破解“碳黑洞”之謎

胡文康

20世紀下半葉，隨著新技術(shù)的發(fā)展，自然資源，特別是化石能源進入了大規(guī)模開發(fā)時期，人們對以碳為核心的化石能源的大量開發(fā)，導(dǎo)致了一系列嚴重的環(huán)境問題。如何協(xié)調(diào)環(huán)境與發(fā)展的問題擺在了各國面前。

1992年，聯(lián)合國在巴西當(dāng)時的首都里約熱內(nèi)盧召開了首次環(huán)境與發(fā)展大會，史無前例地將環(huán)境與發(fā)展放到一起，試圖尋找一條協(xié)調(diào)兩者關(guān)系的途徑，并就此通過了許多決定和公約，其中即包括《聯(lián)合國氣候變化公約》。聯(lián)合國希望通過各國政府的努力，遏制因碳排放產(chǎn)生的溫室氣體帶來的全球氣候變化問題；后來，還成立了聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（縮寫為IPCC），召開了多次全球氣候變化會議，制訂了《京都議定書》等多項具有強制性的全球節(jié)能減排相關(guān)規(guī)定。

四成排碳去無蹤

在太陽系中，目前已知碳僅存在于地球上，它是生命存在和發(fā)展的基本元素，是參與地球水熱平衡的基本要素。碳平衡則依據(jù)排放量的多少存在相對性。在全球變化研究中，碳循環(huán)是一個焦點，其中，碳平衡是其核心。在節(jié)能減排中，人們必須首先了解碳的排放量及其去向，才能有針對性地制定各項政策和措施。然而，各國科學(xué)家在全球碳平衡研究和估算中發(fā)現(xiàn)，排放的二氧化碳中有近40%去向不明。這就是全球變化與碳循環(huán)領(lǐng)域的“二氧化碳失匯”問題，科學(xué)家們形象地稱之為“碳黑洞”。

失匯的碳究竟有多少呢？聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會估算，這一數(shù)值大約有1.9Pg；后續(xù)研究又將其擴大到2Pg以上。其中Pg為度量單位，1Pg相當(dāng)于1015克，即10億噸。2 Pg即每年碳失匯量有20億噸，這是一個十分巨大的數(shù)值，大約相當(dāng)于全球碳排放量的40%。由此，各國科學(xué)家試圖通過大量研究工作找到“碳黑洞”。最近10～20年，科學(xué)家們針對此問題，相繼研究了海洋、森林、草地、農(nóng)田、濕

地和土壤有機碳，除了確認森林為微弱碳匯（碳匯是指吸收并儲存二氧化碳的數(shù)量）外，其他方面進展甚微，人們?nèi)詿o法準確回答“余下的碳排放去了哪里”這個問題。

為此，在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目——“973項目”支持下，中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所牽頭組織了一個年輕的科學(xué)家群體，對“碳黑洞”在干旱區(qū)的可能性進行了深入研究。

茫茫大漠覓蹤跡

當(dāng)各國科學(xué)家在全球其他地區(qū)專注于碳失匯中的有機碳失匯時，我國科學(xué)家在2002～2007年相繼提出了我國西北干旱區(qū)、干旱性土壤中存在著巨大的無機碳庫問題。他們認為，西北干旱區(qū)無機碳庫是有機碳庫的2～5倍，約占全國土壤無機碳庫的60%以上，每年我國干旱性土壤中碳酸鹽截儲大氣碳的規(guī)模在1.5Tg（1Tg為1012克），即15萬噸，這對全球碳固定及大氣二氧化碳的調(diào)節(jié)很可能具有重大意義。

與此同時，中國科學(xué)院一個重點生態(tài)實驗站——新疆生態(tài)與地理研究所阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站站長、中國科學(xué)院“百人計劃”人選李彥研究員在其主持的關(guān)于準噶爾荒漠-綠洲土壤呼吸的對比實驗觀測中發(fā)現(xiàn)：荒漠鹽堿土頻繁出現(xiàn)對二氧化碳的吸收過程；采取滅菌處理剔除有機碳吸收過程后，鹽堿土仍全天吸收二氧化碳。他們初步測得的無機過程強度與有機過程強度在同一量級。干旱區(qū)無機碳匯形成的載體和通道就是農(nóng)田灌溉的洗鹽水和荒漠區(qū)洪水以及地下水，它們將土壤中的二氧化碳帶入地下咸水。干旱區(qū)咸水是比海水堿性更強的水體，可溶解大量二氧化碳，從而形成碳匯，并且這個過程幾乎是單向的，最終形成了陸地上除土壤、植物之外的第三個活動碳庫。這個碳庫可達1000 Pg，即1萬億噸。

這一發(fā)現(xiàn)立即受到國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。全球知名學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》指出：“中國西部古爾班通古特沙漠二氧化碳通量的測量得出了一個令人吃驚的結(jié)論，荒漠鹽堿土正在默默地以無機方式大量吸收二氧化碳?！?/p>

