大氣中的二氧化碳濃度的確在增長，二氧化碳濃度增長的確會增強(qiáng)二氧化碳所帶來的溫室效應(yīng)。那么，這些增加的二氧化碳，和人類 的活動(dòng)有關(guān)嗎？是不是大自然自己心血來潮？在大氣二氧化碳濃度比較清楚的65萬年里面，二氧化碳濃度不也是在一直變化嗎？憑什么把現(xiàn)在的變化歸結(jié)到人類的 活動(dòng)頭上？要解釋這個(gè)疑問，我們先看看大自然自身的碳循環(huán)。
顧名思義，碳循環(huán)就是含碳的物質(zhì)在整個(gè)自然界中的循環(huán)。下面這張圖是一個(gè)碳循環(huán)的示意圖，是2006年的時(shí)候?qū)?990年代的碳循環(huán)比較完善的研究成果。 黑色的是線條和數(shù)字顯示的是大自然自身的碳循環(huán)，或者說是1750年前后的碳循環(huán)狀態(tài)，紅色的是人類所進(jìn)行的干擾。我們先看黑色的線條，也就是人類工業(yè)化 之前大自然的碳循環(huán)。圖里面使用的數(shù)字的單位，是十億噸碳，而不是二氧化碳的質(zhì)量。這是為了研究方便，因?yàn)樵谔佳h(huán)的過程中，碳的化學(xué)形態(tài)是在改變的，使 用碳作為衡量單位，比二氧化碳要方便。兩者也很方便換算，碳的原子量是12，二氧化碳的分子量是44，這樣，一噸碳，就折合3.67噸二氧化碳。另外一個(gè) 要指出的，是碳循環(huán)的波動(dòng)是很大的，每年與每年之間有很大的差別，但是長期趨勢是平衡的。這個(gè)圖里面，所列出的也就是平均值。
全球碳循環(huán)
這個(gè)圖說，沒有人類干擾的時(shí)候，大氣中的二氧化碳總量是5970億噸碳，相當(dāng)于2.2萬億噸二氧化碳。每年，平均有1200億噸碳通過光合作用被轉(zhuǎn)化成其 他形式，或者說通過光合作用被固定。光合作用把二氧化碳轉(zhuǎn)變成有機(jī)物。植物自身有呼吸作用，把一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)變成二氧化碳釋放進(jìn)入大氣，動(dòng)物吃了植物，也 會把部分有機(jī)物通過自身的呼吸作用轉(zhuǎn)變成二氧化碳釋放入大氣。一部分植物的有機(jī)物進(jìn)入土壤，土壤里面的有機(jī)物，在有氧條件下會緩慢氧化，最終也以二氧化碳 形式是放到大氣里面，或者在厭氧條件下，形成甲烷進(jìn)入大氣。植物的自然的火災(zāi)也是植物里面固定的碳進(jìn)入大氣的一個(gè)方式，不過總的來說，植物的作用基本上是 在從大氣中吸收二氧化碳的。加在一起，動(dòng)植物的呼吸作用，大約把1196億噸碳返回大氣。這就是說，植物每年可以固定碳4億噸。這些碳，會被植物保存幾十 幾百年。在工業(yè)化之前，植被和土壤里面的碳，總量是2.3萬億噸。
二氧化碳還可以部分溶解在水里面，地球的表面有70%都是海洋，這么大的水體里面，自然要溶解不少量的二氧化碳。二氧化碳在水里面的形態(tài)，可以是氣態(tài)的二 氧化碳，也有碳酸氫根離子和碳酸根離子的形式，這三者受化學(xué)平衡的制約，所以考慮的時(shí)候，把這三種化學(xué)形態(tài)的總量作為整體來考慮，這三者在一起，也有一個(gè) 專門的名詞，叫做可溶性無機(jī)碳，縮寫是DIC。同樣，溶解在海洋表面這些可溶性無機(jī)碳，也會因?yàn)橹苯优c大氣接觸，而在一定條件下把溶解的二氧化碳釋放出 來。不同溫度壓力情況下，二氧化碳在水里面的溶解度是不同的，世界各地海平面的氣壓變化相對不算大，但是溫度變化可是不小，而二氧化碳在水里面的溶解度， 隨著溫度的升高會下降。這就是說，在冬季，高緯度的地區(qū)水溫寒冷，二氧化碳在水里面的溶解度高，這樣，二氧化碳就會被海水吸收；而在低緯度地區(qū)的溫暖海 面，以及夏季的時(shí)候，二氧化碳在水里面的溶解度低，溶解在水里面的一些二氧化碳就會被釋放出來。這個(gè)現(xiàn)象，結(jié)合子午線環(huán)流，被稱為二氧化碳的溶解泵?？傮w 來說，海水對于二氧化碳的一呼一吸是基本平衡的。在工業(yè)化之前，每年海洋從大氣中吸收700億噸碳，同時(shí)釋放706億噸碳。
