聚焦：陆地和海洋两大碳汇主力军

2022-08-17 09:55:47 来源：科普中国

“碳汇”（carbon sink）一词来自《京都议定书》，一般指从空气中清除二氧化碳（CO2）的过程、活动和机制，是全球碳循环中十分重要的一环。碳汇主要指森林、土壤、岩石、湿地、海洋等载体吸收并储存二氧化碳的量，也可以说是载体吸收、储存二氧化碳的能力。当生态系统的碳固定量大于碳排放量时，该系统可被称为大气中二氧化碳的汇。工业革命以来，大气中的二氧化碳体积浓度已增至0.04%，且在大气中持续积累，而固碳方式主要有陆地碳汇和海洋碳汇两大主力军。

全球碳循环系统

陆地碳汇

(资料图)

陆地碳汇是指陆地从大气圈中吸收并储存碳的容量，涉及岩石圈、生物圈和土壤圈等，岩石圈是地球上最大的碳库，据估计整个岩石圈碳总储量约为900兆亿吨，有机碳储量约为200兆亿吨；生物圈碳储量约为6860亿吨，其中，森林占6620亿吨，草原占240亿吨；土壤圈碳总储量为1.4～1.5万亿吨。在陆地生态系统中，碳汇主要通过森林、土壤和湿地等途径来实现。

森林碳汇

森林植物在太阳光的作用下，通过光合作用将大气中的二氧化碳固定为有机碳，将太阳能转化为生物质能。森林生态系统是地球陆地生物圈的主体，森林生物量巨大，碳储量几乎占陆地碳库总量的一半。森林碳汇途径主要分为乔木林、竹林和国家特别规定的灌木林地。林木生长每产生162克干物质需吸收（固定）264克的二氧化碳，释放192克的氧气。

乔木林中较为常见的是热带森林，它占地球表面的7%，拥有全球50%的物种和70%～80%的树种，储存全球生物碳量的40%左右，每年通过光合作用吸收的碳相当于人类通过化石燃料燃烧释放碳量的6倍。

竹林是世界公认的生长最快的植物之一，具有爆发式可再生性，是林业应对气候变化不可或缺的重要战略资源。在固碳基质上，竹林属于C4植物，而其他乔木林属于C3植物，所以竹林具有更高的碳汇效率。研究表明，毛竹年固碳量为每平方米509克，是杉木林的1.46倍，热带雨林的1.33倍，同时每年还有大量的竹林碳转移到竹材产品碳库中长期保存。

特灌林是指具有一定经济价值，以取得经济效益为目的进行经营的灌木林，或者分布在干旱、半干旱地区和乔木生长界限以上专为防护用途，且覆盖度大于30%的灌木林地。灌木是森林和灌丛生态系统的重要组成部分，地上枝条再生能力强，地下根系庞大，具有耐寒、耐热、耐贫瘠、易繁殖、生长快的生物学特性。

土壤碳汇

土壤主要包括农用地和森林土壤，森林土壤是一种特殊的碳汇类型。土壤中的碳最初来自植物通过光合作用固定的二氧化碳，在形成有机质后通过根系分泌物、死根系或者枯枝落叶的形式进入土壤层，形成土壤碳汇。表层土壤（0～20厘米）年碳汇量比深层土壤（20～40厘米）高出30%，但深层土壤中的碳属于持久性封存的碳，可在较长时间内保持稳定的状态。

湿地碳汇

湿地兼有水陆生态系统的属性。湿地植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并将其转化为有机质；湿地土壤因长期处于水分过饱和状态而具有厌氧的特性，土壤中微生物以嫌气菌类为主，活动相对较弱，植物死亡后的残体经腐殖化作用和泥炭化作用形成腐殖质和泥炭，由于得不到充分的分解，经长年累积逐渐形成富含有机质的湿地土壤。

湿地储存的碳占陆地土壤碳库的18%～30%。受湿地表层结构（植被状况、淹水泥炭层厚度）和泥炭沉积速率的影响，不同类型湿地固碳能力差异巨大。泥炭湿地、红树林湿地、湖泊湿地的固碳速率分别为每年每平方米20～50克、99.6～280.8克和3.48～123.3克。

水体碳汇

内陆河流、湖泊、水库等水体生态系统是陆地生态系统的重要类型，在全球碳循环和固碳方面发挥着关键作用。

海洋碳汇

海洋碳汇指海洋吸收大气中的二氧化碳，并用各种方式将其固定在海洋中的过程、活动和机制。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，地球上约93%（38.4万亿吨）的二氧化碳储存在海洋中，并在海洋中循环。据测算，地球上每年使用化石燃料所产生的二氧化碳约13%被陆地植被吸收，35%被海洋所吸收，而其余部分则暂留存于大气中。可见，海洋在调解全球气候变化，特别是吸收二氧化碳等温室气体效应方面作用巨大。海洋储碳的形式包括无机的、有机的、颗粒的、溶解的碳等各种形态。

