基于生態系統碳循環實現碳中和的有效措施探究

關鍵詞：碳循環；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的生命系統[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注。“碳中和”意味著人類等生物直接或間接活動產生的碳排放總量，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年前實現碳中和”[3]。

生態系統的物質循環又稱生物地球化學循環，是維持生態系統正常運行的基本功能之一。因為碳元素在生物界與無機環境之間的循環主要是以二氧化碳氣體形式進行，所以生態系統的碳循環涉及大氣、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循環，也是生態系統物質循環的典型代表，與碳中和密切相關。

1自然生態系統中的碳循環

研究自然生態系統中的碳循環，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定的平衡狀態，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節。如，某地短時間燃燒包括煤炭在內的化石燃料，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整恢復到原有水平[1]。

在3大碳庫中，海洋的含碳量比大氣高，而且能調節大氣中的含碳量[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擴散到低濃度的一側，因此二氧化碳在水中發生的反應及電離如下所示。

這些反應及電離是可逆的，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。植物等生產者利用存在于大氣或水中的二氧化碳，通過光合作用轉化為糖類在內的含碳有機物，并將光能轉換為化學能貯存于這些含碳有機物中。生產者制造的一部分有機碳，被第二營養級初級消費者取食，轉化為初級消費者體內的有機碳，碳元素照此方式沿食物鏈（網）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，經過若干地質年代，以巖石或珊瑚礁的形式，重現于地表，組成巖石的碳又可以借助風化和火山爆發等重返大氣圈；有些埋入水底或者地下的動植物殘體在特殊的環境中，經過漫長的歷史年代轉變為煤炭、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，在自然生態系統中，大氣、海洋和陸地3 大碳庫之間碳循環的自我調節機制使得大氣中的二氧化碳含量基本穩定。

2人類活動影響下的碳循環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與利用。工業革命后大氣中的二氧化碳濃度持續增加，在過去的200多年里，人類的工業生產、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的含碳化石能源短期內被大量使用，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，導致全球氣候變暖。聯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，高溫極有可能導致植物氣孔關閉，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，對人類的生存發展構成威脅。此外，氣候在內的環境因素變化還會影響一些物種的生長、繁殖及空間分布，當變化劇烈且超出一定范圍時，很容易導致物種喪失和生物多樣性下降，嚴重破壞生態系統的結構和功能，使得一些生態系統因此失衡或隨之消失[1]。

全球氣候的穩定是生物圈生態安全和人類正常生產生活的重要保障。為了遏制氣候變暖趨勢，保護生物多樣性和生態系統穩定性，為生態系統應對氣候變化留有足夠的適應時間，減少糧食生產受氣候變化的影響，從而保證社會經濟的可持續發展[5]，2015年各締約方達成的《巴黎協定》提出，“力爭在21 世紀內將全球平均氣溫上升控制在2℃以內，并盡力不超過1.5℃ [5]”。

3生態系統碳循環下實現碳中和的有效措施

實現碳中和，改善氣候環境，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，促進清潔生產技術革新，提高化石能源使用能效，提升產品生態效益，如在水泥生產中采用新技術新工藝后，有統計顯示2020年水泥熟料單位產品平均綜合能耗比2015年低4kgce/t[4]；另一方面，積極開發利用清潔可再生能源，如使用太陽能、風能、水能等替代化石能源為人類生產生活供能，變革以化石能源（煤）為主的能源結構，促進能源綠色低碳發展，促使清潔可持續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、植被破壞和農業農田擴展等[1]，使得土地覆蓋發生變化、水土流失，導致不穩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]。森林是陸地生態系統碳循環的重要參與者，可調節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化儲存在生物體中，是固定大氣中二氧化碳最經濟有效的方法之一。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揮清除大氣中二氧化碳的碳匯效應。大力發展植樹造林在內的林業工程，加強生態建設和生態保護，積極培育適應鹽堿地等不同環境的各種植被并規模化種植，將吸收的碳固定到生物體中或轉移到土壤及水中[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

通過人工技術方法將捕集的二氧化碳封存于地下或其他物質中，也是固定大氣中二氧化碳的方法之一。與傳統二氧化碳捕集和封存技術（CCS）相比，碳捕集、利用與封存（CCUS）技術增加了二氧化碳利用環節，同時兼顧環境效益和經濟效益[7]。CCUS技術可先將產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二氧化碳的封存[3]。除此之外，二氧化碳利用與封存的技術還包括將二氧化碳轉化生成含C-H、C-O、C-C、C-N鍵的能源化學材料、建筑行業水泥基材料、高附加值化工產品等，或者轉化為氣態的二氧化碳作為氣肥，注入溫室在內的人工密閉環境中，提高農作物產量[7]。

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

3.3提高公民低碳環保意識

據統計，我國公民消費所產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]，如每節約1kWh電就能減少約0.997kg的二氧化碳排放[4]，因此兼顧生產消費各個環節的低碳生活方式是實現碳中和目標的必然選擇[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保意識，并降低其為之付出的時間成本及經濟代價，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，積極倡導并推廣低碳環保衣物、光盤行動、低碳建筑、低碳出行、垃圾分類等，自覺自愿地養成珍惜資源的低碳生活方式，助力碳中和早日實現。

4結束語

綜上所述，為應對氣候變化，如期實現碳中和目標，還需進一步制定有關低碳生產消費的公共政策，引入并逐步完善碳排放權交易市場調節機制，健全相關的法律法規，建設完善的碳中和標準體系，開展國際交流與合作，夯實我國碳中和相關專業領域人才基礎，指引每一位社會成員積極踐行低碳生產生活方式。攜手各行各業，匯聚各條戰線低碳發展既有的和潛在的能力，協同政府、企業、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，積極穩妥地共同推進實現“凈零碳排放”，助力生態文明建設，實現人與自然和諧共生。

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、科學的教育教學及研究工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-21