很顯然，新溶解在海水里面的二氧化碳基本上都在海水表層。海水表層大約有總量9000億噸的碳。在這里的二氧化碳，可以重新進(jìn)入大氣，也可能進(jìn)入深層的海 水。二氧化碳在淺層海水停留的時(shí)間，大約是幾年的樣子。海水表層還有豐富的浮游生物，總量是30億噸碳，這些水生植物可以把海水表層的二氧化碳通過光合作 用轉(zhuǎn)變成為有機(jī)質(zhì)，這個(gè)過程，被稱作二氧化碳的生物泵。這些有機(jī)質(zhì)，可以形成可溶性的有機(jī)碳，DOC，或者隨著生命體的死亡，沉到深層的海水里面。由于各 種各樣的反應(yīng)的存在，有機(jī)碳的壽命總是要短一些的，最終這些有機(jī)碳也會變成無機(jī)碳，也會有一小部分沉積在大洋底部。每年，這些浮游生物從海水表層吸收的碳 是500億噸，同時(shí)有390億噸返還給海水表層，進(jìn)入中層海水的有機(jī)碳是110億噸。
表層海水下面就是中層海水，中層海水下面就是深層海水。中層和深層海水里面，含碳量高達(dá)37.1萬億噸碳，是碳循環(huán)里面質(zhì)量比例最大的部分。淺層海水向中 層海水輸送無機(jī)碳的速率，是每年902億噸，大約是淺層海水碳總量的十分之一，不過同時(shí)中層海水也向淺層海水輸送無機(jī)碳，速率是每年1010億噸。不同層 的海水的混合速度很慢，中層海水的混合需要幾十年上百年的時(shí)間來進(jìn)行，而深層的海水則需要上千年的時(shí)間來完成。最終會有一些碳沉積在海洋底部，速率大約在 每年2億噸的樣子。沉積在海底表面的碳，總量是1500億噸。這些數(shù)字可以看出海洋對于吸收二氧化碳來講，容量是非常大的，不過要注意，由于不同層的海水 之間進(jìn)行交換的時(shí)間尺度很不同，在考慮海水吸收二氧化碳的效果的時(shí)候，需要考慮擴(kuò)散到各層的時(shí)間因素。
生物泵和溶解泵一起構(gòu)成了海水的碳循環(huán)。在全球范圍來考慮，影響這個(gè)碳循環(huán)的因素非常非常多，比如洋流情況，海水表面溫度情況，鹽度，各個(gè)層的分布，當(dāng)然 還不能忽視冰蓋的影響，海水中溶解的營養(yǎng)物質(zhì)的數(shù)量，也會直接影響生物泵的運(yùn)行情況，不同地區(qū)的浮游生物的種類等等，也對這個(gè)碳循環(huán)的復(fù)雜性有所貢獻(xiàn)。
已經(jīng)很熱鬧了？還有呢。陸地上的碳循環(huán)，與海洋的碳循環(huán)也不是獨(dú)立的。河流是在向海洋輸送碳的。這里面大多數(shù)是無機(jī)碳，也有少數(shù)的有機(jī)碳，又可以溶解在水 里面的，也有一些顆粒形狀的。這個(gè)量，每年大約是8億噸碳。這8億噸碳里面，大約有4億噸碳來自植物，另外有2億噸碳左右是河水從大氣吸收的二氧化碳，還 有大約2億噸碳是河水從巖石表面得到的二氧化碳。這個(gè)量不同年度是有很大變化的，不過長期平均下來還是有規(guī)律的，可以平衡的。除此之外，還有一些規(guī)模更小 的行為也在碳循環(huán)之內(nèi)，比如土壤里面的碳的形態(tài)的轉(zhuǎn)變，巖石的風(fēng)化、沉積，這些都是在很長的地質(zhì)時(shí)間里面才會顯現(xiàn)出作用來的。
