气候变化：科学与解决方案简报7碳循环：深刻了解碳气候反馈，减少未来风险概要对于缩小我们对地球系统的认识差距，以及更加准确地预碳遍布于地球各个角落，所有的生物体内、土壤中、海洋测CO2排放对全球气温的影响而言，碳循环研究均可谓中、大气中，均存在碳。岩石和化石中也储存着碳。碳在至关重要。虽然，人类已对推动碳流动的基本过程有所了这些储层之间不断流动，各个储层之间又通过各种过程相解，但仍然存在一些不确定性，尤其是变化幅度方面。互连接。于是便形成了碳循环。人类活动排放到大气中的了解碳气候反馈过程，也就是气候变化对碳循环的影响，二氧化碳(CO2)有一半以上均被自然碳储层（又称“碳汇”）从而进一步改变气候，意义十分重大，因为这些过程是气吸收，因此，这在很大程度上抑制了气候变化。然而，我候变化预测中最大的不确定性来源之一。尽可能加快减们继续步入了一个前所未有的CO2排放时代，在此过程少CO2排放，便可将与大规模碳气候反馈相关的风险降至中，我们正在破坏碳循环，而这可能会对我们的气候造成最低。严重后果。思路•对于实现净零排放而言，实施人类干预增强自然碳汇可谓至关重要，具体包括可持续造林、重新造林、•大自然的碳循环可以吸收人类活动排放的一半以上的农业土壤管理和泥炭地重建。碳，从而缓解气候变化及其影响，但很难保持如此大规模的吸收。•提高对碳循环了解的研究内容应包括：利用现场和卫星数据对大气、陆地和海洋进行连续观测监测；深入•碳汇的未来将取决于大气中CO2的水平及其上升或下了解碳汇的潜在不稳定性，以及开发更加全面地反映降的速度，还取决于气候变化的影响，此外还可能取碳循环复杂性的模型。决于人类的直接干预。保护碳汇，尤其是森林，对于其功能的保持至关重要。•加大工作力度，争取到2030年将全球排放量减半，并在之后继续大幅减排，将与碳循环不确定性相关的风•碳气候反馈预计会放大气候变化及其影响，在高碳排险降至最低。放的未来产生最大而且最不确定的影响。气候变化：科学与解决方案碳循环11.气候变化与碳循环在工业革命（始于1.1碳循环的重要意义1.2自然碳循环1750年左右）之碳循环的过程从根本上来讲与我们星球的气候地球本身就具有一种活跃的自然碳循环，犹前的80万年间，密切相关。碳在大气、海洋和陆地储层之间不如一个有生命的有机体吸入和呼出碳。在人冰芯数据显示，断循环。在人类扰乱环境之前，自然过程（例类燃烧化石燃料、砍伐森林以及对土地进大气中的CO2浓如有机物分解）排放的碳与所吸收的碳（例如行其他使用（统称为“人为干扰”），从而大度一直保持在植被生长）大致相等，因此，自一万年前最后规模释放CO2之前，大气储层储存了大约大约300百万一次冰期结束以来，大气中的CO2浓度一直相2.2万亿吨CO2(2200GtCO2)。每年，陆地上分率以下，在冰对稳定。这样也有助于确保地表空气温度保持的树木和其他植被通过光合作用可吸收掉大期-间冰期旋回期相对稳定。气中大约400GtCO2，而植物和土壤呼吸释间，CO2浓度上下放回大气中的二氧化碳量与此相近。在海洋波动。2020年，然而，碳循环与全球气候之间的平衡十分脆中，大气与地表水之间的交换量每年大约有CO2浓度达到了弱，很容易便会被打破。地球历史上的冷暖期330GtCO2，高纬度地区的冷水则可吸收更多415ppm，而且仍已经表明，由地球轴向倾斜和绕太阳轨道的变的CO2，部分CO2被排放到热带海洋中，海洋在继续上升。化引发的冰川作用等自然扰动可能会破坏碳循中富含碳的深水通过海水上涌到达地表1。环，改变大气和其他储层中的CO2水平，对地球气候产生影响。这种自然波动表明，碳循环在工业革命（始于1750年左右）之前的的功能十分复杂而且会对气候系统产生影响。80万年间，冰芯数据显示，大气中的CO2浓度一直保持在大约300百万分率(ppm)以下，人为或人类产生的排放迅速增加了大气中CO2在冰期-间冰期旋回期间，CO2浓度上下波动。的浓度，使其达到了过去300万年间前所未有工业革命之前的几个世纪里，CO2浓度约为的浓度。