2024年4月1日发(作者：野恺歌)
全球碳循环：
从基本的科学问题
到国家的绿色担当
0轰联合
大气
C0:
浓度不断増高导致全球气温明显上升，作为影响大
气
CO:
浓度的重要过程，碳循环成为全球气候变化研究的焦点
.
碳平衡是其中的核
to
问题
.
它由碳固定与碳释放两个过程组成，
促进碳固定.减少碳释放是全人类共同面临的环境命题
大气中二氧化碳（
co
2)、臭氧（〇3)、甲烷（
ch
4)、
氧化亚氮（
NO
)等浓度的增加，就像在地球周围大气中
罩了一层玻璃，使得太阳福射到地表的热量难以向空中
散发，导致近地表的温度增高，造成温室效应。其中，
最重要的因素是
C
02浓度的増高，
co
2有吸热和隔热
的特点，因此也被称为温室气体。最近的150年来，大
气（：02浓度已从28〇
xl
〇_8上升到40〇
xl
〇_8,导致全
球平均气温上升了约〇.7°
C
,灾害性天气频发，且强度加
大。大量科学论证表明，如果大气温度上升超过2°
C
，
地球上的生命将岌岌可危。
2015年12月22日，美国国家航空航天局（
NASA
)
公布了首张全球
co
2分布图，其中中低纬度部分地区
的大气
C
02浓度突破了 400
x
1〇_8。2019年5月夏
威夷莫纳罗亚天文台观测到大气层
co
2浓度达到了
415.26
XHT
8,这是人类有史以来首见。
全世界的科学家已达成共识：
co
2排放增加会
导致全球气候变暖、极端天气增多，从而使南北极积
雪融化、海平面上升、极端旱涝灾害频发、沿海三角洲
被淹没等。根据100个野外站点的观察，科学家们估
计，从2003年到2017年，全球变暖导致的北部多年
冻土层融化释放的碳，比植被吸收的量平均每年多出
6x l
〇
n
千克。
姜联合：高级工程师，中国科学院植物研究所，北京
100093
。
****************.cn
Jiang Lianhe: Senior Engineer, Institute of Botany, Chinese
Academy of Sciences. Beijing 100093.
知识讲堂
COMPASS
f
到目前为止，人类使用煤炭、石油、天然气等化石燃
料所产生的以
co
2为主的温室气体排放，被认为是导
致近150年来大气
C
02浓度急剧上升和全球变暖的主
要推手。
大气co2的监测
对大气中
co
2的监测一般通过气象站、气象球、
探测飞机和探测卫星完成。2009年，日本发射了世界
首颗温室气体观测卫星（
GOSAT
)。2014年美国发射
了碳卫星（
OCO
-2),并于2015年发布了首张全球
C
02
数据图像。
2016年12月22日，我国在酒泉卫星发射中心用
长征二号丁运载火箭，成功将我国首颗全球
co
2监测
科学实验卫星
TANSAT
，简称*‘碳卫星”或‘嗅碳卫星”）
发射升空。2018年4月，由该碳卫星获取的第一幅全
球(：02分布图对外公布，该图有助于准确监测
C
02的
时空变化、排放与吸收情况，通过深人研究
co
2变化情
况与全球变暖的关系，可以帮助我们在未来对气候变化
做出精确预测。
碳循坏中的堪本概念
碳循环是指碳元素在地球的生物圈、岩石圈、水圈
及大气圈中交换，并随地球运动循环往复的现象，其全
球循环过程就是大气中
co
2被陆地和海洋中的植物吸
匪
)
l^^pFsCIENCE
收，又通过生物或地质过程以及人类活动，以
C
02形式
返回大气。它包括碳固定与碳释放两个阶段，前者是从
大气吸收
co
2的过程，称为碳汇；后者是向大气释放
令球的碳循环过稅
碳固定包括有机碳固定、无机碳固定，以及人类通
过各种技术方法对碳的固定。有机碳固定是指绿色植
物从空气中获取
co
2,经过光合作用转化为葡萄糖，再
合成为植物体的碳化合物，经过食物链的传递，成为动
物体的碳化合物。无机碳固定包括海水溶解部分大气
中
co
2，干旱区盐碱土吸收
co
2，以及碳质岩的形成（即
雨水和地下水吸收大气中<:〇2成为碳酸，碳酸又把石
co
2的过程，称为碳源。其中，森林碳汇是指森林植物
通过光合作用将大气中
co
2吸收并固定在植被与土壤
中；林业碳汇是指通过植树造林、加强森林经营管理、
减少毁林、保护和恢复森林植被等活动，加强吸收和固
定大气中
co
2，以及按照相关规则进行与碳汇交易相结
合的过程、活动或机制。
地下深层
(
赠
)
全球碳循环过程示意①〜⑧
