高中地球科學/碳迴圈

碳是一個非常重要的元素。它不是宇宙中最豐富的元素，甚至不是地球上最豐富的元素，但它是人體中第二豐富的元素。你離不開碳。如果你吃的食物含有蛋白質、碳水化合物或脂肪，那麼它就含有碳。當你的身體分解食物以產生能量時，你會撥出二氧化碳。碳也是地球上一個非常重要的元素。碳由環境提供，在生物體中移動，然後又回到環境中。當所有這些都處於平衡狀態時，生態系統也保持平衡。在本節中，讓我們跟蹤一個碳原子在許多年中的路徑，看看會發生什麼。

氮也是一種非常重要的元素。氮必須被轉化為一種有用的形式，以便植物能夠生長。沒有“固定”的氮，植物和動物就不能像我們現在所知的那樣存在。

教學目標

• 描述碳透過光合作用和呼吸作用的短期迴圈過程。
• 識別碳匯和碳源。
• 描述碳的短期和長期儲存。
• 描述人類活動如何幹擾自然碳迴圈。
• 描述氮迴圈。

碳的短期迴圈

碳的短期迴圈始於二氧化碳和光合作用過程。我們的大氣主要由氮氣和氧氣組成，但空氣中也含有少量的二氧化碳。植物和藻類利用二氧化碳，以及水和來自陽光的能量來製造它們自己的食物。這是一個每天都在你周圍發生的奇蹟。植物和藻類有能力將二氧化碳中的無機碳轉化為有機碳，即食物。這是我們根本做不到的！想象一下如果你試圖吃一塊珊瑚或貝殼與我們吃糖時會發生的事情之間的區別。我們無法從岩石碎片中獲得能量，但你知道糖在我們的身體中轉化為能量的速度有多快。

透過光合作用，二氧化碳加水以及來自陽光的能量被轉化為食物，氧氣作為廢物被釋放出來。化學家為不同型別的化學反應寫下簡寫方程式。光合作用的方程式如下（圖 18.14）

這裡發生的驚人轉變是將來自陽光的能量轉化為植物和動物可以作為食物利用的化學能（圖 18.15）。

圖 18.15：這張碳迴圈圖顯示了一個碳原子可能存在的某些位置。黑色數字表示各種儲層中儲存的碳量，以十億噸計（“GtC”代表十億噸碳；數字約為 2004 年）。紫色數字表示每年在儲層之間移動的碳量。該圖中定義的沉積物不包括約 7000 萬 GtC 的碳酸鹽巖和乾酪根。

碳的長期迴圈

如上所述，如果植物吸收二氧化碳來製造食物，然後被動物吃掉，動物反過來又撥出二氧化碳，那麼單個碳原子可能迴圈得非常快。碳也可以以化學能的形式儲存在植物或動物的細胞中。如果發生這種情況，碳將作為構成植物或動物的有機物質的一部分被儲存起來，直到它死亡。有時，當植物或動物死亡時，它會腐爛，碳被釋放回環境中。其他時候，生物的有機物質會被掩埋，並在數百萬年內轉化為煤炭、石油或天然氣。當這種情況發生時，可能需要數百萬年才能使碳再次可用。

碳長期儲存的另一種方式是當碳被海洋生物利用時。許多海洋生物使用碳酸鈣 (CaCO₃) 來製造它們的貝殼或製造珊瑚動物生活的珊瑚礁材料。當藻類死亡時，它們的有機物質會成為海洋沉積物的一部分，這些沉積物可能會在海底停留許多年。在數百萬年內，當大洋地殼在深海海溝中被消耗時，這些相同的海洋沉積物會被迫下沉到地幔中。當海洋沉積物融化形成岩漿時，二氧化碳最終會在火山噴發時釋放出來。