其中一些排放能被自然碳循环吸收，270–280ppm2。虽然在工业化之前，人类通但碳循环已遭到破坏，超出了自然波动的范过火灾和清理土地排放出了一些CO2，但排放围。因此，为了预测未来的气候变化，有必要量非常小；直到工业革命之后，人为排放才开加深对碳循环的了解。始对碳循环产生严重破坏。2气候变化：科学与解决方案碳循环图1在过去80万年里，随着地球在冰期-间冰期旋回期间的移动，大气中CO2的浓度一直在波动，但自1750年以来，人类活动对CO2浓度增加所产生的影响达到了前所未有的水平1(A)。截至2020年，地球大气中的CO2浓度约为415ppm，而且还在以每年约2.5ppm的速度上升。近几十年来，这一增长速度有所加快11(B)。(A)450202040020003501980CO2浓度(ppm)1960300250200150800,000700,000600,000500,000400,000300,000200,000100,0000现今之前年份(B)420400380CO2浓度(ppm)3603403203001980200020201960年份气候变化：科学与解决方案碳循环3如果没有陆地和1.31750年以来的碳循环：“人为干扰”化石和土地利用变化排放的总量分别为海洋的碳封存，自1750年以来，人为排放的CO2已开始扰乱大气(19GtCO2)、土地(13GtCO2)以及海洋大气中CO2的全球碳循环，由于燃烧化石燃料和土地利用的(9GtCO2)2。水平现在将达到变化，人为排放的CO2从工业革命前可忽略不600ppm左右，计的水平上升到了2019年大约42GtCO22。碳汇防止了气候变化的恶化以及影响的加重。由此产生的变暖CO2排放量的增加是气候变化的主要驱动如果没有陆地和海洋的碳封存，大气中CO2的效应大约是目前因素。包括甲烷、一氧化二氮和其他温室水平现在将达到600ppm左右，由此产生的变观测到的两倍。气体(GHG)在内，年排放量已上升至大约暖效应大约是目前观测到的两倍2。590亿吨CO2当量(GtCO2e)4（参见甲烷和氮循环专题）。陆地和海洋会对大气中不断增多的CO2产生反应。土地有助于缓解气候变化，因为大气在过去十年中，CO2排放主要产生于化石燃料中CO2的升高会促进光合作用，而这反过来的燃烧，2010-2019年期间平均每年排放量为又会促进更多植物的生长（尤其是树木）。生34GtCO2（参见图2）。同一时期，土地利用的长植物的增加会产生更多的生物量，储存在活变化排放量达到了16GtCO2，主要来源为森林体植物中的碳量也会增加。植物死亡时，这部砍伐，同时，重新吸收的量大约为10GtCO2，分额外增加的生物量中，一部分会变成土壤有主要来源为废弃农田再生，由此产生的净排放机质，从而增加土壤碳储量。陆地碳汇有助于量为6GtCO2。抑制人为气候变化的一个主要原因便在于此。然而，这个过程也存在固有的局限性。陆地碳专栏1汇受到水或营养物质可用性等其他因素的限制后，就会饱和，这就意味着它可能会按比例减甲烷和氮循环少未来人类排放的CO2。森林干旱、火灾和永久冻土融化等气候变化的影响甚至可能会使碳稳定全球气候不光取决于CO2的排放，汇发生逆转。还有其他温室气体(GHG)的排放，而且这类温室气体占总人为GHG排放的25%在海洋中，不断上升的大气CO2会将额外的以上，其中以甲烷和一氧化二氮为主4。CO2送入海洋，从而导致海洋表面溶解的CO22019年，包括CO2、甲烷、一氧化二氮以量按比例增加。大部分CO2与海水中的碳酸盐及其他气体在内的GHG总排放量估计达离子发生反应，形成碳酸氢盐，这一过程可以到了59GtCO2e4，其中大约10GtCO2e为甲增强海洋吸收碳的能力。烷，3GtCO2e为一氧化二氮。据估计，甲烷含量已从1750年的720百万分率(ppb)增然而，海洋在吸收了大量CO2后，化学反应的加到了2019年的1870ppb左右，增幅约为效率便会降低，从而减少海洋对CO2的吸收，160%，即1150ppb5,6。