为碳释放过程，1〜6为碳固定过程
EE 2021 年1 月 73 卷1 期：:•
灰岩变为可溶态的重碳酸盐流入海洋。而海水中的碳
酸盐和重碳酸盐含量是饱和的，接纳了新输入碳酸盐
后便有等量的碳酸盐沉积下来。通过成岩过程形成石
灰岩、白云石和碳质岩）。人类固定
C
02的技术有：在
地下深层埋藏
co
2,通过高温高压反应将
co
2合成为
其他碳化合物。
碳释放包括：①有机体碳释放，即植物和动物（包
括微生物）的呼吸作用把通过光合作用积累在体内的
—部分碳转化为
co
2释放进大气，构成生物体或贮存
在生物体内的碳，在生物体死亡后通过微生物分解作
用转变为
co
2,最终排入大气。大气中的
co
2平均每
7年通过光合作用与陆地生物圈交换1次。②燃料化
石碳释放，一部分动植物残体在被分解之前即被沉积
物所掩埋，而成为有机沉积物，经过悠长的年代，它们在
热能和压力作用下转变成矿物燃料—煤、石油和天
然气等。当它们在风化过程中或作为燃料燃烧时，其中
的碳氧化成<：02排入大气。人类消耗大量矿物燃料对
碳循环产生了重大影响，全世界每年燃烧煤炭、石油和
天然气化石燃料，以及水泥生产等释放到大气中的碳
为5.3
xl
〇12千克
m
。③在化学和物理因素作用下，石灰
岩、白云石和碳质页岩被分解，所含的碳又以
C
02形式
释放入大气中。碳质岩的破坏在短时期内对碳循环的
影响虽不大，但对全球几百万年尺度时间里的碳平衡却
是重要的。④大气、河流和海洋之间的
co
2交换，这种
交换发生在气和水的交界面，由于风和波浪的作用而加
强，且这两个方向流动的
C
02量大致相等，大气与河流
和海洋之间碳交换量为丨.02
xl
〇15千克。
全球碳痄的分布和储量
在全球碳循环过程中，碳库是指地球系统各个存储
碳的部分，主要分为大气碳库、陆地碳库、海洋碳库和岩
石碳库等。其中，大气碳库储量
7.5
X
1014
千克；陆地
碳库中植被碳库有6.
lxl
〇14千克，土壤（包括腐殖质）
碳库
1.58
X
1015
千克，所以土壤碳库在全球碳平衡中具
有重要作用；海洋碳库4><丨〇16千克，是地球上最大的
碳库，包括生物群落的储量3
xl
〇12千克、地壳沉淀物的
储量1.5
xlOM
千克、溶解性有机碳的储量7
xl
〇14千克，
以及中层及深层海洋中的储量3.8丨
x
1〇16千克。
2018年，科学家发现湿地虽然仅占陆地面积5%_
知识讲堂
COMPASS
J
3
8%,却保存了陆地生态系统约35%的碳库
m
。其中，
泥炭湿地甚至能保存1.3万年前的有机碳，包括植物和
动物的残体。然而，由于气候变化和土地利用变化，全
球大约有一半的湿地正受到水位下降的威胁。人为排
水或千旱造成的水位下降，很可能将湿地由碳汇变成碳
源。但在野外观测中，土壤有机碳库对湿地水位降低或
干旱的响应并不统一，其调控因素还有待进一步研究。
co2失汇
科学家在进行全球碳平衡研究和估算中发现，排
放的
C
02有近20%去向不明，这就是全球变化与碳循
环领域的
C
02失汇，8卩“碳黑洞”问题。失汇量约每
年
（1.8~3.1)
xl
〇12
千克丨1，3,4]。
研究发现，干旱区盐碱土对
co
2失汇起着重要作
用。在以往的认识中，无论昼夜，由于土壤生物的呼吸
作用，任何生态系统的土壤呼吸放出
co
2的量均为正
值，这一过程是
co
2释放的过程。我国学者在新疆进
行盐碱土荒漠生态系统土壤呼吸研究时，发现夜间的土
壤呼吸频繁出现负值[5]，经与箱式法的测定结果比较，
确认那里的盐碱土呼吸在夜间出现
co
2负通量。为证
实这一表观吸收是否为真实的负通量，又采用纯石英
沙、盐碱土溶液、高温灭菌后的盐碱土分别进行呼吸的
测定，发现石英沙没有出现
co
2负通量，但盐碱土溶
液、高温灭菌后的盐碱土均出现
co
2负通量，从而进一
步证实了盐碱土可以吸收空气中的
co
2。
美国科学家在美国加利福尼亚莫哈维沙漠
(Mojave
Desert
)也发现了类似现象，证实荒漠生态
系统盐碱土可以吸收
co
2。鉴于千旱区盐碱土在全
世界分布广泛，它们可能是陆地生态系统另一个重要
碳库，并被认为部分地解释了碳黑洞现象，从而引起
科学界广泛关注[6]。
我国学者最终发现，干旱区盐碱土不仅可以吸收
co
2，并且
co
2最终被储存到了地下咸水层中。荒漠-
绿洲复合体与海洋类似，具有吸收
co
2功能，甚至更
