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，大气线性驱动器CO2浓度还会不断增加。金银花绿原酸IPCC在2001年发布了第三次评估报告。该报告指出，天然气调压撬在过去的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10 ka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
贴易
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CO钢丝扣2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电子煎药壶交换的管道,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。
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