摘要：生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)與碳中和密切相關(guān)。研究自然生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)、現(xiàn)代人類活動影響下的碳循環(huán)及全球氣候變暖的危害，提出實現(xiàn)碳中和的基本思路為減少二氧化碳排放和增加固定措施，闡述提高公民低碳環(huán)保意識的必要性，以期尋求更多實現(xiàn)碳中和的具體途徑，減緩全球氣候變暖對自然界和人類社會造成的影響，助力生態(tài)文明建設(shè)，實現(xiàn)人與自然和諧共生。

關(guān)鍵詞：碳循環(huán)；二氧化碳；碳中和

大氣中的溫室氣體，如二氧化碳（CO2）、甲烷、氧化亞氮等，不僅對來自太陽的短波輻射有高度的透過性，而且對地球反射出來的長波輻射也有強烈的吸收作用，因此這些溫室氣體的大量排放，會造成地表溫度上升和大氣層低處對流層變暖，威脅地球上包括人類在內(nèi)的生命系統(tǒng)[1]。

由于二氧化碳是最具代表性的增溫氣體，因而碳中和受到了全球普遍關(guān)注。“碳中和”意味著人類等生物直接或間接活動產(chǎn)生的碳排放總量，與植物光合作用等各種形式的碳吸收量之間的平衡[2]，即“凈零碳排放”。我國提出“力爭在2060年前實現(xiàn)碳中和”[3]。

生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)又稱生物地球化學(xué)循環(huán)，是維持生態(tài)系統(tǒng)正常運行的基本功能之一。因為碳元素在生物界與無機環(huán)境之間的循環(huán)主要是以二氧化碳?xì)怏w形式進行，所以生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)涉及大氣、海洋和陸地3大碳庫之間的碳流通[2]，具有明顯的全球性，是典型的氣體型物質(zhì)循環(huán)，也是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的典型代表，與碳中和密切相關(guān)。

1 自然生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)

研究自然生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)，一般是從大氣中的二氧化碳開始分析。長期以來，大氣中的二氧化碳濃度基本上維持在相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，這主要是由于大氣碳庫對暫時的二氧化碳變化能夠自我調(diào)節(jié)。如，某地短時間燃燒包括煤炭在內(nèi)的化石燃料，使局部大氣中的二氧化碳濃度增加，然后再通過空氣運動和綠色植物光合作用等，使二氧化碳濃度迅速重新調(diào)整恢復(fù)到原有水平[1]。

在3大碳庫中，海洋的含碳量比大氣高，而且能調(diào)節(jié)大氣中的含碳量[2]。由于二氧化碳在大氣圈和水圈之間的界面上，總是從高濃度的一側(cè)擴散到低濃度的一側(cè)，因此二氧化碳在水中發(fā)生的反應(yīng)及電離如下所示。

CO2+H2OH2CO3

H2CO3H++HCO3-

HCO3-H++CO32-

這些反應(yīng)及電離是可逆的，其進行的方向取決于各成分的濃度。因此，如果大氣中的二氧化碳短缺，水圈中的二氧化碳就會進入大氣圈；水圈中二氧化碳被消耗的話，也可以從大氣中得到補償[1]。

陸地上的碳，首先是以碳酸鹽形式禁錮在巖石圈，其次是以有機碳形式貯存在化石能源中，且這些均與生物作用密不可分。植物等生產(chǎn)者利用存在于大氣或水中的二氧化碳，通過光合作用轉(zhuǎn)化為糖類在內(nèi)的含碳有機物，并將光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存于這些含碳有機物中。生產(chǎn)者制造的一部分有機碳，被第二營養(yǎng)級初級消費者取食，轉(zhuǎn)化為初級消費者體內(nèi)的有機碳，碳元素照此方式沿食物鏈（網(wǎng)）依次被各級消費者消化吸收再合成利用[1]。在這個過程中，各種生物的一部分有機碳會隨著呼吸作用、分解作用，以二氧化碳形式釋放到大氣碳庫中；一部分有機碳構(gòu)成動植物體的組成部分，作為植物根莖葉及動物組織器官等生物量儲存，隨動植物凋落死亡后轉(zhuǎn)移到土壤中，成為陸地碳庫的一部分[2]。另外，水圈中未被利用的動植物殘體有些被埋入水底，經(jīng)過若干地質(zhì)年代，以巖石或珊瑚礁的形式，重現(xiàn)于地表，組成巖石的碳又可以借助風(fēng)化和火山爆發(fā)等重返大氣圈；有些埋入水底或者地下的動植物殘體在特殊的環(huán)境中，經(jīng)過漫長的歷史年代轉(zhuǎn)變?yōu)槊禾?、石油、天然氣等化石能源，其燃燒過程會釋放二氧化碳[1]。

