碳循環的那些事兒 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，并在不同形態間來回“切換”，最終形成了一個完整的循環往復、流動不已的過程，這就是通常所說的碳循環。

碳元素在地球上的存在形式

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，因此學術上通常將它們稱為“碳庫”。

巖石圈是地球上最大的碳庫，據推測，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年的碳循環過程(單位以10億噸碳計)

碳循環的過程

在自然環境下，碳循環的主要形式是從大氣碳庫開始的。陸地生態系統中的植物通過光合作用，將大氣中的二氧化碳固定在有機物中，儲藏于植物體內。食草動物吃了植物以后，經消化、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，也會發生類似的過程。動物排泄物、動植物殘體中的碳則進入土壤碳庫中，最終通過細菌、真菌等微生物的分解作用，也轉化為二氧化碳，再回到大氣中。據測算，在工業化之前，陸地生態系統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。

除了這個過程，碳循環還會以溶解、沉積、釋放的過程在碳庫之間發生交換，其中最為典型的交換發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，當然會溶解不少二氧化碳。在化學平衡的作用下，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。據估算，在工業化之前，每年海洋從大氣中吸收700億噸碳，同時釋放706億噸碳。

人類對碳循環的影響

在農耕文明時期，人類主要是通過毀林、開荒等行為影響碳循環過程，作用并不是很大。但進入工業時代之后，人類大量使用化石能源，極大地改變了碳循環過程。化石燃料中的碳是幾億年前地球存儲下來的，原本比較穩定，很難和其他碳庫發生關系。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。化石燃料中的碳最主要的排放形式，就是以二氧化碳的形式進入大氣。據估算，在20世紀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總量，人類活動的排放量并不大，但是長期持續下來依然會造成極為可觀的影響。據測算，工業化之前，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，人類活動已經深刻地改變了地球的碳循環過程。

相關領域的最新進展

研究人員在青藏高原凍土碳庫評估方面取得新進展

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。過去幾十年，持續的氣候變暖使全球凍土分布區出現了以凍土活動層厚度增加、熱融喀斯特加劇等為標志的融化現象。顯著的凍土融化很可能會導致凍土中長期封存的大量有機碳被分解釋放，形成對氣候變暖的強烈正反饋。為了深入認識這種反饋關系，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換方法，目前學術界對于凍土碳庫的估算仍存在很大的不確定性。

中國科學院植物研究所楊元合研究組以青藏高原多年凍土區為研究對象，通過2013年至2014年連續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。在此基礎上，研究人員發展了基于地面觀測、衛星遙感、氣候要素和土壤信息等多源數據與支持向量機相結合的碳庫估算方法體系，系統評估了青藏高原3米深度凍土碳庫的大小及其分布特征。研究結果發現，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;凍土碳庫呈現出從研究區東南向西北遞減的趨勢。

該研究結果表明青藏高原多年凍土區是一個重要的碳庫。這意味著持續的氣候變暖可能導致這部分碳被微生物分解釋放，進而對我國陸地生態系統碳循環產生深遠影響。值得一提的是，該研究構建的深層土壤碳數據庫為校驗地球系統模型提供了基準，研究中發展的大尺度碳庫估算方法體系為降低區域碳庫估算中的不確定性提供了新的思路。

該研究結果近期在線發表在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研究計劃、國家自然科學基金、中科院-北京大學“率先合作團隊”和中組部“青年千人計劃”項目的資助。

科研人員于2013年至2014年對青藏高原多年凍土區大范圍取樣，獲得342個3米深度和177個50厘米深度的土壤剖面樣品

青藏高原凍土碳庫呈現出從研究區東南向西北遞減的趨勢