大，从而使之成为除海洋之外又一具重要意义的碳汇
区。研究揭示了无机碳汇形成的载体和通道：碳通过
绿洲区农田灌溉淋洗和荒漠区洪水，以及地下水的波
动，被带入地下咸水层，地下咸水层是干旱区物质的最
终归宿地。无机碳的载体是灌溉洗盐的水，水接触盐碱
iE^BTsCIENCE
土变为咸水，咸水溶解、携带大量
CO
:渗入地
下咸水层，从而形成碳汇。就其属性特征和形
成特点看，这个无机碳汇（库）更接近海洋，而
非陆地的土壤和植物碳汇（库）。实测数据显
示，全球沙漠下咸水层的可溶性无机碳的碳含
量是海水中的2倍多，估计全球干旱区每年可
娜
白夭
0.8
。:―量
吸收
CO
:量
以固定碳1.85
X
1012千克[71。
森林和海洋在碳循环屮的调节作川
森林的光合和呼吸作用与大气之间的年
碳交换量占到陆地生态系统总量的70%181，主
导着全球陆地碳循环的动态。与其他生态系
统类型相比较，森林生态系统具有较高的碳贮
存密度。森林植被具有较强的生存持续性和结构与功
能的稳定性，在生物地球化学循环中起着重要的调节作
用。全球森林每年总碳汇为
2.4
X
1012
千克，相当于全球
化石燃料碳排放量的一半，陆地碳汇基本来自森林191。
近年来，科学家发现，陆地生态系统固碳是减缓
大气
co
2浓度升高最经济可行的途径，中国陆地生态
系统在过去几十年中一直扮演着重要的碳汇角色，
2001—2010年间，陆地生态系统年均固碳2.01
x
l
〇
n
千克，相当于抵消了同期中国化石燃料碳排放量的
14.1%。其中，中国森林生态系统是固碳的主体，贡献
了约80%的固碳量，农田和灌丛生态系统分别贡献
了 12%和8%,草地生态系统的碳收支基本处于平衡。
科学研究表明，人类的有效干预能提高陆地生态系统
的固碳能力。例如，我国的重大生态工程（天然林保
护工程、退耕还林工程、退耕还草工程、长江和珠江防
护林工程等）和秸秆还田的农田管理措施，分别贡献
了中国陆地生态系统固碳总量的36.8% (7.4
x
1(
V
°
千克）和 9.9% ( 2.0
x
1〇|()千克）"°1。
海洋覆盖了地球表面的70.8%,是地球上最重要
的“碳汇”聚集地。海洋通过波浪涌动溶解大气中
co2
，生物量巨大的海藻，其光合功能亦能吸收大量
co2
，海洋中的可溶性钙盐与碳酸结合，可以在海底形
成大面积的碳沉积。
据测算，地球上每年化石燃料燃烧产生的
C
O
2，约
13%为陆地植被吸收，35%为海洋所吸收，其余部分暂
存于大气中，海洋的固碳能力约为4
xl
〇15千克，年新增
Eg 2021年1月 73卷1期>
春 夏秋冬
不同类型森林生态系统在不同季节的夜昼植被固碳
能力
以每平米吸收
co
2的量来计算，单位是毫克/秒
储存能力（5-6)
X
1015千克[11]。所以，森林与海洋是大
气
C
02的两个重要调节器。
我丨葡住应对全球气候变化中的报当
全球气候及环境变化影晌到人类社会的可持续
发展，2009年12月在丹麦哥本哈根召开的世界气
候大会（官方正式名称是：《联合国气候变化框架公
约》缔约方第15次会议）的任务就是在如何减少和
控制温室气体排放问题上达成协议，并以此作为2012
年《京都议定书》第一阶段结束后的后续方案。我
国在会上承诺，到2020年，单位
GDP
的
C
02排放比
2005 年下降 40%_45%。
2015年12月，在巴黎气候变化大会上通过的《巴
黎气候变化协定》，其目标是在21世纪中，将全球平均
气温较工业化之前的升幅控制在2.0°
C
以内，最理想的
情况是控制在1.5°
C
以内。该协定于2016年11月4日
正式生效，明确要求世界各国要加强对气候变化威胁的
全球应对，推动各方以“自主贡献”方式参与全球应对
气候变化行动，以此来降低温室气体排放，减缓全球升
温速率[12]。全球未来碳排放目标是：到2050年，全
球减排50%，发达国家减排80% ;全球累计排放最多
4.16乂1〇|4千克，人均累计排放最多5.3><1〇4千克，发达
国家和发展中国家人均累计排放分别为8.
lxl
〇4千克
和 4.7
M
04 千克[13]。
无论是森林固碳，还是干旱区盐碱土固碳，中国生
态系统可抵消化石燃料总排放的1/3, 1981—2000年，
知识讲堂
COMPASS
f
化石燃料释放的碳量为1.32
X
1013千克，生态系统吸收
ocean. Nature, 1993,365: 119-125.