令人吃驚的還不只在此，阜康站的研究同樣關(guān)注了鹽堿土地下有機碳的固定作用，重點關(guān)注了以往被忽視的植物地下根系這個土壤有機碳研究中的關(guān)鍵點。研究人員認為，根系是重要的碳匯，是地下碳庫的重要組成部分。而土壤微生物關(guān)系著土壤碳庫和生態(tài)系統(tǒng)功能，也是陸地碳循環(huán)和營養(yǎng)循環(huán)的重要組成部分。由此，形成了對地下碳庫全面和初步的新認識。

在此基礎(chǔ)上，2008年10月，由中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所牽頭，聯(lián)合德國、比利時等國的科學(xué)家和中國科學(xué)院植物所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、蘭州大學(xué)、石河子大學(xué)的科學(xué)家，開展多項課題研究，以亞歐內(nèi)陸干旱區(qū)為對象，全面探討了碳循環(huán)過程，在試圖解決全球二氧化碳失匯問題的同時，探討增加土壤碳庫以換取工業(yè)二氧化碳減排的有效途徑。

荒漠鹽堿存玄機

在西方的古代傳說中，

普羅米修斯盜取火種，給人類的生活帶來了翻天覆地的變化。在現(xiàn)實生活中，人類從自然界的火災(zāi)中感受到了火的力量，逐漸發(fā)明了各種取火的方法，從而改變了蠻荒的生活狀態(tài)。工業(yè)革命中，蒸汽機的發(fā)明進一步改變了人類的生活。火-碳的燃燒從此始終與人類社會的發(fā)展相伴。碳排放、碳循環(huán)，從一個單純的資源利用問題，逐步發(fā)展成為資源與環(huán)境的對立統(tǒng)一問題。隨著碳的利用量的不斷攀升，碳循環(huán)也成為一個不斷變化的動態(tài)平衡。

大氣中不斷增加的二氧化碳，總歸要排放到一些地方，這些去處被科學(xué)家們稱為“碳庫”。碳庫以無機（二氧化碳）或有機（碳水化合物）的方式存在，呈現(xiàn)出一種不斷變化的平衡狀態(tài)。這個排放與存放過程，也就是碳循環(huán)的過程。

地球上的碳庫主要是兩大塊：一是占全球表面積3/4的海洋，堿性海水對二氧化碳的無機吸收約為全球的一半；二是陸地，陸地上生長的植物和埋藏的土壤有機（無機）碳為另一吸收和存儲地。

在很長時間內(nèi)，因為干旱區(qū)生命過程微弱，各國科學(xué)家忽視了干旱區(qū)土壤的固碳能力，特別是忽視了干旱區(qū)地下碳吸收的無機過程和有機過程的并重，從而影響到人們對全球碳循環(huán)的認知。

在破解“碳黑洞”問題過程中，我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，亞歐內(nèi)陸干旱區(qū)分布著世界最大和最多的內(nèi)陸河流，這些河流無法進入海洋，河水?dāng)y帶的大量鹽分不斷堆積在荒漠-綠洲復(fù)合體中，鹽漬化土壤溶液的pH值高達8.5～11，遠遠超過河流入海后海水的堿度（pH值為8.1）。這為鹽堿土不斷吸收二氧化碳增添了巨大的潛力。土壤溶液pH值每增加一個單位，鹽堿土對二氧化碳的溶解度可增加一個量級，即相當(dāng)于原來的10倍。endprint

這個過程的核心點是堿性土壤溶液對二氧化碳的吸收。土壤或植物呼吸出的二氧化碳被土壤溶液溶解，溶解的二氧化碳在洗鹽過程中被淋洗進入地下咸水。由于干旱區(qū)的農(nóng)田大多深受鹽漬化危害，所以，在當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，洗鹽是必須的一個步驟。洗鹽過程永遠伴隨著二氧化碳被淋洗進入地下咸水的過程。

當(dāng)然，土壤吸收存儲二氧化碳是一個復(fù)雜、長期的過程，還有很多問題需要深入研究，如二氧化碳進入地下咸水后與周圍土壤、巖石的相互作用等。同時，這一區(qū)域也是全球化石能源最豐富的區(qū)域之一，例如，新疆石油、煤的儲量就占到全國的30%～40%；中亞、西亞的情況也類似。在開發(fā)利用化石能源的同時，考慮這個地區(qū)的碳匯潛力意義重大。

在破解“碳黑洞”問題的同時，科學(xué)家們還解決了一個重大的科學(xué)問題，即地下碳庫中有機碳的儲量問題。過去，人們對地下有機碳的估算都以1米以內(nèi)為限。而在干旱地區(qū)，由于地面水嚴重缺乏，迫使植物轉(zhuǎn)向地下深處要水，植物由此發(fā)展出更深的根系。在干旱區(qū)，許多木本植物的地下垂直根系深達20米，水平根系可達百米上下，這些根系深度都在1米以下的植物，常形成地下生物量接近或超過地上生物量的情況，最終使得在估算有機碳時，必須進

