冰与碳：冰期旋回里的碳循环

“冰碳不同器而久，寒暑不同时而至”(《韩非子• 显学》)，地球表层是一个“冰碳同器”的系统，因此就难以“久”而不变。这里说的“冰”指的是冰盖的涨缩，“碳”指的是大气里的CO₂。

大气CO₂ 浓度变化，只有1958 年以来的测量记录，幸好在极地冰芯的气泡里，保留了古代的大气，现在已经测到80 万年以来的变化（Lüthi et al.，2008）。重要的发现是大气CO₂ 浓度和冰期旋回相一致：深海有孔虫壳体δ¹⁸O 指示的冰期时（图4-13A）CO₂ 浓度低，间冰期时浓度高，相差上百个ppm（图4-13B），连冰芯氢同位素指示的气温也与之一起变化（图4-13C），说明了冰盖与碳循环和水循环的密切关系。

但是由此产生了一连串的问题：

冰和碳，谁是鸡谁是蛋？是冰盖变化带动了CO₂ 浓度，还是CO₂ 浓度引起了冰盖变化？

再说，冰期时减少的CO₂ 去哪了？是什么机制，导致了地球表层碳循环与水循环有如此密切的相互关系？

海洋碳泵

海气交换，是调控大气CO₂ 浓度最有效的途径，深层海水又是表层系统最大的碳库，因此冰期时大气减少的CO₂ 应当到海洋去找。海洋最大的碳库是溶解无机碳（DIC），与海底的碳酸盐的堆积相结合，可以有效吸收大气CO₂。海水里的DIC 以三种化学状态存在：溶解的二氧化碳（CO₂）、碳酸根（CO₃²^–）和碳酸氢根（HCO₃^–），三者的比例与海水的pH 值相关。大气CO₂ 浓度升高，表层海水溶解的CO₂ 增多，海水pH降低。比如1750~2000 年两个半世纪里，人类活动的碳排放使大气CO₂ 增多，表层大洋海水的pH 就从8.2 降到8.1，下降0.1；如果人类排放不能遏制，2300 年pH 有可能下降0.7，这就是所谓“海水酸化”。海水的pH 直接控制碳酸盐的溶解和沉积，“酸化”的海水可以促使碳酸钙溶解，首先威胁文石骨骼的生物如翼足类和一些造礁珊瑚。冰期时大气CO₂ 比间冰期下降约90 ppm，表层海水pH 必然增高，于是碳酸盐沉积作用加强，将大气的CO₂ 送入海底沉积层；碳酸盐沉积超过一定阈值，海水的碳酸系统又会失去平衡而放出CO₂，从而又回到间冰期状态。这种假说在20 世纪80 年代提出时受到学术界的广泛支持，可惜后来得到的地质证据却提出了异议（Zeebe，2012）。

分析古海水pH 的方法，早期采用的方法是统计有孔虫壳体的保存，或者测算沉积物中碳酸盐的百分含量，但是这些方法都受到其他因素的干扰。后来发现B/Ca 值或者B 同位素的方法，大为改进了海水pH 的定量技术（Yu and Elderfield，2007）。采用新方法得出的结果相当矛盾，有的根据南大洋实例认为冰期时全球表层海水pH 有显著上升（Rickaby et al.，2010），有的从全球总体分析认为海水pH 变化不大（Zeebe and Marchitto，2010），后者的结论也得到全大洋碳酸盐沉积量统计的支持（Catubig et al.，1998）。总之，海水DIC 调控冰期旋回中大气没有异议，但是这些无机碳的去处依然不明，有待取得广泛的古海水pH 等数据，加以揭示。

上述争议涉及的是碳在海洋内部的去处，而大气CO₂ 进入海水的生物泵，则已经查明主要在南大洋发生。进入冰期时，表层海洋通过生物泵吸收大气CO₂，送入深层海水，但究竟是哪部分海洋取走了CO₂ 呢？这就是南大洋。海洋生物泵作用的强弱，取决于营养盐的供应，而开放大洋表层水的营养盐主要来源，是自下而上的深层水上涌。南大洋是世界大洋从中层到底层水的主要产地，也是世界大洋深层水回返表层的主要海域，因此既能长期维持高生产力、吸收大气CO₂，又能将碳送往海洋深部，是冰期旋回里海洋调控大气CO₂ 的主要渠道（Sarmiento and Toggweiler，1984）。

