1、碳循环与全球气候变化储雪蕾联系电话：82998417E-mail: 中国科学院地质与地球物理研究所2016 . 12一、碳同位素与碳循环1 基础知识碳是地球上生命赖以存在的基础，在有机体中碳含量达20，是生物圈中最重要的元素。海洋覆盖地球表面的70以上，是最大的活动性碳库。在大气中，碳元素主要以二氧化碳形式存在，此外还有少量甲烷、一氧化碳和其他含碳气体。自然界稳定的碳同位素有两种：12C和13C，丰度分别为98.892%和1.108%。自然界中的碳Mass and carbon isotope composition of major reservoirs.Anderson (1983)（腐殖
2、质）60,000,00015,000,000（有机碳粒）主要碳库有四个：1）沉积岩中的无机碳；2）沉积岩中的有机碳；3）海洋中溶解的无机碳；4）化石燃料。沉积岩是最主要的碳库，占90。Carbon cycle, showing amounts, fluxes and 13C values of different reservoirs.Sundquistand Visser(2014) in The Geologic History of the Carbon CycleSundquistand Visser(2014) in The Geologic History of the Carbo
3、n CycleSundquistand Visser (2014) in The Geologic History of the Carbon CycleHoughton (2014) in The Contemporary Carbon CycleHoughton (2014) in The Contemporary Carbon Cycle碳库的交换（表生环境）：1) 大气/海洋CO2 （最主要的交换反应，可逆过程）2) 大气/陆上植物 (光合作用，不可逆过程）3) 海洋生物的光合作用(它虽不是直接与大气CO2作用，但最终对大气CO2的13C值有影响，不可逆过程）大气/海洋CO2的交换量是
4、最大的，然而因为陆地生物和海洋生物的光合作用之和大于等于大气/海洋CO2的交换量，所以生物光合作用对于地球表面碳库变化的影响也非常大。CO2 + H2O CH2O + O2光合作用呼吸作用CaCO3 + SiO2CaSiO3+ CO2风化作用变质作用控制碳循环的重要的化学反应影响大气CO2含量和13C值波动的主要因素：1. 陆地生物的光合作用（主要是吸收大气CO2和固轻碳作用）2. 化石燃料的燃烧（进入大气主要排放12CO2进入大气）3. 陆地火山爆发（主要排放CO2进入大气，但对大气13C值影响很小）4. 大陆岩石的风化和侵蚀（主要是消耗大气CO2）全球海洋碳库的变化（海洋碳库的小的波动会对
5、大气碳库具有决定性的影响，但相对而言，海洋碳库变化小，因而一般是起稳定或缓冲的作用）。海洋总溶解无机碳（TDC）的13C值在大约0，沉积的碳酸盐的13C值大约0，而有机物在大约-25。显生宙海洋碳同位素变化曲线Veizer et al. (1999) in Chem. Geol.水中无机碳的同位素组成由溶解的CO2形式决定1）二氧化碳的化学平衡：H2O + CO2 H2CO3H2CO3 H+ HCO3-HCO3- H+ CO32-CaCO3 Ca2+ CO32-2）pH值的影响：海水：pH 8.5，海水中的无机碳的99%是以HCO3-形态存在的。淡水：pH 5 7，水中的无机碳主要为HCO3-
6、和H2CO3，通常河水比之海水的更富集轻碳。海洋有机碳及生物泵作用生物泵生存于海洋上层透光层的海洋浮游生物的光合作用，使海洋无机碳被固定，形成富轻碳同位素的有机物。这些有机颗粒以粪粒或动植物遗体的方式下沉，产生一个穿过等重面的“碳流”，从而留下表层海水同位素偏重（+1 +3）。这样，海洋表层富含轻碳同位素的营养物质不断地输送到深海，这就是生物泵的作用。有机物下沉中，由于呼吸作用（在细菌作用下降解、氧化）而重新矿化，产生轻碳同位素的CO32-，使得深水中碳含量大大超过表层海水，并含有更多的营养物质，它们是由生物泵带入的。深水上涌通常可引起海水表层浮游植物的增加，引起更多的碳固定在有机物中。在现代
7、氧化的深海，百分九十九的海洋生物都降解并重新矿化了。McNichol and Druffel(1992)的报道从海水表面向下，溶解无机碳的13C值在总体上逐渐减小。在水深900米处是海水氧含量最小带（OMZ），由于有机物的溶解，使得此处海水溶解无机碳的13C值最小。从1000米以下，海底环流使海水氧含量又有上升，活的生物量又有所增加，生物摄取的12C增加，引起海水溶解无机碳的13C值又上升。1987年6月北太平洋海水13C剖面1光合作用2有机碳沉降把碳等生源物质向海底输运生物泵海洋碳酸盐的13C值与埋藏有机碳量的关系当海洋生物量高使得被埋藏的有机碳量的增加时，意味着从海水中清除轻碳同位素（12
8、C）增加，这样，海洋库溶解的无机碳同位素组成变重，引起海洋沉积无机碳酸盐的13C值增加。反之，海洋生物量低使得被埋藏的有机碳量减少，意味着从海水中清除轻碳同位素（12C）减少，这样，海洋库溶解的无机碳同位素组成变轻，引起海洋沉积无机碳酸盐的13C值降低。Kump (1991), Kump and Arthur (1999)显生宙海相碳酸盐岩的碳同位素变化显生宙input= orgorg+ (1 org)carbIsotope Mass Balanceorg: fractional burial of organic carbon(1 org): fractional burial of carbonate carbonorg: 13C of organic carboncarb: 13C of carbonate carbon杠杆原理
