世界環(huán)境日：碳黑洞—來自干旱區(qū)鹽堿土的秘密

世界環(huán)境日：碳黑洞—來自干旱區(qū)鹽堿土的秘密

原創(chuàng)：姜聯(lián)合

碳循環(huán)的科學(xué)問題

碳循環(huán)不僅是生態(tài)學(xué)研究最核心的科學(xué)問題之一，也是國際氣候變化談判最重要的科學(xué)基礎(chǔ)之一，同時(shí)它與人們的衣食住行息息相關(guān)，低碳生活成為重要的環(huán)境命題，倡導(dǎo)低碳生活、保護(hù)環(huán)境是國家可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

隨著大氣CO2濃度不斷增高以及全球溫度的明顯上升，作為影響大氣CO2濃度的重要過程，碳循環(huán)成為全球變化研究的焦點(diǎn)，其中全球碳平衡是其核心問題?？茖W(xué)家們在進(jìn)行全球碳平衡研究和估算中發(fā)現(xiàn)，有近20%的CO2排放去向不明，這就是全球變化與碳循環(huán)領(lǐng)域熟知的CO2失匯，即“碳黑洞”問題。失匯量約每年1.8～3.1PgC (Tans, et al., 1990; Siegenthalerand Sramiento,1993; IPCC, 1994) (1Pg=1×1015g)?？茖W(xué)家針對(duì)此問題相繼研究了海洋、森林、草地、農(nóng)田、濕地的碳過程，使得碳循環(huán)之謎得以逐步解開。

本篇從全球碳循環(huán)過程和機(jī)理、全球碳庫分布、森林在碳循環(huán)中的作用、干旱區(qū)鹽堿土碳吸收－碳黑洞釋義等方面深入理解碳循環(huán)科學(xué)、關(guān)注碳與環(huán)境、關(guān)注國家可持續(xù)發(fā)展。

全球碳循環(huán)過程和機(jī)理

全球碳循環(huán)的過程就是大氣中的二氧化碳（CO2）被陸地和海洋中的植物吸收，然后通過生物或地質(zhì)過程以及人類活動(dòng)，又以二氧化碳的形式返回大氣中。

全球碳循環(huán)過程包括了碳固定與碳釋放兩個(gè)階段。碳固定包括有機(jī)碳固定、無機(jī)碳固定、人類通過各種技術(shù)方法對(duì)碳的固定等5個(gè)碳匯過程。碳釋放包括有機(jī)體碳的釋放、燃料化石碳釋放、大氣和海洋間二氧化碳的交換等8個(gè)碳源過程。

有機(jī)體碳固定指綠色植物(包括陸地及海洋中的高低等植物)從空氣中獲得二氧化碳，經(jīng)過光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，再合成為植物體的碳化合物，經(jīng)過食物鏈的傳遞，成為動(dòng)物體的碳化合物。

無機(jī)碳固定 包括：1）海水可以溶解部分CO2。2）據(jù)最新研究，干旱區(qū)鹽堿土可以收收一定量的CO2。3）碳質(zhì)巖石的形成。大氣中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成為碳酸，碳酸能把石灰?guī)r變?yōu)榭扇軕B(tài)的重碳酸鹽，并被河流輸送到海洋中。海水中的碳酸鹽和重碳酸鹽含量是飽和的，接納新輸入的碳酸鹽，便有等量的碳酸鹽沉積下來。通過不同的成巖過程，又形成為石灰?guī)r、白云石和碳質(zhì)頁巖。

人類通過技術(shù)方法固定CO2，如人類通過在地下深層埋藏CO2，通過高溫高壓反應(yīng)將CO2合成為其它碳化合物。

有機(jī)體碳釋放，即植物和動(dòng)物(包括微生物)的呼吸作用把通過光合作用積累在體內(nèi)的一部分碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳釋放入大氣，另一部分則構(gòu)成生物的機(jī)體或在機(jī)體內(nèi)貯存。動(dòng)、植物死后,殘?bào)w中的碳,通過微生物的分解作用轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?，最終排入大氣。大氣中的CO2平均每7 年通過光合作用與陸地生物圈交換1 次。

燃料、化石碳釋放指 一部分（約千分之一）動(dòng)、植物殘?bào)w在被分解之前即被沉積物所掩埋而成為有機(jī)沉積物。這些沉積物經(jīng)過悠長的年代，在熱能和壓力作用下轉(zhuǎn)變成礦物燃料－煤、石油和天然氣等。當(dāng)它們在風(fēng)化過程中或作為燃料燃燒時(shí)，其中的碳氧化成為二氧化碳排入大氣。人類消耗大量礦物燃料對(duì)碳循環(huán)發(fā)生重大影響，包括石油、天然汽燃燒、汽車排放等。由于人類活動(dòng)，全世界每年燃燒煤炭、石油和天然氣等化石燃料及水泥生產(chǎn)等釋放到大氣中的碳約5.3 Pg (Tans, et al., 1990)。

碳質(zhì)巖石的分解。在化學(xué)和物理作用（風(fēng)化）下，石灰?guī)r、白云石和碳質(zhì)頁巖被破壞，所含的碳又以二氧化碳的形式釋放入大氣中。也可使一部分有機(jī)碳和碳酸鹽中的碳再次加入碳的循環(huán)。碳質(zhì)巖石的破壞，在短時(shí)期內(nèi)對(duì)循環(huán)的影響雖不大，但對(duì)幾百萬年中碳量的平衡卻是重要的。森林火災(zāi)等災(zāi)難性事件釋放部分CO2。