總之，在自然生態(tài)系統(tǒng)中，大氣、海洋和陸地3大碳庫之間碳循環(huán)的自我調(diào)節(jié)機制使得大氣中的二氧化碳含量基本穩(wěn)定。

2 人類活動影響下的碳循環(huán)及全球氣候變暖的危害

人類社會的進步，伴隨著人類對能源的開發(fā)與利用。工業(yè)革命后大氣中的二氧化碳濃度持續(xù)增加，在過去的200多年里，人類的工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、取暖照明等活動[4]，使長期貯藏于地下的包含煤炭在內(nèi)的含碳化石能源短期內(nèi)被大量使用，加速了二氧化碳向大氣層的排放[3]。與此同時，森林面積銳減、海洋污染、土地荒漠化等打破了大氣、海洋、陸地3大碳庫之間的碳平衡，植物光合作用移除大氣中二氧化碳的能力相對減弱，使得大氣中二氧化碳的濃度不斷上升，導(dǎo)致全球氣候變暖。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）曾于2021年指出，人類的直接或間接活動導(dǎo)致大氣中溫室氣體濃度增加，全球地表溫度自1970年以來加速上升[5]。

全球氣候變暖，一方面會誘導(dǎo)較高的生物呼吸作用，向大氣釋放更多二氧化碳；另一方面，高溫極有可能導(dǎo)致植物氣孔關(guān)閉，光合作用減弱，從而減少對大氣中二氧化碳的吸收[6]，以致大氣中更多二氧化碳積累，加劇全球變暖趨勢。全球氣候變暖最直接的影響是南北極地和高山冰川融化，從而引起海平面上升，一些沿海城市被淹沒，對人類的生存發(fā)展構(gòu)成威脅。此外，氣候在內(nèi)的環(huán)境因素變化還會影響一些物種的生長、繁殖及空間分布，當(dāng)變化劇烈且超出一定范圍時，很容易導(dǎo)致物種喪失和生物多樣性下降，嚴(yán)重破壞生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，使得一些生態(tài)系統(tǒng)因此失衡或隨之消失[1]。

全球氣候的穩(wěn)定是生物圈生態(tài)安全和人類正常生產(chǎn)生活的重要保障。為了遏制氣候變暖趨勢，保護生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，為生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對氣候變化留有足夠的適應(yīng)時間，減少糧食生產(chǎn)受氣候變化的影響，從而保證社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[5]，2015年各締約方達(dá)成的《巴黎協(xié)定》提出，“力爭在21世紀(jì)內(nèi)將全球平均氣溫上升控制在2℃以內(nèi)，并盡力不超過1.5℃[5]”。

3 生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)下實現(xiàn)碳中和的有效措施

實現(xiàn)碳中和，改善氣候環(huán)境，不僅要減少二氧化碳的排放，還要增加大氣中二氧化碳的固定。

3.1 減少二氧化碳的排放

3.1.1 控制二氧化碳排放源

大氣中二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體的增加，主要源于化石能源（煤）的燃燒。對此，一方面，依靠科技進步，改進燃燒方式，改革工藝流程，促進清潔生產(chǎn)技術(shù)革新，提高化石能源使用能效，提升產(chǎn)品生態(tài)效益，如在水泥生產(chǎn)中采用新技術(shù)新工藝后，有統(tǒng)計顯示2020年水泥熟料單位產(chǎn)品平均綜合能耗比2015年低4kgce/t[4]；另一方面，積極開發(fā)利用清潔可再生能源，如使用太陽能、風(fēng)能、水能等替代化石能源為人類生產(chǎn)生活供能，變革以化石能源（煤）為主的能源結(jié)構(gòu)，促進能源綠色低碳發(fā)展，促使清潔可持續(xù)的再生能源惠及全球。