的碳量为（3.5-4.6)
X
1012千克，相当于化石碳排放量
4 IPCC. Climate change 1994: radiative forcing of climate change
and an evaluation of the IPCC IS92 emission scenarios. Cambridge
的27%—34%。中国陆地生态系统的碳汇目前已经高
UK: Cambridge University Press, 1994.
于欧洲、低于北美1141。
|5, Stone R. Have desert researchers discovered a hidden loop in the
2015年，我国提出了 2030年应对气候变化行动
carbon cycle? Science, 2008, 320: 1409-1410.
㈤
倪思洁，丁佳
.
寻找迷失于沙漠的碳汇
.
中国科学报，
2015-8-3.
目标，推动社会转型升级。当年单位
GDP
的<：02排
[7j
齐芳
.
我科学家证实盐碱土能吸收二氧化碳，光明日报，
2013-
放比2005年下降了 60%—65%,非化石能源占一次
11-27(6).
能源消费比重达到20%左右，森林蓄积量比2005年
l8
Waring R H, Schlesinger W H. Forest ecosystems: concepts and
management. San Diego: Academic Press, 1985.
増加了 45亿米3。我国积极推进应对气候变化国际
[9 Liu Y C, Yu G R, Wang Q F, et al. Huge carbon sequestration
合作和全球气候治理进程，全面推进低碳发展，超额
potential in global forests. J Resour Ecol, 2012, 3(3): 193-201.
完成应对气候变化的目标任务，扭转了多年来<:〇2排
L10
」方靖云
.
中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化的碳
收支认证及相关问题
”.
经济日报，
2018-04-22.
放快速增长的局面，展现了对构建人类命运共同体的
[11]
李乃胜
.
发扬海洋低碳技术，挖掘海洋固碳能力
.
经济日报，
担当
VI
。
2011-5-24(12).
[12:
郭静原
.
寻踪
“
碳
”
秘有了中国依据，经济日报，
20184-2.
“碳与环境”成为全球关注的问题，“碳与环境和
[13]
方精云，王少鹏，岳超，等
.“
八国集团
” 2009
意大利峰会减
生活的关系”不仅是科学家的问题，也是公众关心的问
排目标下的全球碳排放情景分析
.
中国科学（地球科学
),2009,
题，涉及国家可持续发展和入民生活的方方面面。
39(10): 1339-1346.
'14 Piao S L, Fang J Y, Ciais P, et al. The carbon balance of terrestrial
ecosystems in China. Nature, 2009, 458: 1009-1013.
[1 Tans P P, Fung I Y, Takahashi T. Observational constrains on the
[15]
新华社
.
强化应对气候变化行动一中国国家自主贡献.新华
global atmospheric C02 budget. Science, 1990, 247: 1431-1438.
网
[2015-06-30]. /politics/2015-06/30/
[2:
雷光春
.
湿地保护：应对全球气候变化的自然解决方案.光明日
c_.
报，
2019-2-2(8).
[v3 ] Siegenthaler U, Sramiento J L. Atmospheric carbon dioxide and the
关键词：
C0
2碳循环绿色生活可持续发展
■
中国科学家实现
"量子计算优越性”
里程碑式突破
[本刊讯]中国科学技术大学潘
建伟、陆朝阳研究团队与中国科学院
上海微系统研究所、国家并行计算机
潘建伟团队在光量子信息处理方 大规模扩展能力的量子光源，并实现
工程技术研究中心合作，构建了 76个
面一直处于国际领先水平：2017年
全连通、随机矩阵、相位稳定、波包重
光子的量子计算原型机“九章”，实现
构建了世界首台超越早期经典计算机
合度优于99.5%、通过率高于98%的
了“高斯玻色取样”任务的快速求解，
ENIAC
的光量子计算原型机；2019
国际最大规模干涉仪，高效率100通
比目前最快的超级计算机快100万亿
年进一步研制了确定性偏振、高纯
道超导纳米线单光子探测器。最终，
倍。该成果使我国达到了量子计算研
度、高全同性和高效率的当时国际最
成功构建76光子100模式的高斯玻
究的第一个里程碑：量子计算优越性，
高性能的单光子源,实现了 20光子输
色取样量子计算原型机“九章”，实现
即在特定任务上的计算能力远超目前
人60模式干涉线路的玻色取样，输出
了量子计算优越性。
最先进的经典超级计算机。论文于
复杂度相当于48个量子比特的希尔
之所以将这台新量子计算原型机
2020年丨2月4日以“首次发布
”（First
伯特态空间。
命名为“九章”，是为纪念中国古代最
Release)
形式在线发表于《科学》
此次工作，研究团队自主研制出同
早的数学著作《九章算术》。
(
Sc
/
ence
), 2020年12月18曰正式见刊
c
时具备高效率、高全同性、极高亮度和
(王晋岚）
2024年4月1日发(作者：野恺歌)
全球碳循环：
从基本的科学问题
到国家的绿色担当
0轰联合
大气
C0:
浓度不断増高导致全球气温明显上升，作为影响大
气
CO:
浓度的重要过程，碳循环成为全球气候变化研究的焦点
.
