生态系统的物质循环碳循环(全球碳循环包括哪些重要生物和非生物的过程)

导语：全球碳循环--生态系统物质循环

地球的碳元素分布于四个主要的库中：大气、海洋、陆地（土壤和植被）以及沉积物和岩石圈中（图1）。

图1：四大碳库的碳含量

（1）大气

大气中的碳主要以CO2的形式存在。（主要）在生物的光合作用和呼吸作用驱动下，大气中的碳每3~4年即可周转（完全更新）一次。

（2）海洋

海洋中碳的存在形式包括：

①溶解无机碳( dissolved inorganic carbon, DIC)；

②溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)；

③颗粒有机碳 ( particulate organic carbon, POC)。

海洋中大部分碳元素以无机碳形式存在（约98%），以碳酸氢钠为主，其余主要是碳酸盐，游离的CO2在其中所占的比例不到1%，但却能被许多海洋初级生产者直接利用。三种DIC的相对比例受海水pH调控。

海洋中约97%的碳元素都位于中下层。海洋表层（75~200m深）和大气间可以进行碳交换，短期来看，交换速率主要由风速、海面温度及表层海水的CO2浓度所决定。表层海水和更深的水层之间会发生速度相对较慢的元素交换过程，例如在透光层形成的有机残渣以及其中的碳酸钙会缓慢沉入深层（这个过程被称为生物泵）。一旦碳元素到达海洋的中下层，它将会在此储存几百到几千年之久，直到涌升流将其带回海洋表面。

（3）陆地（土壤和植被）

陆地生物圈是碳元素最大的生物储存库，陆地植被中的碳含量与大气碳含量相仿，约为6500亿吨，远高于海洋生物。

（4）沉积物和岩石圈

其中所含碳元素约占地球碳元素总量（约108亿吨）的99%以上，但是该库的碳循环速度非常缓慢，周转时间达到几百万年。调节该碳库的因素主要是和岩石循环有关的地质过程，包括大陆板块的运动、火山爆发、地壳隆起、岩石风化等等。

从几个世纪以内的时间尺度来看，对碳循环有贡献的碳库是大气、陆地和海洋。（图2）

图2：全球碳循环中重要的库（方框）和通量（箭头），单位：亿吨

陆地生态系统的总初级生产量（gross primary production，GPP，即光合作用吸收碳元素量）约为1200亿吨/年，净初级生产量（net primary production，NPP，即光合作用吸收碳量扣除生产者呼吸作用释放碳量后的剩余量）约为600亿吨/年。由于陆地生态系统的NPP略高于陆地异养生物呼吸作用损失的碳量，所以陆地是一个净碳储存库。

海洋生态系统中，虽然海洋生物的碳元素含量只有20亿吨， 但海洋生态系统的GPP约为1030亿吨/年，NPP约为450亿吨/年，与陆地生态系统相近，这是因为在海洋生物中，碳元素每2~3周就可以周转一次，更新速度相对较快。海洋中80%的NPP通过呼吸作用重新释放到环境中，剩余的20%通过生物泵输入到更深的海底，有待海洋涌升流将其重新带回到海洋表层。

人类活动对全球碳循环产生了非常巨大的影响。化石燃料的燃烧会释放大量的CO2，水泥制造过程中也会因碳酸盐矿石的分解而释放CO2，土地利用方式的改变也会影响陆地和大气之间的碳交换。人类活动造成的碳释放量大约相当于陆地生态系统异养生物呼吸释放量的10%左右。

参考：F.S.Chapin,III等，Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology（第二版）

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