3.1.2 實施減少二氧化碳排放的策略

二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體的增加還有一個重要的原因，就是森林砍伐、植被破壞和農(nóng)業(yè)農(nóng)田擴展等[1]，使得土地覆蓋發(fā)生變化、水土流失，導(dǎo)致不穩(wěn)定的土壤有機碳在土壤侵蝕過程中分解并釋放二氧化碳[2]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要參與者，可調(diào)節(jié)大氣中二氧化碳濃度。被砍伐的森林中蘊藏著的大量含碳有機物，有些被微生物分解利用釋放二氧化碳，有些被焚燒釋放二氧化碳，造成大氣二氧化碳濃度的增加[1]。因此，保護森林植被、限制土地利用強度、進行土壤改良、提高土地生產(chǎn)力，也是減少二氧化碳排放的可行之策。

3.2 增加大氣中二氧化碳的固定

3.2.1 利用植物光合作用固碳

通過植物光合作用將吸收的二氧化碳轉(zhuǎn)化儲存在生物體中，是固定大氣中二氧化碳最經(jīng)濟有效的方法之一。由于植物的光合作用受水分、溫度、光照等環(huán)境因素影響，以及植物葉片大小和樹齡等自身因素的影響，因而有利于提高植物光合作用的措施也是實現(xiàn)碳中和的有效措施。沿海紅樹林、陸地森林、草地植被等，都可以通過光合作用發(fā)揮清除大氣中二氧化碳的碳匯效應(yīng)。大力發(fā)展植樹造林在內(nèi)的林業(yè)工程，加強生態(tài)建設(shè)和生態(tài)保護，積極培育適應(yīng)鹽堿地等不同環(huán)境的各種植被并規(guī)?；N植，將吸收的碳固定到生物體中或轉(zhuǎn)移到土壤及水中[2]，可有效降低大氣中二氧化碳濃度。

3.2.2 運用碳捕集、利用與封存技術(shù)

通過人工技術(shù)方法將捕集的二氧化碳封存于地下或其他物質(zhì)中，也是固定大氣中二氧化碳的方法之一。與傳統(tǒng)二氧化碳捕集和封存技術(shù)（CCS）相比，碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)增加了二氧化碳利用環(huán)節(jié)，同時兼顧環(huán)境效益和經(jīng)濟效益[7]。CCUS技術(shù)可先將產(chǎn)生的二氧化碳捕獲收集，與大氣隔絕封存[4]；然后再將二氧化碳以液態(tài)形式通過管道運輸或者罐車運輸，運送到利用或封存的地方。如，通過管道注入地下油氣藏中，在提高油氣采收率的同時實現(xiàn)二氧化碳的封存[2]；在深部咸水層和廢棄煤礦等封存場實現(xiàn)二氧化碳的封存[3]。除此之外，二氧化碳利用與封存的技術(shù)還包括將二氧化碳轉(zhuǎn)化生成含C-H、C-O、C-C、C-N鍵的能源化學(xué)材料、建筑行業(yè)水泥基材料、高附加值化工產(chǎn)品等，或者轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的二氧化碳作為氣肥，注入溫室在內(nèi)的人工密閉環(huán)境中，提高農(nóng)作物產(chǎn)量[7]。

與陸地碳匯相比，海洋碳匯的潛力巨大，因此加強海洋生態(tài)系統(tǒng)（包括自然海岸線和海岸帶生態(tài)系統(tǒng)）保護尤為重要。在不破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)的前提下，研究實施深海二氧化碳封存相關(guān)技術(shù)，也可進一步提高海洋碳匯能力[2]。

