碳循环：海洋、森林与地下的和谐相互作用

大气、海洋、陆地生物圈和地质储库之间的碳通量 — 展示大气、森林（通过光合作用和呼吸作用）、海洋（通过溶解和浮游生物）以及沉积物和化石燃料等**深层储库**之间碳（CO2）交换的示意图。
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科学摘要

碳循环是确保碳在四个主要地球储库之间循环的物理、化学和生物过程的总和：大气（约880 GtC）、生物圈（植被、土壤、动物）、水圈（海洋，约38,000 GtC）和岩石圈（岩石、沉积物、化石燃料，超过60,000,000 GtC）。它在非常多样的时间尺度上起作用（从光合作用这样的快速年度交换，到火山俯冲这样的数百万年的缓慢过程）。这种快速与缓慢动力学的叠加，包括自然反馈（如硅酸盐风化），自然地调节着地球气候，使其成为行星恒温器。

什么是碳循环，它如何调节地球气候？

碳循环指的是碳在大气、海洋、生物圈和岩石之间永不停息的循环。但这一现象是如何调节地球气候的呢？答案在于快速通量与缓慢地质过程之间的微妙平衡。年度交换，如光合作用和海洋溶解，持续地重新分配着数百亿吨碳。同时，诸如硅酸盐风化和火山活动这样的千年尺度机制缓慢地调整着大气中的CO₂含量。这种双重动力学赋予碳循环行星恒温器的作用，能够在长时期内缓冲气候扰动。理解这一系统对于评估人类排放对气候的影响至关重要。

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碳：地球系统的结构性元素

碳，有机生命的基础

碳远不止是一种简单的化学元素（C，原子序数6）。它是有机生命的基础，也是我们星球气候的主要调节者之一。

行星气候的主要调节者

它在各大地球储库之间的永恒旅程：大气、水圈（海洋）、生物圈（森林、土壤）和地圈（地下），形成了一个具有非凡复杂性与和谐性的系统，直接影响着气候。

对碳循环科学理解的演变

关于CO₂的最初实验

碳循环逐渐被理解为连接生物地球化学与气候学的复杂通量与储量网络。CO₂（二氧化碳）作为参与大气、海洋和生物圈之间交换的气体的识别，始于约瑟夫·普里斯特利（1733–1804）和安托万·拉瓦锡（1743–1794）的实验，他们证明了植物在产生氧气和吸收CO₂方面的作用。

CO₂热效应的发现

19世纪中叶，尤妮斯·牛顿·富特（1819–1888）表明CO₂吸收太阳热量，突出了它在大气变暖和热调节中的作用，这是理解碳循环的关键要素。

20世纪循环的形式化

同样在19世纪，关于动物呼吸和有机物分解的研究表明，碳可以在生物体与大气之间循环。在20世纪，海洋和陆地通量的量化为碳循环的形式化提供了可能，区分了快速储库（生物圈、大气、表层海洋）和慢速储库（沉积物、化石燃料、岩石圈）。

现代气候模型

今天，利用气候模型和同位素测量，可以精确追踪储库之间的碳转移，并理解人类活动对大气CO₂（二氧化碳）和全球变暖的影响。

碳循环：不同的时间尺度

四个储库之间的循环

碳循环是确保碳在地球主要储库——大气、生物圈、水圈和岩石圈——之间循环的物理、化学和生物过程的总和。

高度多样的时间尺度

碳循环在高度多样的时间尺度上起作用：从大气、生物圈和表层海洋之间的快速交换（数年至数十年），到向沉积物和岩石圈的缓慢转移（数千至数百万年）。这种快速与缓慢动力学的叠加调节着地球气候，并决定了对自然或人为扰动的响应。