碳平衡是其中的核
to
问题
.
它由碳固定与碳释放两个过程组成，
促进碳固定.减少碳释放是全人类共同面临的环境命题
大气中二氧化碳（
co
2)、臭氧（〇3)、甲烷（
ch
4)、
氧化亚氮（
NO
)等浓度的增加，就像在地球周围大气中
罩了一层玻璃，使得太阳福射到地表的热量难以向空中
散发，导致近地表的温度增高，造成温室效应。其中，
最重要的因素是
C
02浓度的増高，
co
2有吸热和隔热
的特点，因此也被称为温室气体。最近的150年来，大
气（：02浓度已从28〇
xl
〇_8上升到40〇
xl
〇_8,导致全
球平均气温上升了约〇.7°
C
,灾害性天气频发，且强度加
大。大量科学论证表明，如果大气温度上升超过2°
C
，
地球上的生命将岌岌可危。
2015年12月22日，美国国家航空航天局（
NASA
)
公布了首张全球
co
2分布图，其中中低纬度部分地区
的大气
C
02浓度突破了 400
x
1〇_8。2019年5月夏
威夷莫纳罗亚天文台观测到大气层
co
2浓度达到了
415.26
XHT
8,这是人类有史以来首见。
全世界的科学家已达成共识：
co
2排放增加会
导致全球气候变暖、极端天气增多，从而使南北极积
雪融化、海平面上升、极端旱涝灾害频发、沿海三角洲
被淹没等。根据100个野外站点的观察，科学家们估
计，从2003年到2017年，全球变暖导致的北部多年
冻土层融化释放的碳，比植被吸收的量平均每年多出
6x l
〇
n
千克。
姜联合：高级工程师，中国科学院植物研究所，北京
100093
。
****************.cn
Jiang Lianhe: Senior Engineer, Institute of Botany, Chinese
Academy of Sciences. Beijing 100093.
知识讲堂
COMPASS
f
到目前为止，人类使用煤炭、石油、天然气等化石燃
料所产生的以
co
2为主的温室气体排放，被认为是导
致近150年来大气
C
02浓度急剧上升和全球变暖的主
要推手。
大气co2的监测
对大气中
co
2的监测一般通过气象站、气象球、
探测飞机和探测卫星完成。2009年，日本发射了世界
首颗温室气体观测卫星（
GOSAT
)。2014年美国发射
了碳卫星（
OCO
-2),并于2015年发布了首张全球
C
02
数据图像。
2016年12月22日，我国在酒泉卫星发射中心用
长征二号丁运载火箭，成功将我国首颗全球
co
2监测
科学实验卫星
TANSAT
，简称*‘碳卫星”或‘嗅碳卫星”）
发射升空。2018年4月，由该碳卫星获取的第一幅全
球(：02分布图对外公布，该图有助于准确监测
C
02的
时空变化、排放与吸收情况，通过深人研究
co
2变化情
况与全球变暖的关系，可以帮助我们在未来对气候变化
做出精确预测。
碳循坏中的堪本概念
碳循环是指碳元素在地球的生物圈、岩石圈、水圈
及大气圈中交换，并随地球运动循环往复的现象，其全
球循环过程就是大气中
co
2被陆地和海洋中的植物吸
匪
)
l^^pFsCIENCE
收，又通过生物或地质过程以及人类活动，以
C
02形式
返回大气。它包括碳固定与碳释放两个阶段，前者是从
大气吸收
co
2的过程，称为碳汇；后者是向大气释放
令球的碳循环过稅
碳固定包括有机碳固定、无机碳固定，以及人类通
过各种技术方法对碳的固定。有机碳固定是指绿色植
物从空气中获取
co
2,经过光合作用转化为葡萄糖，再
合成为植物体的碳化合物，经过食物链的传递，成为动
物体的碳化合物。无机碳固定包括海水溶解部分大气
中
co
2，干旱区盐碱土吸收
co
2，以及碳质岩的形成（即
雨水和地下水吸收大气中<:〇2成为碳酸，碳酸又把石
co
2的过程，称为碳源。其中，森林碳汇是指森林植物
通过光合作用将大气中
co
2吸收并固定在植被与土壤
中；林业碳汇是指通过植树造林、加强森林经营管理、
减少毁林、保护和恢复森林植被等活动，加强吸收和固
定大气中
co
2，以及按照相关规则进行与碳汇交易相结
合的过程、活动或机制。
地下深层
(
赠
)
全球碳循环过程示意①〜⑧
为碳释放过程，1〜6为碳固定过程
EE 2021 年1 月 73 卷1 期：:•
灰岩变为可溶态的重碳酸盐流入海洋。而海水中的碳
