第十一章 全球变化
11.4 全球碳循环
自然界中绝大多数的碳并非储存于生物体内，而是储存于大量的地壳沉积岩中。一方面沉积岩中的碳通过自然和人为的各种化学作用分解后进入大气和海洋；另一方面生物体死亡以及其他各种含碳物质又不停地以沉积物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。碳的生物循环虽然对地球的环境有着很大的影响，但是从以百万年计的地质时间上来看，缓慢变化的碳的地球化学大循环才是地球环境最主要的控制因素。
碳的地球化学循环
碳的地球化学循环控制了碳在地表或近地表的沉积物和大气、生物圈及海洋之间的迁移，而且是对大气二氧化碳和海洋二氧化碳的最主要的控制。沉积物含有两种形式的碳：干酪根和碳酸盐。在风化过程中，干酪根与氧反应产生二氧化碳，而碳酸盐的风化作用却很复杂。含在白云石和方解石矿物中的碳酸镁和碳酸钙受到地下水的侵蚀，产生出溶解的钙离子、镁离子和重碳酸根离子。
它们由地下水最终带入海洋。在海洋中，浮游生物和珊瑚之类的海生生物摄取钙离子和重碳酸根离子来构成碳酸钙的骨骼和贝壳。这些生物死了之后，碳酸钙就沉积在海底而最终被埋藏起来。
碳的生物循环
在碳的生物循环中，大气中的二氧化碳被植物吸收后，通过光合作用转变成有机物质，然后通过生物呼吸作用和细菌分解作用又从有机物质转换为二氧化碳而进入大气。碳的生物循环包括了碳在动、植物及环境之间的迁移。
（1）光合作用：现在科学家已经知道植物会利用阳光的能量，把来自土壤中的水，以及空气中的二氧化碳转变成生物生长所必需的物质葡萄糖，即光合作用。
（2）呼吸作用：呼吸作用只在活细胞内进行，它的反应方向和光合作用正巧相反：光合作用利用能量制造物质，而呼吸作用则将物质分解释放能量。在有氧呼吸的过程中，一个葡萄糖分子会和氧结合而分解成二氧化碳和水，并产生能量。
光合作用发生在白天，大气圈中氧的含量增加，二氧化碳含量减少。
天黑以后，光合作用停止，但呼吸作用继续。二氧化碳含量在黎明时增到顶峰，高出平均值20％以上。
地球系统碳循环的时间尺度
地球系统中的碳分布在各圈层中，通过各种过程相互交换，密度越大的圈层里碳储量越大，但交换的速率也越慢。一般而言，大气圈与陆地生物圈、表层海水之间的碳交换是在几秒～几百年的时间尺度内，但大气圈的碳储量只有750Gt；岩石圈的碳储量比大气圈高出近万倍，但通过板块俯冲或者高原隆升放出或消耗二氧化碳的循环长达107年以上。
大陆岩石的风化作用
碳循环中的反馈
生物圈中碳的正反馈，大气中二氧化碳上升，温度增加，植物光合作用增加。
地球化学中碳的负反馈，大气中二氧化碳上升，温度增加，大陆硅酸盐风化增强，大气中二氧化碳减低。
碳漏失
二氧化碳问题
自然界自发进行的碳循环，在很长的时期内始终处于一种均衡的状态，使地球的环境基本保持不变。然而人类的行为却在很短的时间内打破了这种平衡。尤其是近二百年来，人类对煤、石油和天然气等含碳能源的大量开采利用，致使更多的二氧化碳被排入大气。本世纪以来，大气测量的众多数据表明，大气中二氧化碳浓度正在呈指数上升。
二氧化碳能吸收地表的红外辐射，是一种典型的温室气体。自从100年前瑞典化学家阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）提出大气中二氧化碳丰度的变化会影响地表温度的假说以来，越来越多的科学家致力于大气中二氧化碳与环境关系的研究。时至今日，大量的研究表明，大气中二氧化碳浓度的增长，将继续使全球气候发生变化，从而也给人类社会带来了深远的影响。
