高中地球科学/碳循环

碳是一个非常重要的元素。它不是宇宙中最丰富的元素，甚至不是地球上最丰富的元素，但它是人体中第二丰富的元素。你离不开碳。如果你吃的食物含有蛋白质、碳水化合物或脂肪，那么它就含有碳。当你的身体分解食物以产生能量时，你会呼出二氧化碳。碳也是地球上一个非常重要的元素。碳由环境提供，在生物体中移动，然后又回到环境中。当所有这些都处于平衡状态时，生态系统也保持平衡。在本节中，让我们跟踪一个碳原子在许多年中的路径，看看会发生什么。

氮也是一种非常重要的元素。氮必须被转化为一种有用的形式，以便植物能够生长。没有“固定”的氮，植物和动物就不能像我们现在所知的那样存在。

教学目标

• 描述碳通过光合作用和呼吸作用的短期循环过程。
• 识别碳汇和碳源。
• 描述碳的短期和长期储存。
• 描述人类活动如何干扰自然碳循环。
• 描述氮循环。

碳的短期循环

碳的短期循环始于二氧化碳和光合作用过程。我们的大气主要由氮气和氧气组成，但空气中也含有少量的二氧化碳。植物和藻类利用二氧化碳，以及水和来自阳光的能量来制造它们自己的食物。这是一个每天都在你周围发生的奇迹。植物和藻类有能力将二氧化碳中的无机碳转化为有机碳，即食物。这是我们根本做不到的！想象一下如果你试图吃一块珊瑚或贝壳与我们吃糖时会发生的事情之间的区别。我们无法从岩石碎片中获得能量，但你知道糖在我们的身体中转化为能量的速度有多快。

通过光合作用，二氧化碳加水以及来自阳光的能量被转化为食物，氧气作为废物被释放出来。化学家为不同类型的化学反应写下简写方程式。光合作用的方程式如下（图 18.14）

这里发生的惊人转变是将来自阳光的能量转化为植物和动物可以作为食物利用的化学能（图 18.15）。

图 18.15：这张碳循环图显示了一个碳原子可能存在的某些位置。黑色数字表示各种储层中储存的碳量，以十亿吨计（“GtC”代表十亿吨碳；数字约为 2004 年）。紫色数字表示每年在储层之间移动的碳量。该图中定义的沉积物不包括约 7000 万 GtC 的碳酸盐岩和干酪根。

碳的长期循环

如上所述，如果植物吸收二氧化碳来制造食物，然后被动物吃掉，动物反过来又呼出二氧化碳，那么单个碳原子可能循环得非常快。碳也可以以化学能的形式储存在植物或动物的细胞中。如果发生这种情况，碳将作为构成植物或动物的有机物质的一部分被储存起来，直到它死亡。有时，当植物或动物死亡时，它会腐烂，碳被释放回环境中。其他时候，生物的有机物质会被掩埋，并在数百万年内转化为煤炭、石油或天然气。当这种情况发生时，可能需要数百万年才能使碳再次可用。

碳长期储存的另一种方式是当碳被海洋生物利用时。许多海洋生物使用碳酸钙 (CaCO₃) 来制造它们的贝壳或制造珊瑚动物生活的珊瑚礁材料。当藻类死亡时，它们的有机物质会成为海洋沉积物的一部分，这些沉积物可能会在海底停留许多年。在数百万年内，当大洋地壳在深海海沟中被消耗时，这些相同的海洋沉积物会被迫下沉到地幔中。当海洋沉积物融化形成岩浆时，二氧化碳最终会在火山喷发时释放出来。

碳汇和碳源

我们可以将生态系统中使用并返还碳的不同区域视为碳源和碳汇。碳源是碳进入环境并可供生物利用的地方。环境中可用碳的一种来源是动物呼出二氧化碳。因此，通过呼吸作用添加到我们大气中的二氧化碳是一种碳源。碳汇是储存碳的地方，因为吸收的二氧化碳多于排放的二氧化碳。健康的活着的森林和我们的海洋充当碳汇。

在自然情况下，大气中二氧化碳的含量非常低。这意味着我们可以快速改变大气中二氧化碳的含量。科学家可以使用困在冰川冰中的气泡中的数据来确定工业革命之前二氧化碳的自然水平，当时人类开始大量使用化石燃料。对气泡中不同气体测量的结果表明，二氧化碳的自然水平约为百万分之 280。如今，我们大气中二氧化碳的含量为百万分之 388，而且这个数字每年都在上升。五十年来，科学家们一直在远离任何大型陆地的太平洋中部进行测量。该数据的图表（图 18.16）显示，二氧化碳的含量一直在稳步上升。

图 18.16：在莫纳罗亚天文台测量的二氧化碳大气浓度的基林曲线。

人类活动对碳循环的影响

人类改变了碳循环的自然平衡，因为我们使用煤炭、石油和天然气来满足我们的能源需求。请记住，在自然循环中，构成煤炭、石油和天然气的碳将被储存数百万年。当我们燃烧煤炭、石油或天然气时，我们在燃烧过程中释放了储存的碳。这意味着化石燃料的燃烧也是一种碳源。

丙烷（一种简单的烃）燃烧的方程式如下（图 18.17）

该方程式表明，当丙烷燃烧时，它会消耗氧气，结果是二氧化碳和水。因此，每次我们燃烧化石燃料时，我们都会增加大气中二氧化碳的含量。二氧化碳被添加到我们大气中的另一种方式是通过砍伐树木，称为森林砍伐（图 18.18）。树木是巨大的植物，它们在活着的时候自然会使用二氧化碳。当我们砍伐树木时，我们失去了它们吸收二氧化碳的能力，我们还将储存在树木中的碳释放到环境中。健康的活着的森林充当碳汇，但当我们砍伐它们时，它们就成了碳源。