下表列出了主要的碳储库、其储量、交换的年度通量、相关的化学转化以及特征时间尺度。

碳循环：储库、储量与年度通量
源储库	储量（GtC）	目标储库	过程	年度通量（GtC/年）	主要转化	时间尺度
大气（CO₂）	≈ 880	植物生物圈	光合作用	≈ 120	\( CO_2 + H_2O \xrightarrow{\text{太阳能}} CH_2O + O_2 \) （无机碳还原为有机碳）	年
植物生物圈	≈ 450至650	动物生物圈	有机碳转移	≈ 60	\( CH_2O_{\text{植物}} \rightarrow CH_2O_{\text{动物}} + CO_2 \)	数年至数十年
生物圈（植物和动物）	≈ 2,000（包括土壤）	大气（CO₂）	呼吸、分解	≈ 120	\( CH_2O + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O + \text{能量} \) （有机碳的生物氧化）	年
大气（CO₂）	≈ 880	表层海洋	海洋溶解	≈ 90	\(CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^- \rightleftharpoons 2H^+ + CO_3^{2-}\) （CO₂ / HCO₃^- / CO₃^2-平衡）	数月至数百年
海洋（溶解碳）	≈ 38,000	海洋沉积物	生物矿化	≈ 0.5至1	\(Ca^{2+} + HCO_3^- \rightleftharpoons CaCO_3(s) + H^+\) （CaCO₃碳酸盐的形成）	数百年至数千年
生物圈与沉积物	≈ 15,000	化石燃料	埋藏、成岩作用	≈ 0.1	\(CH_2O_{\text{有机物}} \rightarrow C_{\text{化石}} + H_2O + CO_2\) （碳的浓缩与化石ization）	数百万年
化石燃料	≈ 4,000	大气（CO₂）	燃烧	≈ 10	\(C_6H_{12}O_6 (\text{化石}) + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O\) （化石碳的快速氧化）	瞬时至数十年
岩石圈（碳酸盐岩）	>60,000,000	大气（CO₂）	俯冲、火山活动	≈ 0.1	\(CaCO_3(\text{沉积物}) + \text{岩浆} \rightarrow CaO + CO_2(\text{火山})\) （碳的地幔脱气）	数百万年

生物圈：碳的汇与源

植被通过光合作用吸收大气中的CO₂，但也通过呼吸作用和有机物分解释放CO₂。因此，生物圈既充当碳汇，也充当碳源，其净平衡取决于季节性通量和生态扰动。

地质恒温器：火山脱气与硅酸盐风化

地质尺度上的气候平衡源于火山脱气（从岩石圈储库释放CO₂）与硅酸盐风化（捕获大气CO₂）之间的反馈。变暖会加速风化，减少CO₂并使气候冷却。这一机制将碳的储量与通量联系起来，起到缓慢但有效的行星恒温器的作用。

参考文献

FAQ：关于碳循环的一切

地球上四个主要的碳储库是什么？

四个主要储库是：1）大气（约880 GtC，主要以CO₂形式存在），2）生物圈（植被、土壤、动物，约450至2,000 GtC的有机碳），3）水圈（海洋，约38,000 GtC的溶解碳），以及4）岩石圈（碳酸盐岩和化石燃料，超过6,000万GtC）。这些储库通过光合作用、呼吸作用、海洋溶解或火山活动等过程交换碳。

快速碳循环与慢速碳循环的区别是什么？

快速循环（数年至数十年）涉及大气、生物圈（光合作用和呼吸作用，约120 GtC/年）和表层海洋（溶解，约90 GtC/年）之间的密集交换。慢速循环（数千年至数百万年）涉及碳向海洋沉积物的转移（生物矿化）、埋藏和化石燃料的形成（成岩作用），以及岩石圈碳通过火山活动和俯冲返回大气。

碳循环如何充当行星"恒温器"？

碳循环具有调节气候的自然反馈。一个关键机制是硅酸盐风化：气候变暖加速岩石风化，从而捕获大气CO₂。CO₂的减少随后使气候冷却。相反，火山活动释放岩石圈CO₂，可能使行星变暖。这一负反馈回路在数百万年间起作用，维持着长期气候平衡。

海洋在碳循环中的作用是什么？

海洋构成了地球上最大的表层碳储库。它们通过溶解和浮游生物的生物活动吸收大气CO₂。溶解碳随后通过温盐环流和生物泵被输送到深处，在那里可以储存数百年至数千年。这种海洋碳汇的作用减缓了CO₂在大气中的积累，但海洋日益加剧的酸化威胁着这一平衡。

人类活动如何扰乱碳循环？

人类活动，特别是化石能源燃烧和森林砍伐，将曾经储存在岩石圈和生物圈中的碳注入大气。这种每年约10 GtC的快速转移远远超过了自然碳汇（海洋、森林）重新吸收这些过剩碳的能力。其结果是大气CO₂浓度持续增加，加剧了温室效应，扰乱了数百万年建立起来的气候平衡。

什么是硅酸盐风化，它在气候调节中的作用是什么？

硅酸盐风化是一种缓慢的化学过程，硅酸盐岩石与大气CO₂和水反应生成碳酸盐。这一机制消耗CO₂并将其以矿物形式捕获。在变暖时期，风化加速，从而减少大气CO₂并逐渐使气候冷却。这一现象构成了一种主要的负反馈，在地质时间尺度上起到自然恒温器的作用。