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破解“碳黑洞”之谜

2016-11-18 09:41:10

20世纪下半叶,随着新技术的发展,自然资源,特别是化石能源进入了大规模开发时期,人们对以碳为核心的化石能源的大量开发,导致了一系列严重的环境问题。如何协调环境与发展的问题摆在了各国面前。

1992年,联合国在巴西当时的首都里约热内卢召开了首次环境与发展大会,史无前例地将环境与发展放到一起,试图寻找一条协调两者关系的途径,并就此通过了许多决定和公约,其中即包括《联合国气候变化公约》。联合国希望通过各国政府的努力,遏制因碳排放产生的温室气体带来的全球气候变化问题;后来,还成立了联合国政府间气候变化专门委员会(缩写为IPCC),召开了多次全球气候变化会议,制订了《京都议定书》等多项具有强制性的全球节能减排相关规定。

四成排碳去无踪

在太阳系中,目前已知碳仅存在于地球上,它是生命存在和发展的基本元素,是参与地球水热平衡的基本要素。碳平衡则依据排放量的多少存在相对性。在全球变化研究中,碳循环是一个焦点,其中,碳平衡是其核心。在节能减排中,人们必须首先了解碳的排放量及其去向,才能有针对性地制定各项政策和措施。然而,各国科学家在全球碳平衡研究和估算中发现,排放的二氧化碳中有近40%去向不明。这就是全球变化与碳循环领域的“二氧化碳失汇”问题,科学家们形象地称之为“碳黑洞”。

失汇的碳究竟有多少呢?联合国政府间气候变化专门委员会估算,这一数值大约有1.9Pg;后续研究又将其扩大到2Pg以上。其中Pg为度量单位,1Pg相当于1015克,即10亿吨。2 Pg即每年碳失汇量有20亿吨,这是一个十分巨大的数值,大约相当于全球碳排放量的40%。由此,各国科学家试图通过大量研究工作找到“碳黑洞”。最近1020年,科学家们针对此问题,相继研究了海洋、森林、草地、农田、湿地和土壤有机碳,除了确认森林为微弱碳汇(碳汇是指吸收并储存二氧化碳的数量)外,其他方面进展甚微,人们仍无法准确回答“余下的碳排放去了哪里”这个问题。

为此,在国家重点基础研究发展计划项目——“973项目”支持下,中国科学院新疆生态与地理研究所牵头组织了一个年轻的科学家群体,对“碳黑洞”在干旱区的可能性进行了深入研究。

茫茫大漠觅踪迹

当各国科学家在全球其他地区专注于碳失汇中的有机碳失汇时,我国科学家在20022007年相继提出了我国西北干旱区、干旱性土壤中存在着巨大的无机碳库问题。他们认为,西北干旱区无机碳库是有机碳库的25倍,约占全国土壤无机碳库的60%以上,每年我国干旱性土壤中碳酸盐截储大气碳的规模在1.5Tg1Tg1012克),即15万吨,这对全球碳固定及大气二氧化碳的调节很可能具有重大意义。

与此同时,中国科学院一个重点生态实验站——新疆生态与地理研究所阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站站长、中国科学院“百人计划”人选李彦研究员在其主持的关于准噶尔荒漠-绿洲土壤呼吸的对比实验观测中发现:荒漠盐碱土频繁出现对二氧化碳的吸收过程;采取灭菌处理剔除有机碳吸收过程后,盐碱土仍全天吸收二氧化碳。他们初步测得的无机过程强度与有机过程强度在同一量级。干旱区无机碳汇形成的载体和通道就是农田灌溉的洗盐水和荒漠区洪水以及地下水,它们将土壤中的二氧化碳带入地下咸水。干旱区咸水是比海水碱性更强的水体,可溶解大量二氧化碳,从而形成碳汇,并且这个过程几乎是单向的,最终形成了陆地上除土壤、植物之外的第三个活动碳库。这个碳库可达1000 Pg,即1万亿吨。

这一发现立即受到国际学术界的广泛关注。全球知名学术刊物《科学》指出:“中国西部古尔班通古特沙漠二氧化碳通量的测量得出了一个令人吃惊的结论,荒漠盐碱土正在默默地以无机方式大量吸收二氧化碳。”

