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世界環境日：碳黑洞—來自干旱區鹽堿土的秘密

原創：姜聯合

碳循環的科學問題

碳循環不僅是生態學研究最核心的科學問題之一，也是國際氣候變化談判最重要的科學基礎之一，同時它與人們的衣食住行息息相關，低碳生活成為重要的環境命題，倡導低碳生活、保護環境是國家可持續發展的重要方向。

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，碳循環成為全球變化研究的焦點，其中全球碳平衡是其核心問題。科學家們在進行全球碳平衡研究和估算中發現，有近20%的CO₂排放去向不明，這就是全球變化與碳循環領域熟知的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)。科學家針對此問題相繼研究了海洋、森林、草地、農田、濕地的碳過程，使得碳循環之謎得以逐步解開。

本篇從全球碳循環過程和機理、全球碳庫分布、森林在碳循環中的作用、干旱區鹽堿土碳吸收－碳黑洞釋義等方面深入理解碳循環科學、關注碳與環境、關注國家可持續發展。

全球碳循環過程和機理

全球碳循環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過程以及人類活動，又以二氧化碳的形式返回大氣中。

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

有機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，經過光合作用轉化為葡萄糖，再合成為植物體的碳化合物，經過食物鏈的傳遞，成為動物體的碳化合物。

無機碳固定 包括：1）海水可以溶解部分CO2。2）據最新研究，干旱區鹽堿土可以收收一定量的CO2。3）碳質巖石的形成。大氣中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成為碳酸，碳酸能把石灰巖變為可溶態的重碳酸鹽，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，又形成為石灰巖、白云石和碳質頁巖。

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

有機體碳釋放，即植物和動物(包括微生物)的呼吸作用把通過光合作用積累在體內的一部分碳轉化為二氧化碳釋放入大氣，另一部分則構成生物的機體或在機體內貯存。動、植物死后,殘體中的碳,通過微生物的分解作用轉變為二氧化碳，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、植物殘體在被分解之前即被沉積物所掩埋而成為有機沉積物。這些沉積物經過悠長的年代，在熱能和壓力作用下轉變成礦物燃料－煤、石油和天然氣等。當它們在風化過程中或作為燃料燃燒時，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碳循環發生重大影響，包括石油、天然汽燃燒、汽車排放等。由于人類活動，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等釋放到大氣中的碳約5.3 Pg (Tans, et al., 1990)。

碳質巖石的分解。在化學和物理作用（風化）下，石灰巖、白云石和碳質頁巖被破壞，所含的碳又以二氧化碳的形式釋放入大氣中。也可使一部分有機碳和碳酸鹽中的碳再次加入碳的循環。碳質巖石的破壞，在短時期內對循環的影響雖不大，但對幾百萬年中碳量的平衡卻是重要的。森林火災等災難性事件釋放部分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入海水，也可由海水進入大氣。這種交換發生在氣和水的界面處，由于風和波浪的作用而加強。這兩個方向流動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。全球大氣碳庫儲量為750Pg。全球陸地碳中：植被碳庫為610Pg, 土壤（包括腐殖質）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量3Pg，沉淀物 150Pg，溶解有機碳約700Pg，溶解無機碳約38100Pg。

森林在碳循環中的作用

全球氣候及環境變化影響到人類社會的可持續發展，哥本哈根會議全球碳排放問題成為各國可持續發展的熱點話題。中國政府在聯合國氣候變化峰會上承諾，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納入國民經濟和社會發展中長期規劃。其中，中國將通過植樹造林和加強森林管理作為實現這一目標的重要措施，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。

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

碳交換量高達陸地生態系統總量的70%(Waring 和 Schlesinger, 1985)，控制著全球陸地碳循環的動態。與其他植被類型比較，森林生態系統具有較高的碳貯存密度。森林植被具有較強的生存持續性以及結構和功能的穩定性，在生物地球化學循環中起著重要的調節作用，與海洋一起成為大氣CO2的兩個重要調節器。全球森林總碳匯為2.4Pg C/yr,相當于全球化石燃料排放的一半，陸地碳匯基本來自全球森林。

干旱區鹽堿土詮釋碳黑洞

在過去的認識中，無論晝夜，由于土壤生物的呼吸作用，任何生態系統的土壤呼吸均為正值，這一過程是CO2釋放的過程。我國學者在進行新疆鹽堿土荒漠生態系統土壤呼吸研究時，發現夜間的土壤呼吸瀕繁出現負值，經與箱式法測定結果比較，確認在夜間出現CO2負通量。為證實這一表觀吸收為真實的負通量，又采用純石英沙、鹽堿土溶液、高溫滅菌后的鹽堿土進行了呼吸的測定，發現石英沙沒有出現CO2負通量，但鹽堿土溶液、高溫滅菌后的鹽堿土均出現了CO2負通量，從而進一步證實了鹽堿土可以吸收空氣中的CO2。美國的科學家在Mojave沙漠也發現了類似的現象，也證實了荒漠生態系統鹽堿土可以吸收CO2。鑒于干旱區鹽堿土在全世界分布廣泛，因而，成為陸地生態系統的另一個重要碳庫，并被認為部分解釋了碳黑洞現象，從而引起了世界科學界的廣泛關注。國際知名專家在美國《科學》雜志撰文，就鹽堿土吸收CO2的去向問題提出質疑，我國學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，發現由邊緣至中心碳的年齡逐漸增加，結合其它研究證據，他們推論：由于新疆荒漠區特殊的山盆體系，荒漠綠洲地下水位高于沙漠，且在該區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，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地下咸水碳庫。目前科學家正通過對全球類似干旱區鹽堿土的準確分析，進而確定全球水平鹽堿土CO2負通量的規模，最終明確干旱區鹽堿土CO2吸收對解釋碳黑洞現象的貢獻。