酸盐和重碳酸盐含量是饱和的，接纳了新输入碳酸盐
后便有等量的碳酸盐沉积下来。通过成岩过程形成石
灰岩、白云石和碳质岩）。人类固定
C
02的技术有：在
地下深层埋藏
co
2,通过高温高压反应将
co
2合成为
其他碳化合物。
碳释放包括：①有机体碳释放，即植物和动物（包
括微生物）的呼吸作用把通过光合作用积累在体内的
—部分碳转化为
co
2释放进大气，构成生物体或贮存
在生物体内的碳，在生物体死亡后通过微生物分解作
用转变为
co
2,最终排入大气。大气中的
co
2平均每
7年通过光合作用与陆地生物圈交换1次。②燃料化
石碳释放，一部分动植物残体在被分解之前即被沉积
物所掩埋，而成为有机沉积物，经过悠长的年代，它们在
热能和压力作用下转变成矿物燃料—煤、石油和天
然气等。当它们在风化过程中或作为燃料燃烧时，其中
的碳氧化成<：02排入大气。人类消耗大量矿物燃料对
碳循环产生了重大影响，全世界每年燃烧煤炭、石油和
天然气化石燃料，以及水泥生产等释放到大气中的碳
为5.3
xl
〇12千克
m
。③在化学和物理因素作用下，石灰
岩、白云石和碳质页岩被分解，所含的碳又以
C
02形式
释放入大气中。碳质岩的破坏在短时期内对碳循环的
影响虽不大，但对全球几百万年尺度时间里的碳平衡却
是重要的。④大气、河流和海洋之间的
co
2交换，这种
交换发生在气和水的交界面，由于风和波浪的作用而加
强，且这两个方向流动的
C
02量大致相等，大气与河流
和海洋之间碳交换量为丨.02
xl
〇15千克。
全球碳痄的分布和储量
在全球碳循环过程中，碳库是指地球系统各个存储
碳的部分，主要分为大气碳库、陆地碳库、海洋碳库和岩
石碳库等。其中，大气碳库储量
7.5
X
1014
千克；陆地
碳库中植被碳库有6.
lxl
〇14千克，土壤（包括腐殖质）
碳库
1.58
X
1015
千克，所以土壤碳库在全球碳平衡中具
有重要作用；海洋碳库4><丨〇16千克，是地球上最大的
碳库，包括生物群落的储量3
xl
〇12千克、地壳沉淀物的
储量1.5
xlOM
千克、溶解性有机碳的储量7
xl
〇14千克，
以及中层及深层海洋中的储量3.8丨
x
1〇16千克。
2018年，科学家发现湿地虽然仅占陆地面积5%_
知识讲堂
COMPASS
J
3
8%,却保存了陆地生态系统约35%的碳库
m
。其中，
泥炭湿地甚至能保存1.3万年前的有机碳，包括植物和
动物的残体。然而，由于气候变化和土地利用变化，全
球大约有一半的湿地正受到水位下降的威胁。人为排
水或千旱造成的水位下降，很可能将湿地由碳汇变成碳
源。但在野外观测中，土壤有机碳库对湿地水位降低或
干旱的响应并不统一，其调控因素还有待进一步研究。
co2失汇
科学家在进行全球碳平衡研究和估算中发现，排
放的
C
02有近20%去向不明，这就是全球变化与碳循
环领域的
C
02失汇，8卩“碳黑洞”问题。失汇量约每
年
（1.8~3.1)
xl
〇12
千克丨1，3,4]。
研究发现，干旱区盐碱土对
co
2失汇起着重要作
用。在以往的认识中，无论昼夜，由于土壤生物的呼吸
作用，任何生态系统的土壤呼吸放出
co
2的量均为正
值，这一过程是
co
2释放的过程。我国学者在新疆进
行盐碱土荒漠生态系统土壤呼吸研究时，发现夜间的土
壤呼吸频繁出现负值[5]，经与箱式法的测定结果比较，
确认那里的盐碱土呼吸在夜间出现
co
2负通量。为证
实这一表观吸收是否为真实的负通量，又采用纯石英
沙、盐碱土溶液、高温灭菌后的盐碱土分别进行呼吸的
测定，发现石英沙没有出现
co
2负通量，但盐碱土溶
液、高温灭菌后的盐碱土均出现
co
2负通量，从而进一
步证实了盐碱土可以吸收空气中的
co
2。
美国科学家在美国加利福尼亚莫哈维沙漠
(Mojave
Desert
)也发现了类似现象，证实荒漠生态
系统盐碱土可以吸收
co
2。鉴于千旱区盐碱土在全
世界分布广泛，它们可能是陆地生态系统另一个重要
碳库，并被认为部分地解释了碳黑洞现象，从而引起
科学界广泛关注[6]。
我国学者最终发现，干旱区盐碱土不仅可以吸收
co
2，并且
co
2最终被储存到了地下咸水层中。荒漠-
绿洲复合体与海洋类似，具有吸收
co
2功能，甚至更
大，从而使之成为除海洋之外又一具重要意义的碳汇
区。研究揭示了无机碳汇形成的载体和通道：碳通过
