世界环境日：碳黑洞—来自干旱区盐碱土的秘密

原创：姜联合

碳循环的科学问题

碳循环不仅是生态学研究最核心的科学问题之一，也是国际气候变化谈判最重要的科学基础之一，同时它与人们的衣食住行息息相关，低碳生活成为重要的环境命题，倡导低碳生活、保护环境是国家可持续发展的重要方向。

随着大气CO₂浓度不断增高以及全球温度的明显上升，作为影响大气CO₂浓度的重要过程，碳循环成为全球变化研究的焦点，其中全球碳平衡是其核心问题。科学家们在进行全球碳平衡研究和估算中发现，有近20%的CO₂排放去向不明，这就是全球变化与碳循环领域熟知的CO₂失汇，即“碳黑洞”问题。失汇量约每年1.8～3.1PgC (Tans, et al., 1990; Siegenthalerand Sramiento,1993; IPCC, 1994) (1Pg=1×10¹⁵g)。科学家针对此问题相继研究了海洋、森林、草地、农田、湿地的碳过程，使得碳循环之谜得以逐步解开。

本篇从全球碳循环过程和机理、全球碳库分布、森林在碳循环中的作用、干旱区盐碱土碳吸收－碳黑洞释义等方面深入理解碳循环科学、关注碳与环境、关注国家可持续发展。

全球碳循环过程和机理

全球碳循环的过程就是大气中的二氧化碳（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。

全球碳循环过程包括了碳固定与碳释放两个阶段。碳固定包括有机碳固定、无机碳固定、人类通过各种技术方法对碳的固定等5个碳汇过程。碳释放包括有机体碳的释放、燃料化石碳释放、大气和海洋间二氧化碳的交换等8个碳源过程。

有机体碳固定指绿色植物(包括陆地及海洋中的高低等植物)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：1）海水可以溶解部分CO2。2）据最新研究，干旱区盐碱土可以收收一定量的CO2。3）碳质岩石的形成。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。海水中的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的，接纳新输入的碳酸盐，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。

人类通过技术方法固定CO2，如人类通过在地下深层埋藏CO2，通过高温高压反应将CO2合成为其它碳化合物。

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转变为二氧化碳，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。

燃料、化石碳释放指 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，包括石油、天然汽燃烧、汽车排放等。由于人类活动，全世界每年燃烧煤炭、石油和天然气等化石燃料及水泥生产等释放到大气中的碳约5.3 Pg (Tans, et al., 1990)。

碳质岩石的分解。在化学和物理作用（风化）下，石灰岩、白云石和碳质页岩被破坏，所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。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。森林火灾等灾难性事件释放部分CO2。

大气、河流和海洋之间的二氧化碳交换：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。大气与海洋间CO2的交换主要发生在海水表层，河流和海平面间碳的交换量约为1020 Pg。

全球碳库的分布

在全球碳循环过程中，地球表面形成了大气碳库、陆地碳库、海洋碳库和岩石碳库。全球大气碳库储量为750Pg。全球陆地碳中：植被碳库为610Pg, 土壤（包括腐殖质）为1580 Pg；全球陆地土壤碳库量是陆地植被碳库的2～3倍,是全球大气碳库的2倍多，因此土壤碳库在全球碳平衡中具有重要作用。海洋碳库约为4万Pg。海洋是地球上最大的碳库，海洋储存碳是大气的60倍，是陆地生物土壤层的20倍。海洋中生物群的碳储量3Pg，沉淀物 150Pg，溶解有机碳约700Pg，溶解无机碳约38100Pg。

森林在碳循环中的作用

全球气候及环境变化影响到人类社会的可持续发展，哥本哈根会议全球碳排放问题成为各国可持续发展的热点话题。中国政府在联合国气候变化峰会上承诺，到2020 年中国单位GDP 二氧化碳排放比 2005 年下降 40%到45%，这也将作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。其中，中国将通过植树造林和加强森林管理作为实现这一目标的重要措施，即森林面积比2005年增加4000万公顷，森林蓄积量比2005年增加13亿立方米。

森林在碳循环过程中起到什么作用呢？ 事实上，森林光合和呼吸作用与大气之间的年

碳交换量高达陆地生态系统总量的70%(Waring 和 Schlesinger, 1985)，控制着全球陆地碳循环的动态。与其他植被类型比较，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以及结构和功能的稳定性，在生物地球化学循环中起着重要的调节作用，与海洋一起成为大气CO2的两个重要调节器。全球森林总碳汇为2.4Pg C/yr,相当于全球化石燃料排放的一半，陆地碳汇基本来自全球森林。

干旱区盐碱土诠释碳黑洞

在过去的认识中，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均为正值，这一过程是CO2释放的过程。我国学者在进行新疆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濒繁出现负值，经与箱式法测定结果比较，确认在夜间出现CO2负通量。为证实这一表观吸收为真实的负通量，又采用纯石英沙、盐碱土溶液、高温灭菌后的盐碱土进行了呼吸的测定，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了CO2负通量，从而进一步证实了盐碱土可以吸收空气中的CO2。美国的科学家在Mojave沙漠也发现了类似的现象，也证实了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，因而，成为陆地生态系统的另一个重要碳库，并被认为部分解释了碳黑洞现象，从而引起了世界科学界的广泛关注。国际知名专家在美国《科学》杂志撰文，就盐碱土吸收CO2的去向问题提出质疑，我国学者又研究了塔克拉玛干沙漠由沙漠边缘至中心的地下水中碳的年龄，发现由边缘至中心碳的年龄逐渐增加，结合其它研究证据，他们推论：由于新疆荒漠区特殊的山盆体系，荒漠绿洲地下水位高于沙漠，且在该区荒漠海拔一般高于沙漠，夜间盐碱土吸收CO2后，由于绿洲与沙漠交界处地下水的濒繁活动，盐碱土吸收的CO2被盐碱水带至沙漠，并被深埋于沙漠之下，因而，形成了巨大的沙漠区地下咸水碳库。目前科学家正通过对全球类似干旱区盐碱土的准确分析，进而确定全球水平盐碱土CO2负通量的规模，最终明确干旱区盐碱土CO2吸收对解释碳黑洞现象的贡献。