行相應(yīng)的調(diào)整。例如，據(jù)測算，中亞5國荒漠總面積為294萬平方千米，植被總碳儲量為5.35億噸。其中，地上部分2.7億噸，占50.47%，地下部分2.65億噸，占49.53%，地上、地下碳儲量基本相當(dāng)。因此，地下有機碳過程（包括土壤與植物）對二氧化碳的吸收強度起到關(guān)鍵作用，不容忽視。根據(jù)課題組的測算，中亞干旱區(qū)總有機碳庫為71.7 Pg（相當(dāng)于717億噸），這可是一個巨大的碳庫，在全球碳循環(huán)中不可忽視，且近30 年，中亞生態(tài)系統(tǒng)累積固碳為0.36 Pg（相當(dāng)于3.6億噸）。

此外，課題組還構(gòu)建了鹽堿土二氧化碳吸收模型，進而推算出全球干旱區(qū)二氧化碳年吸收量為1.26 Pg（相當(dāng)于12.6億噸），這對尋找全球碳迷失具有重要價值。課題組的模擬結(jié)果表明，近30年來，亞歐內(nèi)陸干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)對氣候變化和人類活動響應(yīng)敏感，溫度每升高0.5℃和大氣中二氧化碳濃度每增加2ppm，碳匯強度每年每平方米將增加3.1克；降水每增加10毫米，每年每平方米增匯2克。

節(jié)能減排可助力

探討二氧化碳失匯問題，破解“碳黑洞”，在當(dāng)前應(yīng)對全球氣候變化、推行節(jié)能減排中具有重要意義。

首先，是科學(xué)上的重大意義。它證明了全球碳循環(huán)中的迷失碳，部分存在于全球最大規(guī)模的荒漠-綠洲復(fù)合體中。這個復(fù)合體蘊含了長期未受重視的碳循環(huán)問題。對地下“碳庫”的研究，創(chuàng)造性地開展了荒漠-綠洲復(fù)合體地下有機碳研究，不僅豐富了土壤碳循環(huán)的研究，實現(xiàn)了地下有機碳與鹽堿土碳過程相互作用研究的重要突破，而且對鹽堿土二氧化碳吸收的生物過程具有重要意義。

其次，對我國和歐亞干旱區(qū)的發(fā)展具有極大的現(xiàn)實意義：首先，服務(wù)于我國節(jié)能減排和碳平衡的國際談判。增加土壤碳庫被認為是換取工業(yè)二氧化碳減排的有效途徑之一。目前，關(guān)于將二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)的排放中分離出來，輸送到封存地點，與大氣隔絕的二氧化碳捕集與封存技術(shù)，正處于熱研之中，并取得很大的進展。鑒于干旱地區(qū)既是化石能源極端豐富的地區(qū)，又有鹽堿土這個巨大的地下碳庫，我國可以在國際節(jié)能減排中發(fā)揮巨大的作用。其次，重新認識干旱區(qū)鹽堿土碳吸收與水鹽運移過程，將為有“中國土地后備庫”之稱的我國西北地區(qū)后備土地開發(fā)和生態(tài)建設(shè)提供全新的理論依據(jù)。第三，推動和服務(wù)于中亞區(qū)域合作，拓展上海合作組織的科技合作，共同關(guān)注和協(xié)調(diào)解決全球變化及資源與環(huán)境問題，為歐亞干旱區(qū)的區(qū)域經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，雖然以可再生能源為主的新能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比例不斷加大，但在未來相當(dāng)長時間內(nèi)，對以碳為核心的化石能源的需求和利用，仍將呈現(xiàn)持續(xù)增加的態(tài)勢，碳的排放量還將不斷上升，因碳排放而出現(xiàn)的全球氣候變化依然處在發(fā)展之中，對全球各國和人類生活隨時會帶來許多災(zāi)難性的影響。

全球氣候變化在目前的一個顯著影響就是大氣中的水分循環(huán)加劇。與此同時，大氣的不穩(wěn)定度增加，極端的旱和澇都容易出現(xiàn)。2013年，在全球頻繁出現(xiàn)的極端氣候事件就是一個實例。但在干旱地區(qū)，因氣候變化帶來的降水的增多，為農(nóng)業(yè)開發(fā)、防沙治沙形成了良好的條件，地面植被和地下根系的增加將極大提升干旱區(qū)的固碳潛力。

以我國為例，1978～2009年，全國能源生產(chǎn)總量增長了3.37倍，雖然其中水電、核電、風(fēng)電所占份額從3.1%上升到8.7%，但化石能源所占比例仍維持在91.3%的高位。作為我國煤、石油大省區(qū)的新疆也不例外，碳排放的增加仍將是必須面對的現(xiàn)實，節(jié)能減排仍然是一項艱巨的任務(wù)。

【責(zé)任編輯】趙 菲endprint