绿洲区农田灌溉淋洗和荒漠区洪水，以及地下水的波
动，被带入地下咸水层，地下咸水层是干旱区物质的最
终归宿地。无机碳的载体是灌溉洗盐的水，水接触盐碱
iE^BTsCIENCE
土变为咸水，咸水溶解、携带大量
CO
:渗入地
下咸水层，从而形成碳汇。就其属性特征和形
成特点看，这个无机碳汇（库）更接近海洋，而
非陆地的土壤和植物碳汇（库）。实测数据显
示，全球沙漠下咸水层的可溶性无机碳的碳含
量是海水中的2倍多，估计全球干旱区每年可
娜
白夭
0.8
。:―量
吸收
CO
:量
以固定碳1.85
X
1012千克[71。
森林和海洋在碳循环屮的调节作川
森林的光合和呼吸作用与大气之间的年
碳交换量占到陆地生态系统总量的70%181，主
导着全球陆地碳循环的动态。与其他生态系
统类型相比较，森林生态系统具有较高的碳贮
存密度。森林植被具有较强的生存持续性和结构与功
能的稳定性，在生物地球化学循环中起着重要的调节作
用。全球森林每年总碳汇为
2.4
X
1012
千克，相当于全球
化石燃料碳排放量的一半，陆地碳汇基本来自森林191。
近年来，科学家发现，陆地生态系统固碳是减缓
大气
co
2浓度升高最经济可行的途径，中国陆地生态
系统在过去几十年中一直扮演着重要的碳汇角色，
2001—2010年间，陆地生态系统年均固碳2.01
x
l
〇
n
千克，相当于抵消了同期中国化石燃料碳排放量的
14.1%。其中，中国森林生态系统是固碳的主体，贡献
了约80%的固碳量，农田和灌丛生态系统分别贡献
了 12%和8%,草地生态系统的碳收支基本处于平衡。
科学研究表明，人类的有效干预能提高陆地生态系统
的固碳能力。例如，我国的重大生态工程（天然林保
护工程、退耕还林工程、退耕还草工程、长江和珠江防
护林工程等）和秸秆还田的农田管理措施，分别贡献
了中国陆地生态系统固碳总量的36.8% (7.4
x
1(
V
°
千克）和 9.9% ( 2.0
x
1〇|()千克）"°1。
海洋覆盖了地球表面的70.8%,是地球上最重要
的“碳汇”聚集地。海洋通过波浪涌动溶解大气中
co2
，生物量巨大的海藻，其光合功能亦能吸收大量
co2
，海洋中的可溶性钙盐与碳酸结合，可以在海底形
成大面积的碳沉积。
据测算，地球上每年化石燃料燃烧产生的
C
O
2，约
13%为陆地植被吸收，35%为海洋所吸收，其余部分暂
存于大气中，海洋的固碳能力约为4
xl
〇15千克，年新增
Eg 2021年1月 73卷1期>
春 夏秋冬
不同类型森林生态系统在不同季节的夜昼植被固碳
能力
以每平米吸收
co
2的量来计算，单位是毫克/秒
储存能力（5-6)
X
1015千克[11]。所以，森林与海洋是大
气
C
02的两个重要调节器。
我丨葡住应对全球气候变化中的报当
全球气候及环境变化影晌到人类社会的可持续
发展，2009年12月在丹麦哥本哈根召开的世界气
候大会（官方正式名称是：《联合国气候变化框架公
约》缔约方第15次会议）的任务就是在如何减少和
控制温室气体排放问题上达成协议，并以此作为2012
年《京都议定书》第一阶段结束后的后续方案。我
国在会上承诺，到2020年，单位
GDP
的
C
02排放比
2005 年下降 40%_45%。
2015年12月，在巴黎气候变化大会上通过的《巴
黎气候变化协定》，其目标是在21世纪中，将全球平均
气温较工业化之前的升幅控制在2.0°
C
以内，最理想的
情况是控制在1.5°
C
以内。该协定于2016年11月4日
正式生效，明确要求世界各国要加强对气候变化威胁的
全球应对，推动各方以“自主贡献”方式参与全球应对
气候变化行动，以此来降低温室气体排放，减缓全球升
温速率[12]。全球未来碳排放目标是：到2050年，全
球减排50%，发达国家减排80% ;全球累计排放最多
4.16乂1〇|4千克，人均累计排放最多5.3><1〇4千克，发达
国家和发展中国家人均累计排放分别为8.
lxl
〇4千克
和 4.7
M
04 千克[13]。
无论是森林固碳，还是干旱区盐碱土固碳，中国生
态系统可抵消化石燃料总排放的1/3, 1981—2000年，
知识讲堂
COMPASS
f
化石燃料释放的碳量为1.32
X
1013千克，生态系统吸收
ocean. Nature, 1993,365: 119-125.