图 18.18：墨西哥的这片森林已经被砍伐并焚烧，为农业清理了森林土地。

煤炭、石油和天然气以及碳酸盐岩和海洋沉积物是碳自然循环的长期碳汇。当人类开采和使用这些资源时，燃烧使它们成为碳源。

碳循环的重要性

你可能想知道为什么科学家研究碳循环，或者为什么我们会对我们大气中如此少量的二氧化碳感到担忧。二氧化碳是一种温室气体（图 18.19）。我们大气中的不同气体吸收红外能量，即太阳反射光线的较长波长。这些气体保留了否则会辐射到太空中的热量。随着热量被保留在我们的大气中，它会使地球变暖。这就像温室里发生的事情一样。构成温室的玻璃会保留否则会辐射出去的热量。

图 18.19：该图解释了温室气体在我们大气中的作用。

当我们的大气层比自然情况下储存更多的热量时，就会产生全球变暖。随着地球持续变暖，可能会出现很多潜在的影响。一种可能性是当前的天气模式将会改变。由于降雨区域发生变化，我们将无法在相同的地区种植作物，这将影响我们的粮食生产能力。另一种可能性是我们的极地冰盖会融化。我们已经看到了今天正在发生的事情。全世界的冰川都在融化并后退。另一个可能的影响是，一些植物和动物物种可能会灭绝。北极熊最近被列入濒危物种名单，因为它们需要海冰才能狩猎（图 18.20）。

图 18.20：北极熊依赖海冰狩猎。

随着大陆冰川融化，会导致海平面上升，这将导致低洼沿海地区发生洪水。这将是一个大问题，因为我们许多最大的城市都位于沿海地区。

氮循环

氮（N₂）作为有机物质的必需成分，对地球上的生命也至关重要。氮存在于所有氨基酸、蛋白质和核酸（如 DNA 和 RNA）中。植物中的叶绿素分子（用于通过光合作用创造食物，形成食物网的基础）含有氮。

尽管氮是空气中最丰富的元素，但它并不以植物可以利用的形式存在。为了变得有用，氮必须被“固定”，或转化为更可用的形式。尽管一些氮被闪电或蓝藻固定，但大部分是由土壤中的细菌修饰的。这些细菌将氮与氧或氢结合，形成硝酸盐或氨。

固氮细菌要么自由生活，要么与豆科植物（豌豆、豆类、花生）形成共生关系。共生细菌利用植物中的碳水化合物生产对植物有用的氨。植物利用这种固定的氮来构建氨基酸、核酸（DNA、RNA）和叶绿素。当这些豆科植物死亡时，它们所含的固定氮会使土壤肥沃。

动物吃植物组织并制造动物组织。在植物或动物死亡后或动物排泄废物后，土壤中的细菌和一些真菌会固定有机氮并将其以氨的形式返回土壤。硝化细菌将氨氧化为亚硝酸盐，其他细菌将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，可以被下一代植物利用。这样，氮不需要返回到气体状态。在没有氧气的条件下，一些细菌可以将硝酸盐还原为分子氮。

氮循环

可用的氮有时是限制生态系统中可以生长多少生物的因素。现代农业实践通过向土壤中添加氮肥来提高植物生产力。这可能会有意想不到的后果，因为过量的化肥会从土地上流失，最终进入水中，然后导致池塘、湖泊和近岸海洋区域的硝化作用。此外，来自化肥的氮可能以一氧化二氮或氨的形式返回大气，这两种物质都有有害影响。一氧化二氮会导致臭氧层破坏，而氨会导致烟雾和酸雨。

课程总结

• 碳循环始于光合作用过程，该过程将无机碳转化为有机碳。
• 我们的森林区域和海洋是碳汇。当碳被困在海洋沉积物中或化石燃料中时，它会储存数百万年。
• 人类通过燃烧化石燃料改变了自然碳循环，化石燃料会释放二氧化碳到大气中。燃烧化石燃料和森林砍伐是碳源。
• 大气中二氧化碳增加的一个可能后果是全球变暖。
• 氮循环始于大气中的氮气，然后通过固氮微生物进入植物、动物、分解者和土壤。

复习问题

1. 描述光合作用的过程。
2. 碳如何很快地循环回环境中？
3. 说出两种碳在自然循环中长期储存的方式。
4. 描述什么是碳汇和什么是碳源，并分别举一个例子。
5. 说出人类干扰自然碳循环的两种方式。
6. 我们需要大气中的二氧化碳吗？
7. 全球变暖会影响你的一生吗？
8. 当碳循环受到干扰时，解决方案是什么？

词汇

藻类

海洋中的光合生物；包括单细胞生物和海藻。

碳水化合物

为身体提供能量的有机化合物；包括糖、淀粉和纤维素。

碳汇

生态系统中吸收的二氧化碳多于释放的区域。

碳源

生态系统中释放的二氧化碳多于吸收的区域。

森林砍伐

在森林地区砍伐和/或焚烧树木。

温室气体

像二氧化碳这样的气体，可以吸收并保持来自太阳的红外辐射的热量。

全球变暖

由于大气中增加额外的温室气体而导致地球变暖。

碳氢化合物

只含有氢和碳的有机化合物。

光合作用

植物和藻类利用二氧化碳、水和阳光的能量来生产自己的食物的过程。