「本文来源：科普中国」
全球碳循环:从基本的科学问题到国家的绿色担当
姜联合
大气CO2浓度不断增高导致全球气温明显上升，作为影响大气CO2浓度的重要过程，碳循环成为全球气候变化研究的焦点，碳平衡是其中的核心问题，它由碳固定与碳释放两个过程组成，
大气中二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（NO）等浓度的增加，就像在地球周围大气中罩了一层玻璃，使得太阳辐射到地表的热量难以向空中散发，导致近地表的温度增高，造成温室效应。其中，最重要的因素是CO2浓度的增高，CO2有吸热和隔热的特点，因此也被称为温室气体。最近的年来，大气CO2浓度已从×10－8上升到×10－8，导致全球平均气温上升了约0.7℃，灾害性天气频发，且强度加大。大量科学论证表明，如果大气温度上升超过2℃，地球上的生命将岌岌可危。
年12月22日，美国国家航空航天局（NASA）公布了首张全球CO2分布图，其中中低纬度部分地区的大气CO2浓度突破了×10－8。年5月夏威夷莫纳罗亚天文台观测到大气层CO2浓度达到了.26×10－8，这是人类有史以来首见。
全世界的科学家已达成共识：CO2排放增加会导致全球气候变暖、极端天气增多，从而使南北极积雪融化、海平面上升、极端旱涝灾害频发、沿海三角洲被淹没等。根据个野外站点的观察，科学家们估计，从年到年，全球变暖导致的北部多年冻土层融化释放的碳，比植被吸收的量平均每年多出6×千克。
到目前为止，人类使用煤炭、石油、天然气等化石燃料所产生的以CO2为主的温室气体排放，被认为是导致近年来大气CO2浓度急剧上升和全球变暖的主要推手。
一、大气CO2的监测
对大气中CO2的监测一般通过气象站、气象球、探测飞机和探测卫星完成。年，日本发射了世界首颗温室气体观测卫星（GOSAT）。年美国发射了碳卫星（OCO-2），并于年发布了首张全球CO2数据图像。
年12月22日，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭，成功将我国首颗全球CO2监测科学实验卫星（TANSAT，简称“碳卫星”或“嗅碳卫星”）发射升空。年4月，由该碳卫星获取的第一幅全球CO2分布图对外公布，该图有助于准确监测CO2的时空变化、排放与吸收情况，通过深入研究CO2变化情况与全球变暖的关系，可以帮助我们在未来对气候变化做出精确预测。
二、碳循环中的基本概念
碳循环是指碳元素在地球的生物圈、岩石圈、水圈及大气圈中交换，并随地球运动循环往复的现象，其全球循环过程就是大气中CO2被陆地和海洋中的植物吸收，又通过生物或地质过程以及人类活动，以CO2形式返回大气。它包括碳固定与碳释放两个阶段，前者是从大气吸收CO2的过程，称为碳汇；后者是向大气释放CO2的过程，称为碳源。其中，森林碳汇是指森林植物通过光合作用将大气中CO2吸收并固定在植被与土壤中；林业碳汇是指通过植树造林、加强森林经营管理、减少毁林、保护和恢复森林植被等活动，加强吸收和固定大气中CO2，以及按照相关规则进行与碳汇交易相结合的过程、活动或机制。
三、全球碳循环过程
碳固定包括有机碳固定、无机碳固定，以及人类通过各种技术方法对碳的固定。有机碳固定是指绿色植物从空气中获取CO2，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。无机碳固定包括海水溶解部分大气中CO2，干旱区盐碱土吸收CO2，以及碳质岩的形成（即雨水和地下水吸收大气中CO2成为碳酸，碳酸又把石灰岩变为可溶态的重碳酸盐流入海洋。而海水中的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的，接纳了新输入碳酸盐后便有等量的碳酸盐沉积下来。通过成岩过程形成石灰岩、白云石和碳质岩）。人类固定CO2的技术有：在地下深层埋藏CO2，通过高温高压反应将CO2合成为其他碳化合物。
碳释放包括：①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CO2释放进大气，构成生物体或贮存在生物体内的碳,在生物体死亡后通过微生物分解作用转变为CO2，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。
②燃料化石碳释放，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，经过悠长的年代，它们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CO2排入大气。人类消耗大量矿物燃料对碳循环产生了重大影响，全世界每年燃烧煤炭、石油和天然气化石燃料，以及水泥生产等释放到大气中的碳为5.3×千克。
③在化学和物理因素作用下，石灰岩、白云石和碳质页岩被分解，所含的碳又以CO2形式释放入大气中。碳质岩的破坏在短时期内对碳循环的影响虽不大，但对全球几百万年尺度时间里的碳平衡却是重要的。
④大气、河流和海洋之间的CO2交换，这种交换发生在气和水的交界面，由于风和波浪的作用而加强，且这两个方向流动的CO2量大致相等，大气与河流和海洋之间碳交换量为1.02×千克。
四、全球碳库的分布和储量
在全球碳循环过程中，碳库是指地球系统各个存储碳的部分，主要分为大气碳库、陆地碳库、海洋碳库和岩石碳库等。其中，大气碳库储量7.5×千克；陆地碳库中植被碳库有6.1×千克，土壤（包括腐殖质）碳库1.58×千克，所以土壤碳库在全球碳平衡中具有重要作用；海洋碳库4×千克，是地球上最大的碳库，包括生物群落的储量3×千克、地壳沉淀物的储量1.5×千克、溶解性有机碳的储量7×千克，以及中层及深层海洋中的储量3.81×千克。
年，科学家发现湿地虽然仅占陆地面积5%—8%，却保存了陆地生态系统约35%的碳库。其中，泥炭湿地甚至能保存1.3万年前的有机碳，包括植物和动物的残体。然而，由于气候变化和土地利用变化，全球大约有一半的湿地正受到水位下降的威胁。人为排水或干旱造成的水位下降,很可能将湿地由碳汇变成碳源。但在野外观测中，土壤有机碳库对湿地水位降低或干旱的响应并不统一，其调控因素还有待进一步研究。
五、CO2失汇
科学家在进行全球碳平衡研究和估算中发现，排放的CO2有近20%去向不明，这就是全球变化与碳循环领域的CO2失汇，即“碳黑洞”问题。失汇量约每年(1.8~3.1)×千克。
研究发现，干旱区盐碱土对CO2失汇起着重要作用。在以往的认识中，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放出CO2的量均为正值，这一过程是CO2释放的过程。我国学者在新疆进行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频繁出现负值，经与箱式法的测定结果比较，确认那里的盐碱土呼吸在夜间出现CO2负通量。为证实这一表观吸收是否为真实的负通量，又采用纯石英沙、盐碱土溶液、高温灭菌后的盐碱土分别进行呼吸的测定，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。
美国科学家在美国加利福尼亚莫哈维沙漠（MojaveDesert）也发现了类似现象，证实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，它们可能是陆地生态系统另一个重要碳库，并被认为部分地解释了碳黑洞现象，从而引起科学界广泛
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