人类精彩活动对碳循环地影响

1、word课程论文人类活动对碳循环的影响word人类活动对碳循环的影响摘要：随着近些年温室效应的加强与人类活动对碳循环的影响，全球碳循环体 系中，已经发生了初步的变化，在地球系统中，海洋、大气和陆地以与其中的生 命与非生命局部都存在着相互联系。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。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。本文主要探讨碳循环的概念与其变化的原因， 并对减缓碳循环变化提 出展望与建议。关键词：碳储

2、库；碳循环；人类活动引言：碳元素不是地球上丰度最高的元素，但它独特的原子结构使其成为存在形式 最为复杂的元素，也是地球上化合物种类最多的元素。碳元素有4个共价键，这些键很容易跟其他元素成长而稳定的复杂分子，以吸收、储存、交换周围环境的 物质和能量。自然界的碳稳定同位素有 C和C两种，丰度分别为98. 89和 1. 11 ,我们熟知的MO碳的放射性同位素，半衰期是5 730 a。碳元素的自然 赋存状态有单质和化合物，其中包括数以百万计的有机化合物。自然界中碳同位 素的分储主要有动力学分储效应和碳同位素交换反响。从根本上影响碳同位素分储的是生物因素。但生物过程复杂多变，难以像物理过程那样遵循一些根

3、本原如 此而得出准确严谨的解释。这也正是为什么碳循环的研究要比水循环更加复杂的原 因。研究自然界中碳的循环规律是揭示地球环境因子变化的重要手段。一方面， 碳在自然界的物质循环过程影响着地球气候与环境的变化，CO2在大气中含量的变化是地球气候发生改变的关键；另一方面，碳是生命物质的最根本元素之一， 生命活动是碳元素在自然界进展循环的最重要影响因素。由于生命有机物质中碳word元素中“轻碳 （C）比“重碳（坞C）含量高，因此通过研究岩石中碳的同位素 组成比例的变化可以了解地质时期生命活动与碳循环的关系，从而揭示大气和海洋环境因子的变化过程。1碳循环概述自然界中绝大多数的碳并非储存于生物体内，而是储

4、存于大量的地壳沉积岩 中。一方面沉积岩中的碳因自然和人为的各种化学作用分解后进入大气和海洋； 另一方面生物体死亡以与其他各种含碳物质又不停地以沉积物的形式返回地壳 中，由此构成了全球碳循环的一局部。碳的生物循环虽然对地球的环境有着很大 的影响，但是从以百万年计的地质时间上来看， 缓慢变化的碳的地球化学大循环 才是地球环境最主要的控制因素。1. 1碳元素的分布从全球的角度讲，碳元素分布于地球各圈层假如干主要的储库中。碳有着 巨大的不活动的地质存储库如岩石圈等和较小的、但在生态学上活动积极 的大气圈库、海洋库和生物库。碳的化学形态常随所在库的不同而变化。在岩 石圈中以有机碳和无机碳酸盐的形态存在；

5、在大气圈中以CO2 CHLCOffi姓:类气体的形态存在；在海洋中也以有机碳、无机碳的多种形式存在；而在生物库 中如此存在着几百种被生物合成的有机物质。这些物质的存在形态受到各种因 素的调节。大气圈大气中所含碳元素最少，主要是 CO2、C悌DCO抗体。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。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word要性

6、不容小觑，它不仅是海一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：生物泵一一海水表层溶解的CO皴浮游 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， 生出海洋和大气的碳循环；碳酸盐泵一一 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）®酸盐全部消失。陆地生物囤2003IPCC®表的报告估计，全球陆地生态系统碳储量约 24 770亿t,其中 植被4 660亿t, 土壤20 110亿t。值得一提的是森林生态系统，作为陆地生态系 统中最

7、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 2品100音。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、有机碳油母质与 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，具所造成温室效应的规模将远超 过我们的想象。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：滞留时间一总量/速率，我们不难得出碳在各个储库

8、 的滞留时间。大储库的周转较之小储库速度要慢得多。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；涉与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如此长达千万年以上 L2。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维度对于人类的影响word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

9、于几年到几百年的时间尺度，全球碳循环主要是以CO酌形式在生物圈、海洋和大气圈中进展。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 与生物体的燃烧和腐烂等有机物的分解，如此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，另一半如此通过物理和化学过程穿过海洋外表。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

10、类活动就是通过改变这些源和汇 从而影响碳循环的。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人大气的大量 CO2已 通过光合作用和海洋吸收等自然过程的去除作用几乎完全平衡。工业革命以前， 大气中的CO维度平均值约为280X 10A (-6) o,变化幅度大约在10x 10 A (-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CO维度达到360X 10A (-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。这种非 平衡态导致了大气中多余CO2的累积。综合来说，人

11、类活动对全球碳循环的影响表现在 3方面：一是人为增加碳源； 二是人为减少碳汇；三是气候变暖的反响作用。虽然这种反响通过自然作用完成， 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5 / 9word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CO如不

12、与人类活动排放量的1% o况且，火山排放 的和动植物呼出的CQ 一直以来都是自然碳循环的一局部， 已达到了近乎平衡的 状态，对大气CO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，把沉积圈中的复原碳过早地释放 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%贮存在热带与温带草原，其余贮存在耕 地、湿地、冻原、高山草地与沙漠半沙漠中。不同的