据估计，一氧化二导致海洋发生更严重的酸化。在这个过程之氮含量已从1750年的270ppb7增加到了后，各种形式的无机碳便会通过循环被输送到2019年的330ppb左右，增幅约为15%，深海。由于海洋环流缓慢，海洋吸收的碳中有即60ppb6。两者都达到了80万年来的最高75%仍然会留在1000米的顶层9。水平8。这些排放来源独特，其中甲烷来自牲畜、水稻种植、天然湿地、垃圾填埋场和气体生产等来源，而一氧化二氮的排放主要来自于化肥的生产和使用，故而面临着各自的挑战。4气候变化：科学与解决方案碳循环海洋浮游生物与陆地生态系统不同，主要的限（尽管速度会有所减慢）。例如，2020年，制因素是有无营养物而非CO2，因此浮游生物为了抵御COVID-19大流行实施了限制措施，的生长不会随着海洋中CO2的增加而增加。然据估计，化石燃料燃烧的排放量大约下降了而，海洋酸度的增加已经对许多海洋物种和生7%（从大约36GtCO2降至了34GtCO2）。然态系统产生了不良影响，而生态系统变化对海而，在此期间，大气浓度上升了2.6ppm，达洋吸收CO2的间接影响尚不明确。到了415ppm11，因为排放量仍然远远高出陆地和海洋碳汇每年吸收的碳量。由于CO2分子在大气中停留时间较长（16-34%的CO2会在大气中停留1000年以上）10，因除了模拟碳循环，检验对碳循环过程的理解之此在确定气候变化水平时，累积排放量要比年外，通过观测对碳汇进行监测同样格外重要。排放量更具意义。如果受公共政策影响，以及对于负责管理森林和泥炭地等主要碳汇的政由此产生的工业和消费者选择发生变化而导致府，以及在全球海洋中拥有共同利益的国际社年排放量下降，只要排放到大气中的CO2多会而言，这类工作尤为突出。于所有碳汇所吸收的量，则大气浓度仍将上升图2“人为干扰”或人类活动对自然碳循环的干扰（2010-2019年十年全球平均数据）2。陆地和海洋每年分别释放和吸收约440GtCO2和330GtCO2。人类活动每年的化石使用排放量约为34GtCO2，土地使用变化排放量约为6GtCO2（其中16GtCO2的排放量主要来自森林砍伐，10GtCO2的吸收量主要来自废弃农田的再生），其中平均每年留在大气中的量为19GtCO2，陆地吸收量为13GtCO2，海洋吸收量为9GtCO2。GtCO2相当于10亿吨CO2。化石CO2土地利用变化生物圈大气中的CO2海洋人为流量2010–2019年0.5613+199平均GtCO2(3–8)(9–16)3150GtCO2(7–11)碳循环年GtCO234440存量(33–36)植被330溶解无机碳1650–2380330139,000天然气储量GtCO21410–4160GtCO2440海洋生物GtCO211GtCO2石油储量永久冻土土壤江河湖泊有机碳640–9706230GtCO25500–87902560GtCO2海岸GtCO2GtCO240–165表层沉积物6410GtCO2GtCO2煤炭储量1630–1980GtCO2气候变化：科学与解决方案碳循环52.推动研究进展的机会一个关键问题是2.1了解碳汇的未来–已知和未知的未来这就意味着，迄今为止碳汇对气候变化的抑制气候变化对碳汇CO2的排放量及浓度已达到空前水平，世界正作用可能会减弱，因而需要采取更大的减排行过程的影响。随身处未知的领域。对于海水化学对CO2上升动才能实现《巴黎协定》的目标。这种减排的着气候变化的破的响应以及通过洋流将碳从表面传输到深处等潜在速度和规模尚无从得知，因此也就更加迫坏，碳汇吸收未控制碳汇过程的某些方面，相对较好理解。然切地需要进行减排和加深对碳循环的了解。来人为排放的比而，对于陆地碳汇形成机制等其他过程，则不例可能会有所下够明朗，因此无法确信预测未来的碳汇行为。科学家们现在的疑问是，既然陆地和海洋碳汇降，从而导致更不仅受到大气中CO2浓度上升的直接影响，而大一部分比例的一个关键问题是气候变化对碳汇过程的影响。