3.3 提高公民低碳環(huán)保意識

據(jù)統(tǒng)計，我國公民消費所產(chǎn)生的碳排放占全國碳排放總量的近50%，成為碳排放的重要增長源[8]，如每節(jié)約1kWh電就能減少約0.997kg的二氧化碳排放[4]，因此兼顧生產(chǎn)消費各個環(huán)節(jié)的低碳生活方式是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的必然選擇[9]。開展多渠道多形式的宣傳教育，鼓勵家庭個人參與“碳普惠”活動，通過社會成員之間的互動，在社會生活中提高公民低碳環(huán)保意識，并降低其為之付出的時間成本及經(jīng)濟代價，提高公民參與低碳生活的便利度，讓公民朝著綠色低碳生活方式真正轉(zhuǎn)變[9]。如，每位公民都從衣、食、住、行、用的日常生活點滴小事做起，廣泛參與減少碳排放活動，積極倡導(dǎo)并推廣低碳環(huán)保衣物、光盤行動、低碳建筑、低碳出行、垃圾分類等，自覺自愿地養(yǎng)成珍惜資源的低碳生活方式，助力碳中和早日實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，為應(yīng)對氣候變化，如期實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，還需進一步制定有關(guān)低碳生產(chǎn)消費的公共政策，引入并逐步完善碳排放權(quán)交易市場調(diào)節(jié)機制，健全相關(guān)的法律法規(guī)，建設(shè)完善的碳中和標(biāo)準(zhǔn)體系，開展國際交流與合作，夯實我國碳中和相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域人才基礎(chǔ)，指引每一位社會成員積極踐行低碳生產(chǎn)生活方式。攜手各行各業(yè)，匯聚各條戰(zhàn)線低碳發(fā)展既有的和潛在的能力，協(xié)同政府、企業(yè)、公民等多主體，運用多途徑多措施，減少碳排放、增加碳匯，減緩全球氣候變暖對自然界和人類社會造成的影響，積極穩(wěn)妥地共同推進實現(xiàn)“凈零碳排放”，助力生態(tài)文明建設(shè)，實現(xiàn)人與自然和諧共生。

參考文獻(xiàn)

[1]李博.生態(tài)學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]楊衛(wèi)東，曾聯(lián)波， 李想.碳匯效應(yīng)及其影響因素研究進展[J].地球科學(xué)進展，2023，38（2）：151-167.

[3]張卓鵬.生物學(xué)高考熱點“碳中和”[J].生物學(xué)教學(xué)，2023，48（2）：78-80.

[4]吳俊琳，李顯軍.基于義務(wù)教育新課標(biāo)的初中“碳中和” 跨學(xué)科實踐活動的設(shè)計[J].生物學(xué)教學(xué)，2023，48（3）：11-14.

[5]周枕戈，莊貴陽.碳達(dá)峰與碳中和行動的概念框架與政策應(yīng)用[J].閱江學(xué)刊，2023，15（3）：44-56，173.

[6]趙德先，王成，孫振凱，等.樹附生苔蘚植物多樣性及其影響因素[J].生態(tài)學(xué)報，2020，40（8）： 2523-2532.

[7]賈子奕，劉卓，張力小，等.中國碳捕集、利用與封存技術(shù)發(fā)展與展望[J].中國環(huán)境管理，2022，14（6）： 81-87.

[8]蔡烏趕，林曉雯.人口老齡化對家庭碳排放的影響——來自中國微觀家庭的證據(jù)[J].江南大學(xué)學(xué)報（人文社會科學(xué)版），2023，22（2）：18-28，51.

[9]王曉楠.近50年來國外綠色生活方式研究回顧與展望[J].鄱陽湖學(xué)刊， 2023（2）：100-114，128.

作者簡介

路彥文（1983—），女，漢族，山西陽泉人，講師，碩士，主要從事生物學(xué)、科學(xué)的教育教學(xué)及研究工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-21