作者:董艳苹 来源:科学网 发布时间:2021/1/19 14:52:11
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浅谈碳循环

 

碳是有机物的基本骨架单元,是组成一切生物体的最基本元素。自然界中,碳主要存储在岩石圈、水圈、生物圈及大气圈中,碳元素在它们中间不停地进行着流动和交换,这种生物地球化学循环被称为碳循环。

在岩石圈中,碳元素主要以碳酸盐的形式存在,容量大且活动十分缓慢,是主要的碳库。在大气圈中,碳元素主要是以是二氧化碳和一氧化碳的形式存在;碳元素在水圈中既以无机形式存在(如溶解于水中的无机态碳),也以有机形式存在(如有机物);在生物圈中,碳元素则以形式十分多样的有机物的形态存在。

大气圈、水圈和生物圈中的碳元素流动和交换迅速而活跃。以陆地生态系统为例,植物作为生产者,从大气圈中吸收二氧化碳,通过光合作用将碳元素固定并最终转化为葡萄糖、淀粉等有机物满足自身生长需求。动物作为消费者,通过直接或者间接进食植物,将植物固定的碳元素转化为自身的组成部分。这是大气中的碳元素向生物圈流动的过程。

另一方面,动植物通过呼吸作用,将自身合成的一部分有机物分解,生成二氧化碳返还到大气中。同时,植物的凋落物、残体以及根系分泌物,动物的排泄物、残体等被微生物分解利用,形成二氧化碳归还至大气中。另外,部分的动植物残体在被分解之前被掩埋形成沉积物,最终转变成有机燃料,当它们燃烧时,其中的碳也以二氧化碳的形式排入大气。这些过程又使生物圈中的碳元素返还到大气圈中。在水生生态系统中,水中所溶解的二氧化碳、水生植物、动物、微生物之间也存在着类似的碳循环。

长期以来,生物圈固定和释放的碳处于一个动态平衡状态。工业时代之后,人类开始大量利用化石燃料,燃料燃烧释放出大量的二氧化碳,从而导致大气中的二氧化碳浓度升高,温室效应随之增强,引起全球气候变化。据报道,2020年1月的全球平均气温破纪录,成为自1880年有气象记录以来的最热1月。有学者预测,人类在未来将会面临温度升高、更极端的天气、水资源压力、海平面上升以及海洋和陆地生态系统遭到破坏等环境问题。同时,有研究表明,空气中二氧化碳浓度升高会导致农作物(如大豆,小麦等)食用部分中的铁、锌含量降低,从而影响人类食物中的养分含量。不过,也有学者认为,从大尺度来看,目前出现的全球气候变化是地球气候的正常波动。同时有研究表明,大气中二氧化碳浓度升高可以显著增强植物的光合作用,提高植物产量以及水分利用率,随着大气二氧化碳浓度的不断增加,地球上几乎所有植物的光合速率和生物量都出现了增长,这一过程可以使植物和土壤捕获和固定更多的碳,从而对化石燃料燃烧释放的二氧化碳有部分抵消作用。

 
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