以海洋为例介绍碳的循环过程

1、以海洋为例介绍碳的循环过程摘要：本文主要介绍了碳循环及碳循环的过程，以海洋为例概述了海洋碳循 环在全球气候变化过程中的重要作用，海洋CO2的分布特征，并进一步介绍了南 北极海区碳循环的一些概况。关键字：碳循环、碳循环的过程、海洋碳循环、南北极海区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CO2浓度还会不断增加。在过去的42万年中，大 气CO浓度从未超过目前的大气CO浓度，在20世纪中大气CO浓度的增加是前2 2 2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

2、注意，该报告指出，工业革命以来 的全球气温已增加了约0.6C，这主要是由于大气中人为温室气体（如CO2、CH4、 N*、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。为了准确评价和预报未来的气候变化， 正确认识碳循环显得十分重要。一、碳循环地球上有五个碳库，最大的两个碳库是岩石圈和化石燃料，但是这两个库中 的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作用。还有三个碳库：大气圈库、水圈库和 生物库。这三个库中的碳在生物和无机环境之间迅速交换,容量小而活跃，起着 交换库的作用。碳在岩石圈中主要以碳酸盐的形式存在，在大气圈中以二氧化碳 和一

3、氧化碳的形式存在，在水圈中以多种形式存在，在生物库中则存在着几百种 被生物合成的有机物。根据生态学原理，一个系统中的自然过程总是有利于系统 的结构稳定和功能最大化，而非自然过程总是降低或破坏生态系统的稳定性，增 加系统的不确定性。显然，大量开采化石燃料以及开采森林等活动都是非自然过 程。这些活动导致了大气二氧化碳浓度的不断上升。鉴于大气二氧化碳上升可能 引起的严重生态后果，科学家对于全球碳循环进行了广泛的研究。具体内容包括 地球各部分（大气、海洋和森林等）碳储量估算，海洋生态系统与其它部分碳的交 换量（流）的估算，以及人类干扰对各个库和流的影响。海洋在全球碳循环中起着 极其重要的作用，海洋是地

4、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（IPCC, 2007）；大约50%人为排放的碳被海洋和陆地吸收 （Prentice etal., 2001）。二、碳循环的过程大气中的二氧化碳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。绿色植物从空气中获得二氧化碳， 经过光合作用转化为葡萄糖，再综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。植物和动物的呼吸作用把摄入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也成为二氧

5、化碳而最终排入大气。一部分动、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，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。人类燃烧矿物 燃料以获得能量时，产生大量的二氧化碳。由于燃烧矿物燃料以及其他工业活动， 二氧化碳的生成量每年递增，使得大气中二氧化碳浓度升高，这样就破坏了自然 界原有的平衡。植物通过光合作用从大气中吸收碳的速率，与通过动植物的呼吸和微生物的 分解作用将碳释放到大气中的速率大体相等，根据生态学原理，一个系统中的自 然过程总是有利于系统的结构稳定和功能最大化，而非自然过程总是降低或破

6、坏 生态系统的稳定性,增加系统的不确定性。显然，大量开采化石燃料以及开采森林 等活动都是非自然过程，这些活动导致了大气二氧化碳浓度的不断上升。三、海洋碳循环简介3.1海洋碳循环海洋碳循环是碳在海洋中吸收、输送及释放的过程，主要包括CO2的海-气通 量交换过程、环流过程、生物过程和化学过程。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）。3.2海洋碳循环在全球气候变化过程中的重要作用海洋是一个非常巨大的碳库，海洋中生物群的碳贮量约3Gt，溶解有机碳约 1000Gt，溶解无机碳为37

7、400Gt，海洋生态系统在全球碳循环中起着决定性作用。 近十多年来，海洋碳循环研究得到了深入和发展。海洋在全球碳循环中起着极其 重要的作用，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；大约50%人为排放的碳被海洋和陆地吸收。海洋与大气交换CO2 的时间尺度在几百年以上。从上个世纪90年代至今，实施了大量的海洋观测计 划。基于观测数据，海洋学家对海洋碳循环做了大量的研究。海洋碳循环可以分为三个方面。第一方面是“碳酸盐泵”，就是大气中的CO2 气体被海洋吸收，并在海洋中以碳酸盐的形式存在；第二方面是“物理泵”，即 混合层发展过程和陆架上升流输入，它与海洋环流密切相