令人吃惊的还不只在此,阜康站的研究同样关注了盐碱土地下有机碳的固定作用,重点关注了以往被忽视的植物地下根系这个土壤有机碳研究中的关键点。研究人员认为,根系是重要的碳汇,是地下碳库的重要组成部分。而土壤微生物关系着土壤碳库和生态系统功能,也是陆地碳循环和营养循环的重要组成部分。由此,形成了对地下碳库全面和初步的新认识。

在此基础上,200810月,由中国科学院新疆生态与地理研究所牵头,联合德国、比利时等国的科学家和中国科学院植物所、中国农业大学、兰州大学、石河子大学的科学家,开展多项课题研究,以亚欧内陆干旱区为对象,全面探讨了碳循环过程,在试图解决全球二氧化碳失汇问题的同时,探讨增加土壤碳库以换取工业二氧化碳减排的有效途径。

荒漠盐碱存玄机

在西方的古代传说中,普罗米修斯盗取火种,给人类的生活带来了翻天覆地的变化。在现实生活中,人类从自然界的火灾中感受到了火的力量,逐渐发明了各种取火的方法,从而改变了蛮荒的生活状态。工业革命中,蒸汽机的发明进一步改变了人类的生活。火-碳的燃烧从此始终与人类社会的发展相伴。碳排放、碳循环,从一个单纯的资源利用问题,逐步发展成为资源与环境的对立统一问题。随着碳的利用量的不断攀升,碳循环也成为一个不断变化的动态平衡。

大气中不断增加的二氧化碳,总归要排放到一些地方,这些去处被科学家们称为“碳库”。碳库以无机(二氧化碳)或有机(碳水化合物)的方式存在,呈现出一种不断变化的平衡状态。这个排放与存放过程,也就是碳循环的过程。

地球上的碳库主要是两大块:一是占全球表面积3/4的海洋,碱性海水对二氧化碳的无机吸收约为全球的一半;二是陆地,陆地上生长的植物和埋藏的土壤有机(无机)碳为另一吸收和存储地。

在很长时间内,因为干旱区生命过程微弱,各国科学家忽视了干旱区土壤的固碳能力,特别是忽视了干旱区地下碳吸收的无机过程和有机过程的并重,从而影响到人们对全球碳循环的认知。

在破解“碳黑洞”问题过程中,我国科学家发现,亚欧内陆干旱区分布着世界最大和最多的内陆河流,这些河流无法进入海洋,河水携带的大量盐分不断堆积在荒漠-绿洲复合体中,盐渍化土壤溶液的pH值高达8.511,远远超过河流入海后海水的碱度(pH值为8.1)。这为盐碱土不断吸收二氧化碳增添了巨大的潜力。土壤溶液pH值每增加一个单位,盐碱土对二氧化碳的溶解度可增加一个量级,即相当于原来的10倍。

这个过程的核心点是碱性土壤溶液对二氧化碳的吸收。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盐过程中被淋洗进入地下咸水。由于干旱区的农田大多深受盐渍化危害,所以,在当地的农业生产中,洗盐是必须的一个步骤。洗盐过程永远伴随着二氧化碳被淋洗进入地下咸水的过程。

当然,土壤吸收存储二氧化碳是一个复杂、长期的过程,还有很多问题需要深入研究,如二氧化碳进入地下咸水后与周围土壤、岩石的相互作用等。同时,这一区域也是全球化石能源最丰富的区域之一,例如,新疆石油、煤的储量就占到全国的30%~40%;中亚、西亚的情况也类似。在开发利用化石能源的同时,考虑这个地区的碳汇潜力意义重大。