海洋物理固碳

通过海洋物理泵的作用，海水中的二氧化碳-碳酸盐体系向深海扩散和传递，最终变成碳酸钙，沉积于海底，形成钙质软泥，从而起到固碳作用。碳在海流的作用下不断被带入深海，在深海长期储存，达到固碳目的。

深海封储固碳

越来越多的研究发现，在深海中，二氧化碳会与水形成稳定外壳，这层外壳限制了二氧化碳与海水的接触；当海水深度大于3000米时，液态二氧化碳表面能形成稳定的水合物外壳，这种方式储藏的气体足以应对最高强度地震或其他地质剧变，能够保证几千年“安全无逃逸”，从而实现真正意义上的“深海碳封存”。

海洋生物固碳

海洋生物主要通过藻类、珊瑚礁、贝类进行固碳。

海洋藻类能高效利用太阳能，通过光合作用固定二氧化碳，将无机碳转化为有机碳。在其初级生产过程中，还需从海水中吸收溶解的营养盐（如硝酸盐、磷酸盐），这使得表层水pH值升高，进一步降低水体二氧化碳分压。这两个过程促使海洋与空气界面两侧的二氧化碳分压差加大，促进大气中的二氧化碳向海水中扩散，使海水吸收更多的二氧化碳。

珊瑚礁是现代海洋中最重要的固碳生物群。珊瑚群落的繁盛需要两个重要条件：一是海水温度常年在20℃以上，适宜珊瑚生长；二是光照条件好，海水清澈透明。珊瑚礁体主要成分是碳酸钙，珊瑚虫的肌体主要是有机碳。同时，珊瑚礁又是各种藻类发育的良好藻床，也是各类底栖、游泳动物繁育、生长的场所，因此珊瑚礁的固碳作用非常巨大。随着海平面变化，珊瑚礁埋藏后可直接转换成石灰岩，成为永久固碳的最佳方式。

海洋贝类包括牡蛎、扇贝、蛤蜊、海螺、鲍鱼等。贝类表现出软体组织生长和贝壳形成两种固碳方式。通过滤食水体中的悬浮颗粒有机碳，促进其软体组织的生长，并由软体组织的外套膜分泌物形成贝壳。贝壳在形成过程中与海水中的化学元素发生一系列变化，其成分中碳酸钙约占95%。养殖贝类中贝壳约占总质量的60%，海洋中生产1吨贝类，仅贝壳就可固定0.25吨二氧化碳。

海洋生态体系固碳

在海洋上层，浮游植物通过光合作用生长繁殖，将二氧化碳转化为自身肌体的组成部分。随后，有机碳物质随着生物链最终成为颗粒碳，大部分成为软泥被埋藏在海底。这一过程加快了悬浮颗粒物在水体中向底层的垂直运移，被认为是碳从海洋浅层向海底输送的主要途径之一。广袤的深海海底，发育了大量深海生物软泥，其中约有120兆亿吨二氧化碳以有机沉积物的形式存在。

滨海湿地固碳

湿地具有较强的固碳潜力，在植物生长、促淤造陆等生态过程中积累了大量的无机碳和有机碳。全球沿海湿地的分布面积大约为20.3万平方千米，而沿海湿地的固碳量约为每年4.5亿吨，并且沿海湿地大量存在的硫酸根阻碍了甲烷的产生，从而降低了甲烷的排放量。高的碳积累速率和低的甲烷排放量，使沿海湿地大气温室效应的抑制作用更加明显。

在全人类“碳中和”的共同愿景下，全球生态系统正积极扮演着碳汇角色。各个国家在扩大森林面积、保护海洋生态等方面都做出了巨大努力，保持碳汇量逐渐增大。

全球碳循环系统源-汇体系碳排放-吸收量分布

中国统筹考虑陆地和海洋，在广西、内蒙古、云南、四川、辽宁、河北及山西等地大力实施林业碳汇项目，在山东、广东等地积极开展渔业碳汇项目，以获得最优碳汇效果，助力“双碳”目标的实现。

作者：中国石油勘探开发研究院张梦媛赵宇峰大庆油田采油工程研究院刘文彬张杰

关键词：二氧化碳光合作用生态系统