碳匯和碳源

我們可以將生態系統中使用並返還碳的不同區域視為碳源和碳匯。碳源是碳進入環境並可供生物利用的地方。環境中可用碳的一種來源是動物撥出二氧化碳。因此，透過呼吸作用新增到我們大氣中的二氧化碳是一種碳源。碳匯是儲存碳的地方，因為吸收的二氧化碳多於排放的二氧化碳。健康的活著的森林和我們的海洋充當碳匯。

在自然情況下，大氣中二氧化碳的含量非常低。這意味著我們可以快速改變大氣中二氧化碳的含量。科學家可以使用困在冰川冰中的氣泡中的資料來確定工業革命之前二氧化碳的自然水平，當時人類開始大量使用化石燃料。對氣泡中不同氣體測量的結果表明，二氧化碳的自然水平約為百萬分之 280。如今，我們大氣中二氧化碳的含量為百萬分之 388，而且這個數字每年都在上升。五十年來，科學家們一直在遠離任何大型陸地的太平洋中部進行測量。該資料的圖表（圖 18.16）顯示，二氧化碳的含量一直在穩步上升。

圖 18.16：在莫納羅亞天文臺測量的二氧化碳大氣濃度的基林曲線。

人類活動對碳迴圈的影響

人類改變了碳迴圈的自然平衡，因為我們使用煤炭、石油和天然氣來滿足我們的能源需求。請記住，在自然迴圈中，構成煤炭、石油和天然氣的碳將被儲存數百萬年。當我們燃燒煤炭、石油或天然氣時，我們在燃燒過程中釋放了儲存的碳。這意味著化石燃料的燃燒也是一種碳源。

丙烷（一種簡單的烴）燃燒的方程式如下（圖 18.17）

該方程式表明，當丙烷燃燒時，它會消耗氧氣，結果是二氧化碳和水。因此，每次我們燃燒化石燃料時，我們都會增加大氣中二氧化碳的含量。二氧化碳被新增到我們大氣中的另一種方式是透過砍伐樹木，稱為森林砍伐（圖 18.18）。樹木是巨大的植物，它們在活著的時候自然會使用二氧化碳。當我們砍伐樹木時，我們失去了它們吸收二氧化碳的能力，我們還將儲存在樹木中的碳釋放到環境中。健康的活著的森林充當碳匯，但當我們砍伐它們時，它們就成了碳源。

圖 18.18：墨西哥的這片森林已經被砍伐並焚燒，為農業清理了森林土地。

煤炭、石油和天然氣以及碳酸鹽巖和海洋沉積物是碳自然迴圈的長期碳匯。當人類開採和使用這些資源時，燃燒使它們成為碳源。

碳迴圈的重要性

你可能想知道為什麼科學家研究碳迴圈，或者為什麼我們會對我們大氣中如此少量的二氧化碳感到擔憂。二氧化碳是一種溫室氣體（圖 18.19）。我們大氣中的不同氣體吸收紅外能量，即太陽反射光線的較長波長。這些氣體保留了否則會輻射到太空中的熱量。隨著熱量被保留在我們的大氣中，它會使地球變暖。這就像溫室裡發生的事情一樣。構成溫室的玻璃會保留否則會輻射出去的熱量。

圖 18.19：該圖解釋了溫室氣體在我們大氣中的作用。

當我們的大氣層比自然情況下儲存更多的熱量時，就會產生全球變暖。隨著地球持續變暖，可能會出現很多潛在的影響。一種可能性是當前的天氣模式將會改變。由於降雨區域發生變化，我們將無法在相同的地區種植作物，這將影響我們的糧食生產能力。另一種可能性是我們的極地冰蓋會融化。我們已經看到了今天正在發生的事情。全世界的冰川都在融化並後退。另一個可能的影響是，一些植物和動物物種可能會滅絕。北極熊最近被列入瀕危物種名單，因為它們需要海冰才能狩獵（圖 18.20）。