且还受到气候变化本身的影响，那么这些碳汇每年排放量停留随着气候变化的破坏，碳汇吸收未来人为排放还能在多大程度上继续吸收碳2。碳气候“反馈”在大气中。的比例可能会有所下降，从而导致更大一部分是指气候变化会改变碳汇吸收或释放的碳量，比例的每年排放量停留在大气中。进而抑制或进一步加剧气候变化，由此而表现出的气候变化对碳汇的影响。图3加速气候与碳循环之间的反馈循环可能会加剧气候变暖。本示例显示了这种反馈，其中，融化的永久冻土将土壤碳释放到大气中，加剧变暖，导致进一步融化。人为破坏碳循环可能会释放出可以持续数百年地球变暖的反馈12。大气CO2变暖永久融化增加反馈加速碳汇减少土壤碳释放6气候变化：科学与解决方案碳循环普遍认为，陆地是最大的碳气候反馈。生长模型表明，海洋中的综合反馈过程将加剧全球根据一系列的观在先前干旱或寒冷地区的植被等部分反馈，范围变暖，但不同过程的具体影响还十分不测以及目前了解会吸收更多的碳，从而减缓气候变化。其他明朗12。所知，这类反馈反馈，例如吸收碳的森林的消亡会将碳送入会加剧全球气候大草原类型的景观，或从融化的永久冻土中在某种程度上，当前的气候变化预测中已包含变暖。释放出碳，从而通过释放碳而加速气候变化大多数已知的反馈16。永久冻土融化则属明显（参见图3）。根据一系列的观测以及目前了的例外情况，IPCC2013年发布的报告评估，解所知，这类反馈会加剧全球气候变暖，但对在高排放情景下，与现有的气候预测相比，于影响的时间和规模，以及不同过程的确切永久冻土融化可能会将气候变暖进一步加剧影响，十分不明朗13。例如，气候变暖所致自2.5-12.5%17,18。然火灾的变化会向大气中释放CO2，但至于长期影响，具体还取决于火灾事件后植被的再生一个有待解决的关键问题是，特定水平的累情况13,14,15。积排放会对全球地表气温的产生多大的影响。2013年IPCC做出估计，每排放1万亿吨此外，海洋中的碳气候反馈也很重要。海洋表碳（相当于3,664GtCO2），全球平均地表温面变暖会降低碳吸收能力，因为温暖水域所含度可能上升0.8°C至2.5°C。三倍范围的温度升的CO2要比寒冷水域少。水循环的变暖和变幅反映出了气候变化研究的不确定性和气候反化可能会影响海洋环流，主要影响就是降低地馈带来的风险12，以及非CO2排放的不确定性9表水通过与深水交换而更新的速度。这可能会（参见图：甲烷和氮循环）。减少碳循环的不降低热带地区的生态系统生产力以及碳汇。相确定性将有助于缩小这一范围（参见简报1：反，南大洋的风力条件强可能会提高这种更新新一代气候模型）。速度，而这可能导致碳从天然富含碳的深水中释放出来。虽然我们已对碳循环有了很多的了解，但这些问题说明对于一些重要领域，仍有待进一步研这种浅海与深海之间碳转移速率的变化，会影究。开展有针对性的研究，减少未知因素，可响“锁定”在深海中，以及循环回到大气中的碳以为政策制定者提供关键证据，这样才能做出量，从而加剧气候变化的严重性。稳健的决策。气候变化：科学与解决方案碳循环7为了打造低碳未2.2了解低碳及高碳未来具体示例包括恢复森林、红树林和泥炭地，可来，实现净零排在制定政策时，参考科学可以为我们提供关于持续造林，农业土壤的可持续管理以及保护海放，通过人类干低碳和高碳未来碳汇预期行为的知识，具有实草生态系统和盐沼等海洋碳汇。如果能够以可预来提高陆地的用价值。持续而经济的方式生产人工汇，也可以提高碳自然汇容量已刻吸收的潜力19。不容缓。减少排放的确至关重要，但这也会改变碳汇的行为。如果按照2015年《巴黎协定》——低碳如果各国不加强目前的“国家自主贡献”，未来——的温度目标减少排放，则碳汇吸收大则高碳未来将带来更高的风险。截至2020年气中CO2的速度将会减慢。这是因为碳汇的规12月，联合国估计，虽然迄今为止做出了诸多模——尤其是海洋碳汇，主要与大气中CO2浓承诺，本世纪全球升温幅度仍然会超过3°C4。度的上升和/或水平有关。