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高中生物碳循环示意图

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  什么是碳循环?

  全球碳循环已经失衡?

  人类活动是如何影响碳循环的?

  碳循环与气候变化的相互影响

  森林和海洋在碳循环中的作用

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  什么是碳循环?

  碳循环,是指碳元素在地球上的生物圈、岩石圈、水圈及大气圈中交换并循环的过程,它使碳在整个生物圈及其所有有机体中得到循环和重复利用。自然界碳循环包括碳固定与碳释放两个阶段,其基本过程如下:大气中的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的作用,又以CO2的形式返回大气中。

  

  图说:碳的生物循环示意图(图片来源网络)

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  全球碳循环已经失衡?

  研究人员利用Fluxnet提供的全球生态系统对温度的响应数据,开发了一种称为大分子速率理论(MMRT)的新方法。这种方法以热力学原理为基础,对全球每个主要生物群落生成温度曲线,确定了各个种群的温度临界点。

  数据显示,目前全球已有近10%的陆地生物圈超越了其光合作用的最高临界温度,即植物吸收固定碳的最高临界温度。当温度超过该临界点后,植物捕获和储存大气碳的能力会迅速减慢,而碳释放速度则会加快,导致全球碳循环失衡。而若以目前的碳排放速度,到本世纪中叶(2050年前后),地球将有超过一半的陆地生物圈可能会突破其最适温度临界点,碳含量最高的生物群落如亚马逊热带雨林和俄罗斯泰加森林将更早变为碳源,加速全球变暖的进程。

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  人类活动是如何影响碳循环的?

  人类活动对碳循环的影响最大。工业革命以来, 通过化石燃料燃烧和土地利用等途径, 人类已经向大气中排放了大量的碳,使碳释放量大于碳固定量,这样就破坏了自然界原有的碳平衡,导致全球碳循环失衡,造成大气 CO2 浓度显著升高。由此引发全球气候变暖等问题, 直接影响到目前及未来人类自身的生存和社会经济的可持续发展。

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  碳循环与气候变化的相互影响

  全球碳循环失衡是导致气候变化的根本原因, 其长期演变决定了气候变化的速度和程度。反过来,气候变化对陆地生态系统碳循环也有着巨大的影响,具体表现在气温和降水两个方面:一方面,全球气温升高,通过影响植物的蒸腾作用和呼吸作用,促进植物对CO2的固定能力,使碳循环速度加快;另一方面,降雨过多或过少都会影响植物生产力,甚至造成树木死亡,进而影响碳循环。

  研究各国碳循环对气候变化的影响,对于探索历史责任归因、制定“共同但有区别”的减缓政策和施行相应的减排技术具有重要意义。准确量化气候变化对陆地生态系统碳收的影响,既是维持区域生态系统碳收支平衡的关键,也是应对气候变化的科学依据。

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  森林和海洋在碳循环中的作用

  森林的光合和呼吸作用与大气之间的年碳交换量占到陆地生态系统总量的70%,主导着全球陆地碳循环的动态。陆地生态系统固碳是减缓大气CO2 浓度升高最经济可行的途径,中国陆地生态系统在过去几十年中一直扮演着重要的碳汇角色,2001~2010 年间,陆地生态系统年均固碳2.01×1011千克,相当于抵消了同期中国化石燃料碳排放量的14.1%。其中,中国森林生态系统是固碳的主体,贡献了约80% 的固碳量,农田和灌丛生态系统分别贡献了12% 和8%,草地生态系统的碳收支基本处于平衡。科学研究表明,人类的有效干预能提高陆地生态系统的固碳能力。例如,我国的重大生态工程(天然林保护工程、退耕还林工程、退耕还草工程、长江和珠江防护林工程等)和秸秆还田的农田管理措施,分别贡献了中国陆地生态系统固碳总量的36.8%(7.4×1010千克)和9.9%(2.0×1010 千克)。

  海洋覆盖了地球表面的70.8%,是地球上最重要的“碳汇”聚集地。海洋通过波浪涌动溶解大气中CO2,生物量巨大的海藻,其光合功能亦能吸收大量CO2,海洋中的可溶性钙盐与碳酸结合,可以在海底形成大面积的碳沉积。

  据测算,地球上每年化石燃料燃烧产生的CO2,约13% 为陆地植被吸收,35% 为海洋所吸收,其余部分暂存于大气中,海洋的固碳能力约为4×1015 千克,年新增储存能力(5~6)×1015 千克。所以,森林与海洋是大气CO2 的两个重要调节器。

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