胡文康

20世紀(jì)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(jìn)入了大規(guī)模開(kāi)發(fā)時(shí)期，人們對(duì)以碳為核心的化石能源的大量開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。如何協(xié)調(diào)環(huán)境與發(fā)展的問(wèn)題擺在了各國(guó)面前。

1992年，聯(lián)合國(guó)在巴西當(dāng)時(shí)的首都里約熱內(nèi)盧召開(kāi)了首次環(huán)境與發(fā)展大會(huì)，史無(wú)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(guò)了許多決定和公約，其中即包括《聯(lián)合國(guó)氣候變化公約》。聯(lián)合國(guó)希望通過(guò)各國(guó)政府的努力，遏制因碳排放產(chǎn)生的溫室氣體帶來(lái)的全球氣候變化問(wèn)題；后來(lái)，還成立了聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（縮寫為IPCC），召開(kāi)了多次全球氣候變化會(huì)議，制訂了《京都議定書》等多項(xiàng)具有強(qiáng)制性的全球節(jié)能減排相關(guān)規(guī)定。

四成排碳去無(wú)蹤

在太陽(yáng)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(duì)性。在全球變化研究中，碳循環(huán)是一個(gè)焦點(diǎn)，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(duì)性地制定各項(xiàng)政策和措施。然而，各國(guó)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(wèn)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(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)估算，這一數(shù)值大約有1.9Pg；后續(xù)研究又將其擴(kuò)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(gè)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(guó)科學(xué)家試圖通過(guò)大量研究工作找到“碳黑洞”。最近10～20年，科學(xué)家們針對(duì)此問(wèn)題，相繼研究了海洋、森林、草地、農(nóng)田、濕

地和土壤有機(jī)碳，除了確認(rèn)森林為微弱碳匯（碳匯是指吸收并儲(chǔ)存二氧化碳的數(shù)量）外，其他方面進(jìn)展甚微，人們?nèi)詿o(wú)法準(zhǔn)確回答“余下的碳排放去了哪里”這個(gè)問(wèn)題。

為此，在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目——“973項(xiàng)目”支持下，中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所牽頭組織了一個(gè)年輕的科學(xué)家群體，對(duì)“碳黑洞”在干旱區(qū)的可能性進(jìn)行了深入研究。

茫茫大漠覓蹤跡

當(dāng)各國(guó)科學(xué)家在全球其他地區(qū)專注于碳失匯中的有機(jī)碳失匯時(shí)，我國(guó)科學(xué)家在2002～2007年相繼提出了我國(guó)西北干旱區(qū)、干旱性土壤中存在著巨大的無(wú)機(jī)碳庫(kù)問(wèn)題。他們認(rèn)為，西北干旱區(qū)無(wú)機(jī)碳庫(kù)是有機(jī)碳庫(kù)的2～5倍，約占全國(guó)土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)的60%以上，每年我國(guó)干旱性土壤中碳酸鹽截儲(chǔ)大氣碳的規(guī)模在1.5Tg（1Tg為1012克），即15萬(wàn)噸，這對(duì)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(shí)，中國(guó)科學(xué)院一個(gè)重點(diǎn)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站——新疆生態(tài)與地理研究所阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站站長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”人選李彥研究員在其主持的關(guān)于準(zhǔn)噶爾荒漠-綠洲土壤呼吸的對(duì)比實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)：荒漠鹽堿土頻繁出現(xiàn)對(duì)二氧化碳的吸收過(guò)程；采取滅菌處理剔除有機(jī)碳吸收過(guò)程后，鹽堿土仍全天吸收二氧化碳。他們初步測(cè)得的無(wú)機(jī)過(guò)程強(qiáng)度與有機(jī)過(guò)程強(qiáng)度在同一量級(jí)。干旱區(qū)無(wú)機(jī)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(qiáng)的水體，可溶解大量二氧化碳，從而形成碳匯，并且這個(gè)過(guò)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(gè)活動(dòng)碳庫(kù)。這個(gè)碳庫(kù)可達(dá)1000 Pg，即1萬(wàn)億噸。

這一發(fā)現(xiàn)立即受到國(guó)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(guó)西部古爾班通古特沙漠二氧化碳通量的測(cè)量得出了一個(gè)令人吃驚的結(jié)論，荒漠鹽堿土正在默默地以無(wú)機(jī)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(jī)碳的固定作用，重點(diǎn)關(guān)注了以往被忽視的植物地下根系這個(gè)土壤有機(jī)碳研究中的關(guān)鍵點(diǎn)。研究人員認(rèn)為，根系是重要的碳匯，是地下碳庫(kù)的重要組成部分。而土壤微生物關(guān)系著土壤碳庫(kù)和生態(tài)系統(tǒng)功能，也是陸地碳循環(huán)和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的重要組成部分。由此，形成了對(duì)地下碳庫(kù)全面和初步的新認(rèn)識(shí)。

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

荒漠鹽堿存玄機(jī)

在西方的古代傳說(shuō)中，

普羅米修斯盜取火種，給人類的生活帶來(lái)了翻天覆地的變化。在現(xiàn)實(shí)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(jī)的發(fā)明進(jìn)一步改變了人類的生活?；?碳的燃燒從此始終與人類社會(huì)的發(fā)展相伴。碳排放、碳循環(huán)，從一個(gè)單純的資源利用問(wèn)題，逐步發(fā)展成為資源與環(huán)境的對(duì)立統(tǒng)一問(wèn)題。隨著碳的利用量的不斷攀升，碳循環(huán)也成為一個(gè)不斷變化的動(dòng)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(kù)”。碳庫(kù)以無(wú)機(jī)（二氧化碳）或有機(jī)（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(gè)排放與存放過(guò)程，也就是碳循環(huán)的過(guò)程。