大氣、河流和海洋之間的二氧化碳交換：二氧化碳可由大氣進(jìn)入海水，也可由海水進(jìn)入大氣。這種交換發(fā)生在氣和水的界面處，由于風(fēng)和波浪的作用而加強(qiáng)。這兩個(gè)方向流動(dòng)的二氧化碳量大致相等，大氣中二氧化碳量增多或減少，海洋吸收的二氧化碳量也隨之增多或減少。大氣與海洋間CO2的交換主要發(fā)生在海水表層，河流和海平面間碳的交換量約為1020 Pg。

全球碳庫的分布

在全球碳循環(huán)過程中，地球表面形成了大氣碳庫、陸地碳庫、海洋碳庫和巖石碳庫。全球大氣碳庫儲(chǔ)量為750Pg。全球陸地碳中：植被碳庫為610Pg, 土壤（包括腐殖質(zhì)）為1580 Pg；全球陸地土壤碳庫量是陸地植被碳庫的2～3倍,是全球大氣碳庫的2倍多，因此土壤碳庫在全球碳平衡中具有重要作用。海洋碳庫約為4萬Pg。海洋是地球上最大的碳庫，海洋儲(chǔ)存碳是大氣的60倍，是陸地生物土壤層的20倍。海洋中生物群的碳儲(chǔ)量3Pg，沉淀物 150Pg，溶解有機(jī)碳約700Pg，溶解無機(jī)碳約38100Pg。

森林在碳循環(huán)中的作用

全球氣候及環(huán)境變化影響到人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，哥本哈根會(huì)議全球碳排放問題成為各國可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)話題。中國政府在聯(lián)合國氣候變化峰會(huì)上承諾，到2020 年中國單位GDP 二氧化碳排放比 2005 年下降 40%到45%，這也將作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長期規(guī)劃。其中，中國將通過植樹造林和加強(qiáng)森林管理作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要措施，即森林面積比2005年增加4000萬公頃，森林蓄積量比2005年增加13億立方米。

森林在碳循環(huán)過程中起到什么作用呢？ 事實(shí)上，森林光合和呼吸作用與大氣之間的年

碳交換量高達(dá)陸地生態(tài)系統(tǒng)總量的70%(Waring 和 Schlesinger, 1985)，控制著全球陸地碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)。與其他植被類型比較，森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的碳貯存密度。森林植被具有較強(qiáng)的生存持續(xù)性以及結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性，在生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要的調(diào)節(jié)作用，與海洋一起成為大氣CO2的兩個(gè)重要調(diào)節(jié)器。全球森林總碳匯為2.4Pg C/yr,相當(dāng)于全球化石燃料排放的一半，陸地碳匯基本來自全球森林。

干旱區(qū)鹽堿土詮釋碳黑洞

在過去的認(rèn)識(shí)中，無論晝夜，由于土壤生物的呼吸作用，任何生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸均為正值，這一過程是CO2釋放的過程。我國學(xué)者在進(jìn)行新疆鹽堿土荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)夜間的土壤呼吸瀕繁出現(xiàn)負(fù)值，經(jīng)與箱式法測定結(jié)果比較，確認(rèn)在夜間出現(xiàn)CO2負(fù)通量。為證實(shí)這一表觀吸收為真實(shí)的負(fù)通量，又采用純石英沙、鹽堿土溶液、高溫滅菌后的鹽堿土進(jìn)行了呼吸的測定，發(fā)現(xiàn)石英沙沒有出現(xiàn)CO2負(fù)通量，但鹽堿土溶液、高溫滅菌后的鹽堿土均出現(xiàn)了CO2負(fù)通量，從而進(jìn)一步證實(shí)了鹽堿土可以吸收空氣中的CO2。美國的科學(xué)家在Mojave沙漠也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，也證實(shí)了荒漠生態(tài)系統(tǒng)鹽堿土可以吸收CO2。鑒于干旱區(qū)鹽堿土在全世界分布廣泛，因而，成為陸地生態(tài)系統(tǒng)的另一個(gè)重要碳庫，并被認(rèn)為部分解釋了碳黑洞現(xiàn)象，從而引起了世界科學(xué)界的廣泛關(guān)注。國際知名專家在美國《科學(xué)》雜志撰文，就鹽堿土吸收CO2的去向問題提出質(zhì)疑，我國學(xué)者又研究了塔克拉瑪干沙漠由沙漠邊緣至中心的地下水中碳的年齡，發(fā)現(xiàn)由邊緣至中心碳的年齡逐漸增加，結(jié)合其它研究證據(jù)，他們推論：由于新疆荒漠區(qū)特殊的山盆體系，荒漠綠洲地下水位高于沙漠，且在該區(qū)荒漠海拔一般高于沙漠，夜間鹽堿土吸收CO2后，由于綠洲與沙漠交界處地下水的瀕繁活動(dòng)，鹽堿土吸收的CO2被鹽堿水帶至沙漠，并被深埋于沙漠之下，因而，形成了巨大的沙漠區(qū)地下咸水碳庫。目前科學(xué)家正通過對(duì)全球類似干旱區(qū)鹽堿土的準(zhǔn)確分析，進(jìn)而確定全球水平鹽堿土CO2負(fù)通量的規(guī)模，最終明確干旱區(qū)鹽堿土CO2吸收對(duì)解釋碳黑洞現(xiàn)象的貢獻(xiàn)。