可见不同海区在冰期旋回的碳循环中的作用不同，不但在表层和深层海水之间，低纬和高纬、南半球与北半球的高纬海洋，在碳循环中的作用也都有根本的不同。低纬海洋接受太阳辐射量最大，高温的上层海水密度低，造成海水分层而和深部海水的交流受阻，温度较低的下伏海水难以将营养盐送上表层，因此生物泵的效率低下。相反，高纬海区是深部海水与表层交换的主要海域，生物泵效率高，吸收大气CO₂ 的能力较强（图4-14A）。就在高纬海区内部，生物泵的效率也不相同：北大西洋高纬水能够直接和墨西哥湾暖流的低纬水交流，但是产生的深层水温度不够低，其密度不足以沉入大洋底部；只有南大洋形成的深层水温度最低，能够沉入海底进行全球范围的对流（图4-14B；Hain et al.，2014）。

陆地碳库

和海洋相反，冰期旋回中陆地碳库不但不能吸收大气CO₂，还是大气的碳源。在冰期旋回中，地球表面最明显的景观变化是陆地植被：北美西欧现在的大片针叶和落叶林区，末次盛冰期时压在冰盖之下；附近的地区虽然无冰，原来的树林也变为草原植被，生物量大为降低。一般认为，末次盛冰期陆地植被的生物量减少1/4，因此大陆碳储库在冰期时必然缩小，到冰消期再逐渐恢复。然而冰期时陆地碳储库究竟减少多少，其实并不知道，文献中所说的数据，其实是用冰期底栖有孔虫壳体方解石的碳同位素间接推算出来的。由此得出陆地储碳量减少幅度的估计值，相差十分悬殊，从几千亿到一万亿吨不等（Ciais et al.，2013）。

正确认识陆地碳储库的变化，需要取得直接证据，比如根据孢子花粉和有机地球化学分析结果，通过植物群系的再造求取生物量。但是，相同的植物不等于相同的生物量，因为低碳大气还会对光合作用产生影响。何况陆地植被碳储库里植物本身只占少数，地下土壤是植物的2~3 倍，因此再造土壤碳在冰期旋回里的变化，是近年来的重要研究方向。比如上述的环北极冻土带就是在末次冰消期形成，根据泥炭¹⁴C 测年判断，最早从16500 年前开始，到12000~8000 年前迅速扩张（MacDonald et al.，2006）。此外，热带和南美洲也有大片泥炭形成，全球范围内估计全新世形成的泥炭地储碳超过6000 万t（Yu et al.，2010）。

一个根本性的问题，是陆地碳库在冰期旋回扮演的角色。研究冰期旋回碳循环，着眼点都在于解释为什么大气CO₂ 浓度在冰期里降低，而陆地植被在冰期时收缩而排放CO₂，与大气变化的要求相背而行，于是把冰期碳储库变化的责任都“推”在海洋头上。但是实际情况可能并不如此简单，首先低纬区的大陆架就是例外。冰期时全球海平面下降，东南亚的巽他陆架出露海面形成的热带雨林，却是个冰期里才出现的碳库。陆地碳储库以土壤为主，土壤里又以泥炭为主，而今天东南亚面积虽小，却独占全球热带泥炭总量的77%，是当代热带土壤储碳的主力（图4-11；Saatchi et al.，2011）。冰期时陆架出露、面积扩大，必然使热带泥炭储碳大为增加，与冰期陆地排放CO₂ 的趋势相反。

