报告估计,全球陆地生态系统碳储量约24770亿t,其中植被4660亿t,土壤20110亿t。值得一提的是森林生系统,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20～100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。1.1.2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=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1.1.3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。1.1.4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。1.2全球碳循环概述碳循环是碳在大气、海洋及包括植物和土壤的陆地生态系统3个主要贮存库之间的流动。最大的碳库是海洋，其碳的储存形式有3种：可溶性无机碳(CO2、HCO3-和CO32-),可溶性有机碳(各种大小不一的有机分子)和有机分子碳(存在于活的生物体或死亡动植物的碎片中)。碳存量最小的是大气，但它作为CO2交换的管道,对库与库之间的碳循环起着重要作用。CO2的重要交换形式是大气与海洋间的气体转移，及生物群与其它库之间的光合作用和呼吸作用。此外，凋落物的生成及凋落物总量、土壤有机质积累和土壤呼吸释放也是陆地生态系统中碳循环流动的重要形式。碳在贮存库间的流动受各库的碳储量和周转率的影响,周转率是环境因素功能的函数。在人类活动成为一个重要的扰动之前，在比地质年代时间尺度短的时间内，各个碳库之间的交换相当稳定，并维持着动态平衡(图2)。但工业革命打扰了这一平衡。1860年以来,化石燃料的燃烧,使本来不参与短期全球碳循环的地质库中的碳释放出来,由此,碳库的大小、碳流量的大小发生了变化。图3所示的碳循环是自然状态和人为干扰的重叠。图2工业革命前的碳循环图3工业革命后的全球碳循环和人为扰动的相互作用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入大气的大量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10×10-6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(见图3)。这种非平衡态导致了大气中多余CO2的累积。图2大气CO2浓度变化的记录(Petit等,1999)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70%~90%。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CO2一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CO2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。2.2.1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60亿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20亿t，陆地生物圈吸收约17亿t。这75亿t的人为排放CO2最终去向如图4所示。可以看出,约有50%CO2留在大气中。图4人为因素增排CO2的去向2.3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、总结和讨论80年代由化石燃料燃烧和工业过程排放的CO2估计为5.5×109tC/a,土地利用变化引起的排放为1.6×109tC/a,其中3.2×109tC/a累积在大气,海洋吸收2.0×109tC/a。陆地植物的净初级生产力估计为6.2×1010tC/a,但通过光合作用吸收的这部分碳为土壤有机质和枯枝落叶层的分解所平衡。因而全球碳循环存在一个.9×109tC/a的“未知汇”。由于地质碳库的参与,碳循环的平衡过程有异于工业革命前。对于“未知汇”的猜测,70年代末,有地球化学家假设,为了平衡全球碳循环,陆地生态系统随着CO2浓度的逐渐增加,像温室里的植物一样,光合作用率增强。这种观点遭到生态学家反对,理由一是植物光合作用率的提高除了与CO2浓度有关外,还受水分供应、植物种类、营养物质等条件的限制；二是植物可能适应大气的CO2浓度,光合作用恢复到原来水平或下降。目前,很多学者估计“未知汇”存在于陆地生态系统。有人认为温带森林的再生、CO2施肥效应、氮沉降的施肥影响和气候变化(如温度升高、降水增加等)等其它地球过程平衡了碳循环。而事实上通过森林统计,温带森林再生被确认为是潜在的可产生5.0×108tC/a汇。此外,有报告指出,幼龄林比老龄林或过成熟林具有更高的同化效率,能截留更多的CO2,因此,加快对废弃地造林和再造林有利于增大碳汇。有人建议,利用热带地区的有利条件在适宜土地上发展工业林是一兼顾环境经济效益策略。必须注意,这并不意味着破坏现有的自然林地,变为人工种植林,因为有皆伐使得温度及水分条件发生的变化使土壤呼吸消耗在很多年内都超过幼年树木同化吸收的碳。一般的森林需很长的时间才达到最大碳吸收力(如热带森林生物量达最大至少需150年,温带森林