的碳量为（3.5-4.6)
X
1012千克，相当于化石碳排放量
4 IPCC. Climate change 1994: radiative forcing of climate change
and an evaluation of the IPCC IS92 emission scenarios. Cambridge
的27%—34%。中国陆地生态系统的碳汇目前已经高
UK: Cambridge University Press, 1994.
于欧洲、低于北美1141。
|5, Stone R. Have desert researchers discovered a hidden loop in the
2015年，我国提出了 2030年应对气候变化行动
carbon cycle? Science, 2008, 320: 1409-1410.
㈤
倪思洁，丁佳
.
寻找迷失于沙漠的碳汇
.
中国科学报，
2015-8-3.
目标，推动社会转型升级。当年单位
GDP
的<：02排
[7j
齐芳
.
我科学家证实盐碱土能吸收二氧化碳，光明日报，
2013-
放比2005年下降了 60%—65%,非化石能源占一次
11-27(6).
能源消费比重达到20%左右，森林蓄积量比2005年
l8
Waring R H, Schlesinger W H. Forest ecosystems: concepts and
management. San Diego: Academic Press, 1985.
増加了 45亿米3。我国积极推进应对气候变化国际
[9 Liu Y C, Yu G R, Wang Q F, et al. Huge carbon sequestration
合作和全球气候治理进程，全面推进低碳发展，超额
potential in global forests. J Resour Ecol, 2012, 3(3): 193-201.
完成应对气候变化的目标任务，扭转了多年来<:〇2排
L10
」方靖云
.
中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化的碳
收支认证及相关问题
”.
经济日报，
2018-04-22.
放快速增长的局面，展现了对构建人类命运共同体的
[11]
李乃胜
.
发扬海洋低碳技术，挖掘海洋固碳能力
.
经济日报，
担当
VI
。
2011-5-24(12).
[12:
郭静原
.
寻踪
“
碳
”
秘有了中国依据，经济日报，
20184-2.
“碳与环境”成为全球关注的问题，“碳与环境和
[13]
方精云，王少鹏，岳超，等
.“
八国集团
” 2009
意大利峰会减
生活的关系”不仅是科学家的问题，也是公众关心的问
排目标下的全球碳排放情景分析
.
中国科学（地球科学
),2009,
题，涉及国家可持续发展和入民生活的方方面面。
39(10): 1339-1346.
'14 Piao S L, Fang J Y, Ciais P, et al. The carbon balance of terrestrial
ecosystems in China. Nature, 2009, 458: 1009-1013.
[1 Tans P P, Fung I Y, Takahashi T. Observational constrains on the
[15]
新华社
.
强化应对气候变化行动一中国国家自主贡献.新华
global atmospheric C02 budget. Science, 1990, 247: 1431-1438.
网
[2015-06-30]. /politics/2015-06/30/
[2:
雷光春
.
湿地保护：应对全球气候变化的自然解决方案.光明日
c_.
报，
2019-2-2(8).
[v3 ] Siegenthaler U, Sramiento J L. Atmospheric carbon dioxide and the
关键词：
C0
2碳循环绿色生活可持续发展
■
中国科学家实现
"量子计算优越性”
里程碑式突破
[本刊讯]中国科学技术大学潘
建伟、陆朝阳研究团队与中国科学院
上海微系统研究所、国家并行计算机
潘建伟团队在光量子信息处理方 大规模扩展能力的量子光源，并实现
工程技术研究中心合作，构建了 76个
面一直处于国际领先水平：2017年
全连通、随机矩阵、相位稳定、波包重
光子的量子计算原型机“九章”，实现
构建了世界首台超越早期经典计算机
合度优于99.5%、通过率高于98%的
了“高斯玻色取样”任务的快速求解，
ENIAC
的光量子计算原型机；2019
国际最大规模干涉仪，高效率100通
比目前最快的超级计算机快100万亿
年进一步研制了确定性偏振、高纯
道超导纳米线单光子探测器。最终，
倍。该成果使我国达到了量子计算研
度、高全同性和高效率的当时国际最
成功构建76光子100模式的高斯玻
究的第一个里程碑：量子计算优越性，
高性能的单光子源,实现了 20光子输
色取样量子计算原型机“九章”，实现
即在特定任务上的计算能力远超目前
人60模式干涉线路的玻色取样，输出
了量子计算优越性。
最先进的经典超级计算机。论文于
复杂度相当于48个量子比特的希尔
之所以将这台新量子计算原型机
2020年丨2月4日以“首次发布
”（First
伯特态空间。
命名为“九章”，是为纪念中国古代最
Release)
形式在线发表于《科学》
此次工作，研究团队自主研制出同
早的数学著作《九章算术》。
(
Sc
/
ence
), 2020年12月18曰正式见刊
c
时具备高效率、高全同性、极高亮度和
(王晋岚）