碳循環(huán)的過程是什么?人類對碳循環(huán)的影響有哪些? 碳循環(huán)的那些事兒自然界中，一種元素從一處“跑”到另一處是很罕見的，然而碳元素卻能在生物的作用下，每時每刻都在大氣、海洋、陸地之間“跑”來“跑”去，并在不同形態(tài)間來回“切換”，最終形成了一個完整的循環(huán)往復(fù)、流動不已的過程，這就是通常所說的碳循環(huán)?！√荚卦诘厍蛏系拇嬖谛问?在地球上，碳元素以不同的形式存在于巖石、土壤、大氣、水體、生物體等各個部分之中，這些部分就像倉庫一樣儲存著碳元素，因此學(xué)術(shù)上通常將它們稱為“碳庫”。

巖石圈是地球上最大的碳庫，據(jù)推測，地球上90%的碳元素都存儲其中，主要以碳酸鹽和化石燃料的形式存在。自然過程中，巖石圈里碳元素活動非常之緩慢，與其他碳庫之間缺乏快速、明顯的元素流動，實(shí)際上僅起到了貯存的作用。

相比于巖石圈，大氣、土壤、海洋、生物這些碳庫則顯得活躍很多。雖然這些庫容量不大，但卻是碳循環(huán)的主體。在這些碳庫中，海洋碳庫的容量最大，大約含有39萬億噸碳，主要以無機(jī)鹽的形式存儲于中層和深層海水中;陸地植被和土壤中儲存的碳約2.3萬億噸，主要以各種形式的有機(jī)物存在;大氣中的碳含量最小，大約在7600億噸左右，主要以二氧化碳的形式存在。

1990年的碳循環(huán)過程(單位以10億噸碳計(jì))

碳循環(huán)的過程

在自然環(huán)境下，碳循環(huán)的主要形式是從大氣碳庫開始的。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的植物通過光合作用，將大氣中的二氧化碳固定在有機(jī)物中，儲藏于植物體內(nèi)。食草動物吃了植物以后，經(jīng)消化、合成，一部分碳通過呼吸作用、以二氧化碳的形式回到大氣中，另一部分則成了動物體的組分。同樣，食肉動物捕食了食草動物后，也會發(fā)生類似的過程。動物排泄物、動植物殘?bào)w中的碳則進(jìn)入土壤碳庫中，最終通過細(xì)菌、真菌等微生物的分解作用，也轉(zhuǎn)化為二氧化碳，再回到大氣中。據(jù)測算，在工業(yè)化之前，陸地生態(tài)系統(tǒng)每年通過光合作用固定的碳元素大約在1200億噸左右，而通過呼吸作用返回到大氣中的碳元素大約在1196億噸上下，基本保持平衡的狀態(tài)。

除了這個過程，碳循環(huán)還會以溶解、沉積、釋放的過程在碳庫之間發(fā)生交換，其中最為典型的交換發(fā)生在大氣和海洋之間。由于地球的表面70%是海洋，這么大的面積，當(dāng)然會溶解不少二氧化碳。在化學(xué)平衡的作用下，這些碳以二氧化碳分子、碳酸氫根離子和碳酸根離子的形式共存于海洋的表層。在一定條件下，這些碳也可以再次以二氧化碳的形式返回大氣。據(jù)估算，在工業(yè)化之前，每年海洋從大氣中吸收700億噸碳，同時釋放706億噸碳。

人類對碳循環(huán)的影響

在農(nóng)耕文明時期，人類主要是通過毀林、開荒等行為影響碳循環(huán)過程，作用并不是很大。但進(jìn)入工業(yè)時代之后，人類大量使用化石能源，極大地改變了碳循環(huán)過程?；剂现械奶际菐變|年前地球存儲下來的，原本比較穩(wěn)定，很難和其他碳庫發(fā)生關(guān)系。但是人類把它們都從地底下挖出來燒掉，一下子加快了它們和其他碳庫間的交換?；剂现械奶甲钪饕呐欧判问?，就是以二氧化碳的形式進(jìn)入大氣。據(jù)估算，在20世紀(jì)90年代，人類平均每年要向大氣排放64億噸碳。

相比大自然的碳循環(huán)總量，人類活動的排放量并不大，但是長期持續(xù)下來依然會造成極為可觀的影響。據(jù)測算，工業(yè)化之前，大氣碳庫中的碳僅有5970億噸，也就是說，目前大氣碳庫中大約20%的碳是人類活動排放的。可以說，人類活動已經(jīng)深刻地改變了地球的碳循環(huán)過程。

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研究人員在青藏高原凍土碳庫評估方面取得新進(jìn)展

凍土是指零攝氏度以下并含有冰的各種巖土和土壤，主要分布在北半球的寒冷地區(qū)。過去幾十年，持續(xù)的氣候變暖使全球凍土分布區(qū)出現(xiàn)了以凍土活動層厚度增加、熱融喀斯特加劇等為標(biāo)志的融化現(xiàn)象。顯著的凍土融化很可能會導(dǎo)致凍土中長期封存的大量有機(jī)碳被分解釋放，形成對氣候變暖的強(qiáng)烈正反饋。為了深入認(rèn)識這種反饋關(guān)系，必須先研究清楚凍土碳庫的大小及其分布特征。然而，由于缺乏足夠的地面觀測資料以及有效的尺度轉(zhuǎn)換方法，目前學(xué)術(shù)界對于凍土碳庫的估算仍存在很大的不確定性。

中國科學(xué)院植物研究所楊元合研究組以青藏高原多年凍土區(qū)為研究對象，通過2013年至2014年連續(xù)2年的大范圍取樣，獲得了342個3米深度和177個50厘米深度的土壤剖面樣品。在此基礎(chǔ)上，研究人員發(fā)展了基于地面觀測、衛(wèi)星遙感、氣候要素和土壤信息等多源數(shù)據(jù)與支持向量機(jī)相結(jié)合的碳庫估算方法體系，系統(tǒng)評估了青藏高原3米深度凍土碳庫的大小及其分布特征。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，青藏高原3米深度凍土碳庫的大小為153.1億噸，其中44%儲存在1-3米的深層土壤中;凍土碳庫呈現(xiàn)出從研究區(qū)東南向西北遞減的趨勢。

該研究結(jié)果表明青藏高原多年凍土區(qū)是一個重要的碳庫。這意味著持續(xù)的氣候變暖可能導(dǎo)致這部分碳被微生物分解釋放，進(jìn)而對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。值得一提的是，該研究構(gòu)建的深層土壤碳數(shù)據(jù)庫為校驗(yàn)地球系統(tǒng)模型提供了基準(zhǔn)，研究中發(fā)展的大尺度碳庫估算方法體系為降低區(qū)域碳庫估算中的不確定性提供了新的思路。

該研究結(jié)果近期在線發(fā)表在Global Change Biology期刊上。楊元合研究組博士生丁金枝是該論文的第一作者。研究得到了科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院-北京大學(xué)“率先合作團(tuán)隊(duì)”和中組部“青年千人計(jì)劃”項(xiàng)目的資助。