在破解“碳黑洞”问题的同时,科学家们还解决了一个重大的科学问题,即地下碳库中有机碳的储量问题。过去,人们对地下有机碳的估算都以1米以内为限。而在干旱地区,由于地面水严重缺乏,迫使植物转向地下深处要水,植物由此发展出更深的根系。在干旱区,许多木本植物的地下垂直根系深达20米,水平根系可达百米上下,这些根系深度都在1米以下的植物,常形成地下生物量接近或超过地上生物量的情况,最终使得在估算有机碳时,必须进行相应的调整。例如,据测算,中亚5国荒漠总面积为294万平方千米,植被总碳储量为5.35亿吨。其中,地上部分2.7亿吨,占50.47%,地下部分2.65亿吨,占49.53%,地上、地下碳储量基本相当。因此,地下有机碳过程(包括土壤与植物)对二氧化碳的吸收强度起到关键作用,不容忽视。根据课题组的测算,中亚干旱区总有机碳库为71.7 Pg(相当于717亿吨),这可是一个巨大的碳库,在全球碳循环中不可忽视,且近30 年,中亚生态系统累积固碳为0.36 Pg(相当于3.6亿吨)。

此外,课题组还构建了盐碱土二氧化碳吸收模型,进而推算出全球干旱区二氧化碳年吸收量为1.26 Pg(相当于12.6亿吨),这对寻找全球碳迷失具有重要价值。课题组的模拟结果表明,近30年来,亚欧内陆干旱区生态系统碳动态对气候变化和人类活动响应敏感,温度每升高0.5℃和大气中二氧化碳浓度每增加2ppm,碳汇强度每年每平方米将增加3.1克;降水每增加10毫米,每年每平方米增汇2克。

节能减排可助力

探讨二氧化碳失汇问题,破解“碳黑洞”,在当前应对全球气候变化、推行节能减排中具有重要意义。

首先,是科学上的重大意义。它证明了全球碳循环中的迷失碳,部分存在于全球最大规模的荒漠-绿洲复合体中。这个复合体蕴含了长期未受重视的碳循环问题。对地下“碳库”的研究,创造性地开展了荒漠-绿洲复合体地下有机碳研究,不仅丰富了土壤碳循环的研究,实现了地下有机碳与盐碱土碳过程相互作用研究的重要突破,而且对盐碱土二氧化碳吸收的生物过程具有重要意义。

其次,对我国和欧亚干旱区的发展具有极大的现实意义:首先,服务于我国节能减排和碳平衡的国际谈判。增加土壤碳库被认为是换取工业二氧化碳减排的有效途径之一。目前,关于将二氧化碳从工业或相关的排放中分离出来,输送到封存地点,与大气隔绝的二氧化碳捕集与封存技术,正处于热研之中,并取得很大的进展。鉴于干旱地区既是化石能源极端丰富的地区,又有盐碱土这个巨大的地下碳库,我国可以在国际节能减排中发挥巨大的作用。其次,重新认识干旱区盐碱土碳吸收与水盐运移过程,将为有“中国土地后备库”之称的我国西北地区后备土地开发和生态建设提供全新的理论依据。第三,推动和服务于中亚区域合作,拓展上海合作组织的科技合作,共同关注和协调解决全球变化及资源与环境问题,为欧亚干旱区的区域经济和环境协调发展奠定科学基础。

随着世界经济的不断发展,虽然以可再生能源为主的新能源在能源结构中所占比例不断加大,但在未来相当长时间内,对以碳为核心的化石能源的需求和利用,仍将呈现持续增加的态势,碳的排放量还将不断上升,因碳排放而出现的全球气候变化依然处在发展之中,对全球各国和人类生活随时会带来许多灾难性的影响。

全球气候变化在目前的一个显著影响就是大气中的水分循环加剧。与此同时,大气的不稳定度增加,极端的旱和涝都容易出现。2013年,在全球频繁出现的极端气候事件就是一个实例。但在干旱地区,因气候变化带来的降水的增多,为农业开发、防沙治沙形成了良好的条件,地面植被和地下根系的增加将极大提升干旱区的固碳潜力。

以我国为例,19782009年,全国能源生产总量增长了3.37倍,虽然其中水电、核电、风电所占份额从3.1%上升到8.7%,但化石能源所占比例仍维持在91.3%的高位。作为我国煤、石油大省区的新疆也不例外,碳排放的增加仍将是必须面对的现实,节能减排仍然是一项艰巨的任务。

 

说明

在本文完成过程中,作者胡文康因病去世。该文后续写作及修改由中国科学院新疆生态与地理研究所项目组的专家完成。

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