这种低碳的未来将启如果气候变化以这种规模发展下去，碳汇可能动一套新的碳循环动态，与未来大气中CO2水会持续，但在大气CO2浓度较高的情况下，吸平的升高重新达到平衡，这是先前从未经历过收碳的效率会有所降低，这样我们排放的CO2的一种过程。反馈可能会在一定程度上打破稳便会有更多会留在大气中。还存在另一大额外定性，但由于变暖减缓，反馈将会受到更多限风险，本简报中所述的碳循环反馈将变得更加制。无论自然碳循环如何演变，减少人类碳排强烈，从而进一步降低碳汇效率，造成进一步放对于气候稳定来说都至关重要。变暖和气候影响。为了打造低碳未来，实现净零排放，通过人类气候变化带给碳循环的风险凸显了迅速深入减干预来提高陆地的自然汇容量已刻不容缓。排实属当务之急。要降低这些风险，我们需要《巴黎协定》的净零目标是“在本世纪下半叶尽快按照联合国的目标降低排放量，也就是到实现温室气体源的人为排放与汇的清除之间的2030年，实现人为造成的排放量在2019年的平衡……”。这一声明谈及要对陆地和海洋汇进基础上减半4，并在之后继续大幅减排。行积极主动管理和富集，从而加强去除大气中的CO2。8气候变化：科学与解决方案碳循环3.研发重点工作了解碳循环过程有助于更准确地预测未来大气更加详细的碳循环模型也将有助于提高对汇饱通过持续监测全中的CO2浓度和相关的温度变化。虽然我们已和或逆转风险的了解，例如通过量化永冻层、球碳循环的多种经对碳循环的基本原理有了深刻的了解，但关泥炭地和热带森林的碳释放风险以及海洋酸化特征可以提高我于碳循环的未来动态以及变化的幅度仍然存在对海洋生态系统和海洋碳汇的影响。地球系统们的知识。诸多重大问题。既涉及全球循环，又涉及南大模型集成了大气、海洋、陆地、冰川和生物圈洋、上大洋、北极、热带森林、泥炭地和永久的相互作用，而在这种模型中也存在一些需要冻土区等具体环境。对这些领域的深入了解将解决的挑战。机器学习或数据同化技术等数据有助于我们制定有理有据的适应和减排政策，驱动方法是利用卫星测量和现场数据提供有关并更好地了解系统将如何应对气候变化及其可碳循环动态的时空信息，因而有助于对模型的能产生的影响。改进。除了叶面积指数和海洋颜色等碳循环活动的代最后，碳循环具有全球性质，这就意味着国家用指标之外，通过持续监测全球碳循环的多种之间以及学科之间的合作至关重要。生态系统特征，扩大长期实地和卫星观测，包括测量大生态学、生物地球化学、碳循环和地球系统模气碳、海洋表面CO2分压、海洋内有机碳和无拟、过程级观测、机器学习以及其他突出领域机碳、植被和土壤，均可以提高我们的知识。的专家，在继续加深我们对这一基本循环的理解方面均发挥着各自的作用。气候变化：科学与解决方案碳循环94.总结工业革命已过去两个多世纪，化石燃料燃烧和态系统、社会和我们减缓气候变化的能力。虽土地使用的变化对气候的影响对碳循环产生了然科学已经取得进展，证明了碳循环的原理和切实和广泛的影响，从海洋酸化到广泛的野运作，但关于大气中CO2浓度增加、气温上升火，均颇受影响。如此严重的环境变化在人类和气候反馈对碳循环影响的程度和时间仍然存历史中可谓前所未有。气候变化以及持续的人在很多疑问。因此，未来十年的重点工作就是为排放对碳循环会产生综合影响，这将影响生进一步了解陆地和海洋碳汇及其潜在来源。本简报只是探讨科学技术在全球实现净零排放和适应气候变化中作用的系列简报中的一篇。世界各国都在制定各自在2050年之前实现净零的路线图，该系列简报旨在就科学所能有助于理解和采取行动的12个方面，为各国决策者献计献策。要观看完整系列内容，请访问royalsociety.org/climate-science-solutions要查看简报编著人，请访问royalsociety.org/climate-solutions-contributors本文中的文本根据《创作共用署名许可协议》(CreativeCommonsAttributionLicense)条款授权使用，该协议允许在注明原作者和出处来源的前提下，进行无限制使用。许可协议访问网址：creativecommons.org/licenses/by/4.0。