2024年06月24日 星期一
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双碳创新

Dual carbon innovation

双碳创新
碳循环

碳循环简介

地球上最大的两个碳库是岩石圈和化石燃料,含碳量约占地球上碳总量的99.9%。这两个库中的碳活动缓慢,实际上起着贮存库的作用。地球上还有三个碳库: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,实际上起着交换库的作用。


碳在岩石圈中主要以碳酸盐的形式存在,总量为2.7×1016 t;在大气圈中以二氧化碳一氧化碳的形式存在,总量有2×1012 t;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。这些物质的存在形式受到各种因素的调节。


在大气中,二氧化碳是含碳的主要气体,也是碳参与物质循环的主要形式。在生物库中,森林是碳的主要吸收者,它固定的碳相当于其他植被类型的2倍。森林又是生物库中碳的主要贮存者,贮存量大约为4.82×1011 t,相当于大气含碳量的2/3。


碳的生物地球化学循环图碳的生物地球化学循环图


植物、可光合作用的微生物通过光合作用从大气中吸收碳的速率,与通过生物的呼吸作用将碳释放到大气中的速率大体相等,因此,大气中二氧化碳的含量在受到人类活动干扰以前是相当稳定的。考虑到大自然火灾,植物等造成的碳固化要多于动物等造成的碳气化。石油煤炭是碳固化过剩的一种副产品。 [2] 

基本过程

编辑 播报

自然界碳循环的基本过程如下: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。

生物和大气之间的循环

碳的生物循环示意图碳的生物循环示意图


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化碳而最终排入大气。大气中的二氧化碳这样循环一次约需20年。


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。

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及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部分。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。


大气和海洋之间的交换

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。


含碳盐的形成和分解

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,海水中接纳的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的。新输入多少碳酸盐,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。在化学和物理作用(风化)下,这些岩石被破坏,所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。火山爆发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。

人类活动

人类燃烧矿物燃料以获得能量时,产生大量的二氧化碳。从1949年到1969年,由于燃烧矿物燃料以及其他工业活动,二氧化碳的生成量估计每年增加4.8%。其结果是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,可能导致气候异常。矿物燃料燃烧生成并排入大气的二氧化碳有一小部分可被海水溶解,但海水中溶解态二氧化碳的增加又会引起海水中酸碱平衡和碳酸盐溶解平衡的变化。


矿物燃料的不完全燃烧会产生少量的一氧化碳。自然过程也会产生一氧化碳。一氧化碳在大气中存留时间很短,主要是被土壤中的微生物所吸收,也可通过一系列化学或光化学反应转化为二氧化碳。


相关知识

森林生态系统的作用

森林生态系统在碳循环中的作用从人类认识到温室气体尤其是二氧化碳浓度的升高会使全球气温变暖,从而带来一系列严重生态环境问题时,就展开了对碳素循环的研究。而森林生态系统作为吸收二氧化碳释放氧气的一个大碳汇,在碳循环中起着非常重要的作用。全球森林面积为41.61亿公顷,其中热带、温带、寒带分别占32.9%、24.9%和42.1%。全球陆地生态系统地上部的碳为562Gt,森林生态系统地上部的含碳量为483Gt,占了86%。全球陆地生态系统地下部含碳量为1 272Gt,而森林地下部含碳约927Gt,占整个世界土壤含碳量的73%。


森林生态系统在碳循环中的作用主要取决于以下几个方面:

1、生物量

森林生态系统的生物量贮存着大量的碳素,如按植物生物量的含碳量为45%~50%计,那么整个森林生态系统的生物量将近一半是碳素含量。森林的生物量与其成长阶段的关系最为密切,一般森林据其年龄可分为幼龄林中龄林、近熟林、成熟林/过熟林,其中碳的累积速度在中龄林生态系统中最大,而成熟林/过熟林由于其生物量基本停止增长,其碳素的吸收与释放基本平衡。从森林的年龄结构来估算吸收碳素的潜力是决定森林生态系统碳汇功能的一个主要方面。我国森林的结构以幼龄林、中龄林居多,因此我国森林生态系统中植物固定大气碳的潜力很大。据王效科等估算,我国森林生态系统潜在的植物总碳贮量为8.41Pg,现有的实际碳贮存总量只是潜在的植物总碳贮量的44.3%。因此,如果我国的森林生态系统得到切实有效的保护,那么它将是中国一个重要的碳汇。

2、林产品

森林生态系统林产品的固碳量是个变化很大的因子。一般林产品根据其使用寿命可分为短期产品和长期产品。像燃料用木、纸浆用木等属于短期产品,而胶合板、建筑用木则属于长期产品。林产品使用寿命的长短在很大程度上也决定着森林生态系统的碳汇功能。使用寿命长的林产品可以延缓碳素释放,缓解全球大气碳浓度的增加,一般来说,耐用林产品的使用寿命可达100~200a,在这么长时间里,通过再造林完全可以实现碳素的良性循环。因此,应尽量加工耐用、使用寿命长的林产品。

3、植物枯枝落叶和根系碎屑

这一部分含碳量在整个森林生态系统中占的比例虽少,但也是一个不容忽略的碳库,减缓它的沉淀和分解对于森林生态系统的固碳量也起到一定的作用。

4、森林土壤

这是森林生态系统中最大的碳库。不同的森林其土壤含碳量具有很大的差别,在北部森林中森林土壤占有84%总碳量;温带森林土壤中的碳占到其总碳量的62.9%;在热带森林中,土壤中的含碳量占整个热带森林生态系统碳贮量的一半。全球森林土壤的含碳量为660~927Gt,是森林生态系统地上部的2~3倍。国内外很多学者都认识到森林土壤碳库的重要作用,纷纷对其展开研究。研究土壤碳库及其碳循环和全球变化已成为土壤学的一个新的发展方向。 [3] 