这种相反的趋势也在高纬区出现。冰期里冰盖的扩展既会埋藏原来的植被，也会埋藏暖期时聚集的土壤碳，到冰消期才释放。数值模拟表明，从盛冰期到间冰期可以放出547 Gt 碳，使得大气CO₂ 浓度增高30 ppm，这又是与冰消期陆地吸收碳的趋势相反的因素（Zeng，2003）。同时，从西伯利亚到阿拉斯加，都发现有冰期里变成永久冻土带的储碳层，含碳量高达约2.6%，冻土层厚达 25 m，总的含碳量高达约5000 亿t。如果把这种种因素加起来，大陆在冰期里有着相当强的储碳机制，陆地是冰期的碳源、间冰期的碳汇的流行说法，也许还需要重新论证（Zimov and Chapin，2006）。

碳循环的时间尺度

综上所述，冰期和间冰期大气CO₂ 浓度大约有90 ppm 幅度的变化（图4-13），涉及地球表层各个圈层，主要的调控机制在于海洋，通过海洋生物圈和海水的生物地球化学过程改变着大气CO₂ 浓度，而陆地植被和土壤也起着重要作用。无论冰期的大气，还是当前的大气，都有个CO₂ 去向不明的问题，但是当前人类碳排放所涉及的碳循环过程属于大气与表层海洋、大气与生物圈的交换，涉及的过程为十年、百年的时间尺度；而冰期旋回中的碳循环变化，涉及深层海水及其与海底沉积物的交换，属于千年和万年的时间尺度（图4-15A）。

其实碳循环发生在各种时间尺度上。轨道驱动的碳循环周期可以跨越冰期旋回，涉及岩石风化作用的40 万年长周期，属于地质碳储库的变化（图4-15B）。因此在地质现实中，表层碳库和地质碳库的变化之间并没有界限。地球系统里冰与碳的旋回，相关而不相等，经过冰期旋回后，各个碳储库并不需要回归原点，发生的变化完全可以跨越冰期得到积累。比如上面讲到的高纬区的冻土碳库，随着间冰期的到来发生融化而放出甲烷，但是完全可以局部保留而跨越冰期。阿拉斯加13 万年前的火山灰覆盖在残留冰楔之上，说明这里的永久冻土在12 万年前的末次间冰期只经历了部分熔融，几十米深的冻土只熔融了几米（Reyes et al.，2011）。类似的现象在海底碳酸盐溶解、陆地植被交替等周期变化中都会发生，需要在冰期旋回的研究中注意。

最后，在较短的时间尺度上，应当有更多的碳循环过程有待认识，极地冰山造成海洋生产力的突发事件便是一例。现代南大洋的生产力受Fe 的限制，而南极冰盖产生的冰山可以带来大量的“Fe 肥”，估计每年总量可达7 万t 到20 万t（Death et al.，2014）。效果尤其显著的是巨型冰山，一座长逾18 km 的冰山带来的营养，能够在超过其长度4~10 倍的海域范围内提高生产力（Dupart et al.，2016），由此造成影响海洋碳循环的事件，并没有进入上述“冰与碳”研究的视野。

全面考虑不同时间尺度的碳循环，正是未来研究的方向。

本文摘编自《地球系统与演变》（汪品先等著. 北京：科学出版社，2018. 6）一书"第4 章 地球系统的碳循环"，文中保持了原文图片序号，图4-13序号之前的图片来自该章节其他部分。

ISBN 978-7-03-057604-0

责任编辑：韩 鹏 孟美岑

三十年来“全球变化”的研究，把地球科学推上了一个新台阶。地球上的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈连成一个完整的系统，牵一发而动全身，甚至地球内部和表层的物质和能量交换，也在影响着人类享用的环境与资源，而这就是地球系统科学的研究对象。本书是在二十年教学科研实践基础上编写而成，前五章介绍各圈层的构成与来历，后五章讨论不同时间尺度的地球系统演变，最后两章介绍地球系统科学的研究方法和理论。全书以圈层间相互作用为主题，重点突出机理追究和问题探讨，不以灌输知识为目的。全书版面活跃、形式新颖，各章均配有内容提要和思考题，适于地球科学各学科作研究生辅助教材使用；同时尽量反映国内外研究的最新进展，提供千余篇文献供读者追索，适于地球科学工作者或者关心环境变化的读者，用作拓宽知识领域、激活研究思路的参考书。

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（本文编辑：刘四旦）

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