图片不在本许可授权范围内。发布日期：2021年6月DES7639_7©TheRoyalSociety10气候变化：科学与解决方案碳循环参考文献1.Lüthietal.2008High-resolutioncarbondioxideconcentration11.TansPandKeelingR.2021.TrendsinAtmosphericCarbonDioxide.record650,000-800,000yearsbeforepresent.Nature453,379-382GlobalMonitoringLaboratory.参见：https://www.esrl.noaa.gov/gmd/(doi:10.1038/nature06949)ccgg/trends/data.html2.FriedlingsteinPetal.2020GlobalCarbonBudget2020.EarthSyst.12.LoweJ,BernieD.2018TheimpactofEarthsystemfeedbacksonSci.Data12,3269–3340.(doi:10.5194/essd-12-3269-2020)carbonbudgetsandclimateresponse.Phil.Trans.R.Soc.A37620170263https://doi.org/10.1098/rsta.2017.02633.JoosF,SpahniR.2008Ratesofchangeinnaturalandanthropogenicradiativeforcingoverthepast20,000years.Proceedingsof13.Schuur,E.,McGuire,A.,Schädel,C.etal.2015ClimatechangetheNationalAcademyofSciences105,1425–1430.(doi:10.1073/andthepermafrostcarbonfeedback.Nature520,171–179.pnas.0707386105)(doi:10138/nature14338)4.UnitedNationsEnvironmentProgramme.2020EmissionsGap14.HubauWetal.2020AsynchronouscarbonsinksaturationinReport2020.参见：https://www.unenvironment.org/emissions-gap-AfricanandAmazoniantropicalforests.Nature579,80–87.report-2020(doi:10.1038/s41586-020-2035-0)5.DlugokenckyE.2021TrendsinAtmosphericMethane.Global15.AmigoI.2020WhenwilltheAmazonhitatippingpoint?Nature578,MonitoringLaboratory.参见：https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/505-507.(doi:10.1038/d41586-020-00508-4)trends_ch4/16.IPCC.2013Summaryforpolicymakers.In:ClimateChange2013:6.NASA.2016AGlobalViewofMethane.参见：https://thephysicalsciencebasis.ContributionofworkinggroupItotheearthobservatory.nasa.gov/images/87681/a-global-vi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