圖 18.20：北極熊依賴海冰狩獵。

隨著大陸冰川融化，會導致海平面上升，這將導致低窪沿海地區發生洪水。這將是一個大問題，因為我們許多最大的城市都位於沿海地區。

氮迴圈

氮（N₂）作為有機物質的必需成分，對地球上的生命也至關重要。氮存在於所有氨基酸、蛋白質和核酸（如 DNA 和 RNA）中。植物中的葉綠素分子（用於透過光合作用創造食物，形成食物網的基礎）含有氮。

儘管氮是空氣中最豐富的元素，但它並不以植物可以利用的形式存在。為了變得有用，氮必須被“固定”，或轉化為更可用的形式。儘管一些氮被閃電或藍藻固定，但大部分是由土壤中的細菌修飾的。這些細菌將氮與氧或氫結合，形成硝酸鹽或氨。

固氮細菌要麼自由生活，要麼與豆科植物（豌豆、豆類、花生）形成共生關係。共生細菌利用植物中的碳水化合物生產對植物有用的氨。植物利用這種固定的氮來構建氨基酸、核酸（DNA、RNA）和葉綠素。當這些豆科植物死亡時，它們所含的固定氮會使土壤肥沃。

動物吃植物組織並製造動物組織。在植物或動物死亡後或動物排洩廢物後，土壤中的細菌和一些真菌會固定有機氮並將其以氨的形式返回土壤。硝化細菌將氨氧化為亞硝酸鹽，其他細菌將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽，可以被下一代植物利用。這樣，氮不需要返回到氣體狀態。在沒有氧氣的條件下，一些細菌可以將硝酸鹽還原為分子氮。

氮迴圈

可用的氮有時是限制生態系統中可以生長多少生物的因素。現代農業實踐透過向土壤中新增氮肥來提高植物生產力。這可能會有意想不到的後果，因為過量的化肥會從土地上流失，最終進入水中，然後導致池塘、湖泊和近岸海洋區域的硝化作用。此外，來自化肥的氮可能以一氧化二氮或氨的形式返回大氣，這兩種物質都有有害影響。一氧化二氮會導致臭氧層破壞，而氨會導致煙霧和酸雨。

課程總結

• 碳迴圈始於光合作用過程，該過程將無機碳轉化為有機碳。
• 我們的森林區域和海洋是碳匯。當碳被困在海洋沉積物中或化石燃料中時，它會儲存數百萬年。
• 人類透過燃燒化石燃料改變了自然碳迴圈，化石燃料會釋放二氧化碳到大氣中。燃燒化石燃料和森林砍伐是碳源。
• 大氣中二氧化碳增加的一個可能後果是全球變暖。
• 氮迴圈始於大氣中的氮氣，然後透過固氮微生物進入植物、動物、分解者和土壤。

複習問題

1. 描述光合作用的過程。
2. 碳如何很快地迴圈迴環境中？
3. 說出兩種碳在自然迴圈中長期儲存的方式。
4. 描述什麼是碳匯和什麼是碳源，並分別舉一個例子。
5. 說出人類干擾自然碳迴圈的兩種方式。
6. 我們需要大氣中的二氧化碳嗎？
7. 全球變暖會影響你的一生嗎？
8. 當碳迴圈受到干擾時，解決方案是什麼？

詞彙

藻類

海洋中的光合生物；包括單細胞生物和海藻。

碳水化合物

為身體提供能量的有機化合物；包括糖、澱粉和纖維素。

碳匯

生態系統中吸收的二氧化碳多於釋放的區域。

碳源

生態系統中釋放的二氧化碳多於吸收的區域。

森林砍伐

在森林地區砍伐和/或焚燒樹木。

溫室氣體

像二氧化碳這樣的氣體，可以吸收並保持來自太陽的紅外輻射的熱量。

全球變暖

由於大氣中增加額外的溫室氣體而導致地球變暖。

碳氫化合物

只含有氫和碳的有機化合物。

光合作用

植物和藻類利用二氧化碳、水和陽光的能量來生產自己的食物的過程。