13、土地利用方式改变了地表植被和土壤的分布，导致C02释放量与吸收量的变化，即改变了自然碳源和碳 汇。2. 3森林生态系统的变化人类的生存有赖于农业，开展依附于工业。为了进展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 开始遭受消灭。全球森林和海洋是大气 C02的两个最主要的汇。森林面积的减 少、树木的砍伐与枯叶腐殖层的破坏使得森林作为大气 C02E的功能变弱甚至消 失。形象地说，森林如同C02的银行，兼具吸收、贮存、释放C02的机能。轻 易动用银行的外汇储藏是十分危险的事情， 同样的，森林碳汇也应该具有一定的 长期稳定性。现在，人造林的增加局部补

14、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优的碳吸收状态。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 C02、并以不同形式贮存在吸收体中的碳会聚物，森林实际上是一个缓冲碳汇， 减缓了 C02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C02吸收的贡献是很大的。然而，过度放牧、开word垦耕地致使草场退化和土地荒漠化， 人为地破坏了

15、草地碳汇。止匕外，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、石油和大 然气等化石燃料排放到大气中的CO2总量折合成碳大约是6O乙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如此被海洋和陆地生物圈吸收，其中海洋吸收约20乙t,陆地生物圈吸收 约17亿t。这75亿t的人为排放C02ft终去向如图3所示。可以看出，约有50%C02 留在大气中。春时期，但是由波和流提供的再悬浮能量最大值却出现在冬季，这将导致沉积物的暂时性沉积，它们中的大局部将随着下一个冬季比拟活跃的动力 环境的开始而发生侵蚀和扩散。因而在

16、Po陆架上，短期和长期沉积模式的关系应 当与华盛顿陆架上的更为相似，而不是 Eel陆架。可是对于P0击架，洪水沉积和 长期沉积的模式是相似的，这主要是因为 P0击架上冬季平均波高只有23项由 于缺乏极度活跃的动力环境，因此波河可能不具备扩散在洪水期间输运来的大量 沉积物的能力，从而使得大局部沉积物保存在它的初始位置。Po系统与Eel系统（短期洪水模式-二长期堆积模式）结果的相似性是因为它们各自的洪水发生的环 境也同样控制着长期沉积物的扩散。上放射性波动起伏并不是由于粒度的改变，而是由于在洪水事件的快速沉积作用期间到达海床上的具有变化放射性的沉积物堆积的结果。在这些支流附近， 沉积速率为研究区域

17、中的最高值（14 cm/a）,并且在岩心中观察到自然沉积构 造。在这些支流之间和此扩散系统的南部，沉积作用比拟缓慢 （1 c"a）且处于 稳定状态，反映了非洪水期间的沉积作用。海床的生物混合作用在这些区域具有 较大的影响，并且在沉积物被埋藏保存之前对自然层理有所改造。长期沉积（100 a）的沉积中心与观察到的2003洪水之后沉积中心相一致，更加突出了Po陆架七洪水的重要性。波河现代沉积物总输运量中大约有一半堆积在Po击架上，剩余局部很可能在西亚得里亚海盛行环流的作用下向南输运。2. 4气候变暖的反响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

18、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word两者生物库增加的量。3结语前已提与，地球上的碳循环大体分成 3个层次一一构造尺度、轨道尺度和生 物尺度。驱动这些循环的最重要因子有地壳运动、天文轨道和生物过程包括人类 的活动。人类处于生物演化的最高阶段，能够主动地去改造自然，人类活动有潜 力改变地球系统，使其按照不可逆转的替代型模式运行。 受不同因素支配的不同 时间尺度的碳循环是演进过程中循环性的表现。 人类活动有意或无意触发了碳循 环的天然储库，重新排布了碳源和碳汇，如果这些改变越过了某个阈值， 很可能 会给地

19、球系统带来灾难性后果。总之，只要我们认识到碳循环变化的严重性， 并 作出相应的措施，相信碳循环的变化被减缓是必然的，当然，要回到正常的碳循 环，还是需要努力的。一方面，各国政府应制定能源节省方案；另一方面，注意 分析影响土地利用变化的社会经济因素， 制定科学的土地利用政策。止匕外，人口 问题仍然是根本性的问题，控制人口增长也是促进碳循环平衡的有效途径之一。参考文献1汪品先.气候演变中的冰和碳J .地学前缘，2002, 9(1) : 85 94.2汪品先.深海研究和新世纪的地球科学c / “百年科技回顾与展望.某某：某某教育，2000: 181-211.3陈 骏,王鹤年.地球化学M.:科学，20

20、04: 124 129 , 394 401 .4周广胜.全球碳循环M.:气象，2003: 2144维普资讯.cqvip .5 Anderson D W, Coleman D C. The dynamics of organic matter in grassland soils J. Journal of Soil and Water Conservation, 1985, 40: 211-216.6 McConnell SG, QuinnML. Soil productivity of four land use systems in southeastern in southeastern

21、Montana J. Soil Science Society of America Journal, 1988. 52: 500-506.14 Aguilar R., KellyEF,Heil RD. Effectsof cultivation on soils in northern Great Plains rangeland J. Soil Science Society of America Journal, 1988, 52: 1081-1085.wordAbstract : along with the strengthening of the greenhouse effect in recent years and human activities on the carbon cycle, the effects of the global carbon circulation system, has been preliminary changes in the earth system, sea, air and