5、全球碳库

碳是生命物质中的主要元素之一,是有机质的重要组成部分。概括起来,地球上主要有四大碳库,即大气碳库,海洋碳库、陆地生态系统碳库和岩石圈碳库。碳元素在大气、陆地和海洋等各大碳库之间不断地循环变化。大气中的碳主要以二氧化碳和甲烷等气体形式存在,在水中主要为碳酸根离子。在岩石圈中是碳酸盐岩石和沉积物的主要成分,在陆地生态系统中则以各种有机物或无机物的形式存在于植被和土壤中。

(1)大气碳库

大气碳库的大小约为720 Gt C左右,在几大碳库中是最小的,但它却足联系海洋与陆地生态系统碳库的纽带和桥梁,大气中的碳含量多少直接影响整个地球系统的物质循环和能量流动。大气中含碳气体主要有二氧化碳、甲烷和一氧化碳等,通过测定这些气体在大气中的含量即推算出大气碳库的大小,因此,相对于海洋和陆地生态系统来说,大气中的碳量是最容易计算的,而且也是最准确的。由于在这些气体中二氧化碳含量最大,也最为重要,因此大气中的二氧化碳浓度往往可以看作大气中碳含量的一个重要指标。

(2)海洋碳库

海洋具有贮存和吸收太气中二氧化碳的能力,其可溶性无机碳(DIc)含量约为37400Gt,是大气中含碳量的50多倍,在全球碳循环中的作用十分重要。从千年足度上看,海洋决定着大气中的二氧化碳浓度。大气中的二氧化碳不断与海洋表层进行着交换,从而使得大气与海洋表层之间迅速达到平衡。由于人类话动导致的碳排放中约30~50%将被海洋吸收,但海洋缓冲大气中二氧化碳浓度变化的能力不是无限的,这种能力的大小取决于岩石侵蚀所能形成的阳离子数量。由于人类活动导致的碳排放的速率比阳离子的提供速率大几个数量级,因此,在千年尺度上,随着大气中二氧化碳浓度的不断上升,海洋吸收二氧化碳的能力将不可避免地会逐渐降低。

(3) 陆地生态系统碳库

据估算,陆地生态系统蓄积的碳量约为2 000Gt左右。其中土壤有机碳库蓄积的碳量约是植被碳库的2倍左右, 从全球不同植被类型的碳蓄积情况来看,陆地生态系统碳蓄积主要发生在森林地区,森林生态系统在地圈、生物圈的生物地球化学过程中起着重要的“缓冲器”和“阀”的功能,约80%的地下碳蓄积和约40%的地下碳蓄积发生在森林生态系统,余下的部分主要贮存在耕地、湿地、冻原、高山草原及沙漠半沙漠中;从不同气候带来看,碳蓄积主要发生在热带地区,全球50%以上的植被碳和近1/4的土壤有机碳贮存在于热带森林和热带草原生态系统,另外约15%的植被碳和近18%的土壤有机碳贮存在温带森林和草地,剩余部分的陆地碳蓄积则主要发生在北部森林、冻原、湿地、耕地及沙漠和半沙漠地区。

另外,植被碳库和士壤有机碳库中还包含不同的子碳库,其周转时间或长或短,这就形成了所渭的“暂时性碳汇”(Temporarysink)。例如,二氧化碳浓度升高使树木生长加快从而形成碳汇,这些树木一般要存活几十年到上百年,然后腐烂分解,通过异养呼吸返回到大气中。因此,自然生态系统的碳蓄积和碳释放在较长时间尺度上是基本平衡的,除非陆地生态系统碳库的强度加大,否则任何一个碳汇迟早会被碳源所平衡。

(4)岩石圈碳库

在全球几大碳庠中,岩石圈碳库是最大的。但碳在其中的周转时间极长,约在百万年以上,在岩石圈中是碳酸盐岩石和沉积物的主要成分。 [4] 

碳的地球化学循环

碳的地球化学循环控制了碳在地表或近地表的沉积物和大气、生物圈及海洋之间的迁移,而且是对大气二氧化碳和海洋二氧化碳的最主要的控制。

沉积物含有两种形式的碳:干酪根和碳酸盐。在风化过程中,干酪根与氧反应产生二氧化碳,而碳酸盐的风化作用却很复杂。含在白云石和方解石矿物中的碳酸镁和碳酸钙受到地下水的侵蚀,产生出可溶解于水的钙离子、镁离子和重碳酸根离子。它们由地下水最终带入海洋。

在海洋中,浮游生物和珊瑚之类的海生生物摄取钙离子和重碳酸根离子来构成碳酸钙的骨骼和贝壳。这些生物死了之后,碳酸钙就沉积在海底而最终被埋藏起来。

碳的生物循环

在碳的生物循环中,大气中的二氧化碳被植物吸收后,通过光合作用转变成有机物质,然后通过生物呼吸作用和细菌分解作用又从有机物质转换为二氧化碳而进入大气。碳的生物循环包括了碳在动、植物及环境之间的迁移。