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

在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，因?yàn)楦珊祬^(qū)生命過(guò)程微弱，各國(guó)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(wú)機(jī)過(guò)程和有機(jī)過(guò)程的并重，從而影響到人們對(duì)全球碳循環(huán)的認(rèn)知。

在破解“碳黑洞”問(wèn)題過(guò)程中，我國(guó)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(wú)法進(jìn)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(dá)8.5～11，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(gè)單位，鹽堿土對(duì)二氧化碳的溶解度可增加一個(gè)量級(jí)，即相當(dāng)于原來(lái)的10倍。endprint

這個(gè)過(guò)程的核心點(diǎn)是堿性土壤溶液對(duì)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(guò)程中被淋洗進(jìn)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(gè)步驟。洗鹽過(guò)程永遠(yuǎn)伴隨著二氧化碳被淋洗進(jìn)入地下咸水的過(guò)程。

當(dāng)然，土壤吸收存儲(chǔ)二氧化碳是一個(gè)復(fù)雜、長(zhǎng)期的過(guò)程，還有很多問(wèn)題需要深入研究，如二氧化碳進(jìn)入地下咸水后與周圍土壤、巖石的相互作用等。同時(shí)，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(chǔ)量就占到全國(guó)的30%～40%；中亞、西亞的情況也類似。在開(kāi)發(fā)利用化石能源的同時(shí)，考慮這個(gè)地區(qū)的碳匯潛力意義重大。

在破解“碳黑洞”問(wèn)題的同時(shí)，科學(xué)家們還解決了一個(gè)重大的科學(xué)問(wèn)題，即地下碳庫(kù)中有機(jī)碳的儲(chǔ)量問(wèn)題。過(guò)去，人們對(duì)地下有機(jī)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(yán)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(dá)20米，水平根系可達(dá)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(guò)地上生物量的情況，最終使得在估算有機(jī)碳時(shí)，必須進(jìn)

行相應(yīng)的調(diào)整。例如，據(jù)測(cè)算，中亞5國(guó)荒漠總面積為294萬(wàn)平方千米，植被總碳儲(chǔ)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(chǔ)量基本相當(dāng)。因此，地下有機(jī)碳過(guò)程（包括土壤與植物）對(duì)二氧化碳的吸收強(qiáng)度起到關(guān)鍵作用，不容忽視。根據(jù)課題組的測(cè)算，中亞干旱區(qū)總有機(jī)碳庫(kù)為71.7 Pg（相當(dāng)于717億噸），這可是一個(gè)巨大的碳庫(kù)，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(jìn)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(duì)尋找全球碳迷失具有重要價(jià)值。課題組的模擬結(jié)果表明，近30年來(lái)，亞歐內(nèi)陸干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)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(qiáng)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(wèn)題，破解“碳黑洞”，在當(dāng)前應(yīng)對(duì)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(gè)復(fù)合體蘊(yùn)含了長(zhǎng)期未受重視的碳循環(huán)問(wèn)題。對(duì)地下“碳庫(kù)”的研究，創(chuàng)造性地開(kāi)展了荒漠-綠洲復(fù)合體地下有機(jī)碳研究，不僅豐富了土壤碳循環(huán)的研究，實(shí)現(xiàn)了地下有機(jī)碳與鹽堿土碳過(guò)程相互作用研究的重要突破，而且對(duì)鹽堿土二氧化碳吸收的生物過(guò)程具有重要意義。

其次，對(duì)我國(guó)和歐亞干旱區(qū)的發(fā)展具有極大的現(xiàn)實(shí)意義：首先，服務(wù)于我國(guó)節(jié)能減排和碳平衡的國(guó)際談判。增加土壤碳庫(kù)被認(rèn)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(lái)，輸送到封存地點(diǎn)，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(jìn)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(gè)巨大的地下碳庫(kù)，我國(guó)可以在國(guó)際節(jié)能減排中發(fā)揮巨大的作用。其次，重新認(rèn)識(shí)干旱區(qū)鹽堿土碳吸收與水鹽運(yùn)移過(guò)程，將為有“中國(guó)土地后備庫(kù)”之稱的我國(guó)西北地區(qū)后備土地開(kāi)發(fā)和生態(tài)建設(shè)提供全新的理論依據(jù)。第三，推動(dòng)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(wèn)題，為歐亞干旱區(qū)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(jì)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(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，對(duì)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(shì)，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(duì)全球各國(guó)和人類生活隨時(shí)會(huì)帶來(lái)許多災(zāi)難性的影響。

全球氣候變化在目前的一個(gè)顯著影響就是大氣中的水分循環(huán)加劇。與此同時(shí)，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(gè)實(shí)例。但在干旱地區(qū)，因氣候變化帶來(lái)的降水的增多，為農(nóng)業(yè)開(kāi)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(guó)為例，1978～2009年，全國(guó)能源生產(chǎn)總量增長(zhǎng)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(guó)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(duì)的現(xiàn)實(shí)，節(jié)能減排仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

【責(zé)任編輯】趙 菲endprint