8、关；第三方面是“生物 泵”，即生物净固碳输出，它是浮游植物光合固碳速率减去浮游植物、浮游动物 和细菌的呼吸作用速率，也就是通过生物的新陈代谢来实现碳的转移，在海洋中 主要是通过海洋浮游植物的光合作用来实现的。3.3海洋CO2的分布特征2占地球表面积71%的海洋是一个巨大的碳库，CO2在海洋中的分布变化很大，其分布受多种因素的影响，包括物理、化学和生物等因素。从海洋对大气CO增 2加的调节作用着眼，人们最关心的是海洋CO2的垂直转移过程。在表面混合层中, 由于生物的光合作用，CO2不断被转化成有机碳和生物碳酸盐。在混合层以下， 这些碳部分以碎屑的形式沿水柱下沉，在海洋较深处发生分解和溶解，导致氧

9、的 消耗，释放出营养盐以及再生CO2。赤道海域是全球海洋最大的CO2源区，仅赤道太平洋每年向大气输送1.0 Gt C/a的叫，占海洋释放的CO2总量的60%。占地球海洋面积20%的南大洋是叫 最重要的汇区，吸收的CO2约为1.2 Gt C/a，占海洋吸收CO2净通量的35%。四、南北极海区碳循环南北极是全球变化研究领域中十分重要的地区，也是世界大洋对全球变化反 馈的一个重要窗口。4.1南大洋所有的大洋碳循环模式结果均显示，南大洋控制了目前人为源CO2的主要海 气通量。有1/3至1/2的全球大洋吸收都发生在30 S以南。大洋气候模式表明， 人为源CO有很高的通量进入南大洋，但是却很少存留在那里，

10、这与基于测量数 2据的大洋人为源CO的存储量的估计相一致。南大洋是一个典型的高营养盐、低 2叶绿素海区，目前提出的低生产力的原因主要有：光限制、上层水体的低垂直稳 定性使浮游植物被混合到真光层以下地区，捕食压力，以及微量营养盐限制。42北冰洋与南极地区海洋包围陆地的情况相反，北极是被大陆包围的一片海洋。尽管 北冰洋海冰覆盖范围是南大洋的两倍，但其海冰每年季节性地清除以后，从大气 中固定的碳却与南大洋相当。由于面积相对较小(1.4X107km2),且常年被大面积 的海冰、冰川所覆盖，目前北极CO2的汇还很小，然而，如果持续的温室效应使 大面积的北极海冰融化的话，北极的高生产力将使每年至少有1.4

11、Gt有机碳沉 降，这就使碳汇提高一个数量级，这也是极区海洋碳循环对全球变暖正反馈的一 个例证。4.3南极海区在南大洋水域中，以南大西洋水域最为肥沃，浮游植物生物量和颗粒有机物 浓度最高，这与“岛群效应”有关，使该海区成为南极磷虾最重要的分布区。尽 管南大洋浮游植物生物量较高，初级生产力并不高，浮游植物现存生物量和初级 生产力的细胞大小分级测定表明，微微型和微型浮游生物在浮游植物自然群落生 物量和生产力中占有重要比重。4.4北极海区由于冬季航次调查上的困难，目前对南北极海区的调查，特别是国内的研究 仍然缺乏冬季的数据。这样，对整个南北极海区对全球变化的影响方面尚不能作 出一个更加准确的估计。在两

12、极地区源汇的分布状况也因此成为全球碳循环最不 确切的因素之一。在北冰洋，生产力比南大洋高许多，许多海区CO2海气分压差 比南大洋的要高。但是，由于南大洋面积广大及盛行西风和极地东风，长年的高 风速，使得南大洋仍然是全球最重要的大洋CO2的汇。同样，在北极，由于其高 生产力、高CO2吸收能力，也将成为未来全球变化反馈中能形成的一个潜在的巨 大碳汇。参考文献：Houghton J T Meira F L G Callander B A al. Climate Change 1995： The IPCC Scientific Assessment. New York： Cambridge Unive

13、rsity, 1996+Free man C, Evans C D, Monteith D T。et al. Export of organic carbon from peat soils. Nature, 2001， 412： 785一787.SIEGENTHALER U,SARMIENTOJ I.Atmospheric carbon dioxide and the ocean J . Nature, 1993, 365 :119 - 125.BROSTROM G. The role of the annual cycles for the air-sea exchange of CO2

14、J .Marine Chemistry , 2000 ,72 :151 - 169.THOMAS H. Response to Comment on“Enhanced Open Ocean Storage of CO2 from Shelf Sea PuringJ . Science ,2004 ,306 :1477.THOMAS C,CAUWET G,MINSTERJ F.Dissolved organic carbon in the equatorial Atlantic OceanJ .Marine Chemistry ,1995 ,48 :155 - 169.ORGINCN,FAGANELI J ,PEZDICJ .Determiation of organic carbon remineralization in marline sediments(Gulf of Trieste ,Northern Adriatic) using stable carbon isotopesJ .Organic Geochemistry ,2003 ,34 :681 - 692.8 浦一芬，王明星.海洋碳循环模式(I) 一一一个包括海洋