當(dāng)然不能忘了火山噴發(fā)?；鹕絿姲l(fā)的時(shí)候，會有大量原本在地球深處的二氧化碳進(jìn)入大氣。不過這些現(xiàn)象加在一起，從1750年到現(xiàn)在，對于碳循環(huán)所作的貢獻(xiàn)， 是平均每年不到1億噸碳。反對大氣增加的二氧化碳主要來自人類活動(dòng)這個(gè)觀點(diǎn)的一個(gè)常見說法是夸大火山噴發(fā)所噴出的二氧化碳的總量，不過從所觀測到的火山所 噴發(fā)的二氧化碳的量，平均下來，并沒有這些反對者聲稱的這么多。
這里可以看出大自然的碳循環(huán)總量是非常大的，陸地和海洋的兩個(gè)碳循環(huán)，每年交換的碳總量達(dá)到1900億噸碳，折合二氧化碳總量7000億噸。而大自然中的碳總量更是驚人，達(dá)到了41萬億噸碳，折合二氧化碳150萬億噸。人類的活動(dòng)真的能對這么大量的碳循環(huán)造成影響嗎？
人類在制造二氧化碳這個(gè)事情是毋庸置疑的。進(jìn)入工業(yè)時(shí)代之后，大量化石能源的使用，人們把幾千萬年前幾億年前地球存儲下來的碳都從地底下挖了出來，燒掉， 這些化石燃料的最主要排放形式，就是進(jìn)入大氣。工業(yè)時(shí)代的人類建造各種建筑、設(shè)施所使用的水泥，也需要焚燒大量的石灰?guī)r，也向大氣排放二氧化碳。同時(shí)，人 類對于森林的破壞也日加嚴(yán)重，這樣，人們又把幾十幾百年來大自然所沉積的二氧化碳也用很快的速度釋放了出來。不過，人類究竟每年在排放多少二氧化碳呢？這 個(gè)問題上，AR4給出的結(jié)論是：
在最近幾十年里，CO2排放持續(xù)增加?；?石燃料燃燒產(chǎn)生的全球二氧化碳年排放量，從20世紀(jì)90年代的平均每年64±4億噸碳增加到2000至2005年間的每年72±3億噸碳。與土地利用變化 相關(guān)的CO2排放量估算值，在20世紀(jì)90年代平均每年可能排放5～27億噸碳，中值為16億噸碳。{2.3, 6.4, 7.3, FAQ 7.1}
按照AR4引用的數(shù)字，在1980年代，人類使用的化石能源與水泥行業(yè)排放的二氧化碳，平均在每年54億噸碳，折合二氧化碳是198億噸。到了1990年 代，這個(gè)數(shù)字就已經(jīng)上升到平均每年64億噸碳，折合二氧化碳235億噸。AR4所估計(jì)的2000-2005年間，平均碳排已經(jīng)達(dá)到每年72億噸碳，折合二 氧化碳264億噸。
人類行為造成的土地改變，主要是森林減少，所排放的二氧化碳數(shù)量，估算的誤差仍然非常大。比如1980年代的年平均碳排，從4億噸碳一直到23億噸碳都 有，AR4采納的數(shù)值是14億噸碳，比TAR的時(shí)候使用的17億噸要少。1990年代的平均碳排，AR4采納的數(shù)值是16億噸碳，變化范圍在5億到27億 噸之間。這個(gè)情況說明土地改變帶來的二氧化碳排放的估算仍然是非常不準(zhǔn)確的，這應(yīng)該是在整個(gè)碳循環(huán)的估算里面，誤差最大的一塊。
大氣究竟增加了多少二氧化碳呢？前面一直在講濃度的變化，這實(shí)際上是體積濃度的變化。質(zhì)量增加了多少呢？按照AR4里面提供的數(shù)據(jù)，在1980年代，平均 每年大氣中二氧化碳增加了33億噸碳，在1990年代，平均每年大氣中二氧化碳增加32億噸碳。在2000-2005年，平均每年大氣中二氧化碳增加41 億噸碳。這些數(shù)字都是明顯小于人類使用化石能源和水泥業(yè)所排放的二氧化碳的。如果考慮到人類對土地改變的影響，大氣中增加的二氧化碳所占人類行為所排放的 二氧化碳還要更低一點(diǎn)。下面這個(gè)圖左圖最上方的黑線，就顯示了如果人類使用化石能源和水泥業(yè)所排放的二氧化碳都停留在大氣里面，大氣的濃度每年應(yīng)該增加多 少。實(shí)際增加的量，是圖下方的柱圖，中間的黑線是實(shí)際增加量的五年平均。
全球二氧化碳濃度的變化
1990年代的碳循環(huán)
現(xiàn)在再來看這個(gè)碳循環(huán)圖。紅線是人類活動(dòng)造成的影響。到1990年代，人類使用化石能源一共排放了2440億噸碳。與工業(yè)化之前的1750年比較，大氣中 的二氧化碳總量，已經(jīng)增加了1650億噸碳，從5970億噸增加到7620億噸，增加幅度是28%，是變化幅度最大的。這方面的數(shù)字，來自大氣中二氧化碳 濃度的變化。海洋呢？淺層海水的碳總量，已經(jīng)從9000億噸，增加了180億噸碳，達(dá)到9180億噸碳，增加了2%，這與大氣吸收二氧化碳較慢的速度相符 合。淺層海水中的浮游生物由于與大氣中的二氧化碳濃度相關(guān)性小，與海水中的二氧化碳濃度關(guān)系更大一些，所以目前還沒有顯著影響，保持基本不變。中深層海水 增加了1000億噸的碳，增加幅度0.3%，與二氧化碳進(jìn)入這個(gè)層次海水的漫長周期相一致。海底沉積物還沒觀察到顯著的碳的變化。陸地呢？陸地上的碳總量 估計(jì)比較復(fù)雜，這個(gè)圖里面列出的，是由于土地改變，造成了1400億噸碳的流失，同時(shí)因?yàn)榇髿庵卸趸紳舛仍黾樱瑢?dǎo)致陸地吸收碳的能力增加，而造成了 1010億噸碳的儲備增加，兩者相減，凈值是土地流失了390億噸碳。這樣，人類所增排的這2440億噸碳里面，有1650億噸仍然停留在大氣中，180 億噸被淺層海水吸收，1000億噸被中深層海水吸收，而土地的變化，實(shí)際上也減少了390億噸的碳儲存。
動(dòng)態(tài)的結(jié)論呢？1990年代平均，每年增加二氧化碳排放64億噸，其中26億噸被陸地吸收，同時(shí)有16億噸被陸地釋放，造成陸地凈收支是吸收每年10億噸 碳。淺層海水則每年增加吸收二氧化碳222億噸，多釋放200億噸，同時(shí)每年增加了16億噸的碳進(jìn)入中深層海水。這個(gè)比較可以看出，相對地球自身龐大的碳 循環(huán)來講，每一年，人類對于這個(gè)循環(huán)的貢獻(xiàn)還是微不足道的。但是人類工業(yè)化已經(jīng)進(jìn)行了250年，特別是最近的半個(gè)世紀(jì)，人類的碳排增加迅速，日積月累下 來，就已經(jīng)對大自然的碳循環(huán)造成了顯著的影響。這方面，AR4給出了結(jié)論：
來自化石燃料使用以及土地利用變化對植物 和土壤碳影響所產(chǎn)生的CO2排放是大氣CO2增加的主要來源。據(jù)估算，自1750年以來，排放到大氣中的CO2大約有三分之二來自化石燃料燃燒，三分之一 來自土地利用變化。這些CO2大約有45%留存在大氣中，30%被海洋吸收，其余的被陸地生物圈吸收。排放到大氣中的CO2，大約一半在30年里被清 除，30%在幾百年里被清除，其余的20%通常將在大氣中留存數(shù)千年。{7.3}
需要注意的是，這個(gè)動(dòng)態(tài)的結(jié)果只是一個(gè)平均數(shù)，不同年間大氣中二氧化碳的清除的速率本身差異還是很大的。這里面，主要的變化來自陸地對二氧化碳的吸收能力的變化，植物的生長受氣候的影響非常大，所以不同的年份，陸地對大氣中二氧化碳的吸收能力變化很大。
