碳循环：利用绿色技术可降低碳排放和增加碳汇

众所周知，碳是地球系统的重要组成元素。碳在地球系统各部分之间的转移过程就是碳循环。含碳量约占地球上碳总量99.9%的两个最大碳库岩石圈和化石燃料，其碳活动缓慢并起着贮存库的作用。容量小而活跃的大气圈、水圈和生物圈的碳在生物和无机环境之间迅速交换，并起着交换库的作用。在大气中，CO2是含碳的主要气体，也是碳参与物质循环的主要形式。

森林是碳的主要吸收者，又是生物库中碳的主要贮存者。海洋是最大的碳库，它与大气碳交换主要发生在海洋表面。碳的地球化学循环控制了碳在地表或近地表的沉积物和大气、生物圈及海洋之间的迁移。在碳的生物循环中,大气中的二氧化碳被植物吸收后,通过光合作用转变成有机物质，然后通过生物呼吸作用和细菌分解作用又从有机物质转换为二氧化碳而进入大气。

现在，碳循环正在成为气候、能源与环境研究的一项核心问题，其中一个重点，是人类活动对碳循环的影响。人类在利用化石燃料的过程中，以及在把森林、草地改变成为农田和城市等土地利用过程中，使大量有机碳以CO2形式排放到大气,增强了大气温室效应，改变了陆地与大气之间的物质和能量的平衡，从而导致气候的改变。气候变化可能为人类及生态系统带来许多不利影响，例如极端天气事件增加、冰川消融、永久冻土层融化、珊瑚礁死亡、海平面上升、生态系统改变、旱涝灾害增加、致命热浪等等。化石燃料燃烧与土地利用变化加速了大气CO2浓度的升高，其中有多少碳会留在大气中呢？研究发现，海洋与陆地上的碳汇（包括森林、土壤、海洋生物等）吸收了近一半化石燃料燃烧所释放的碳排放。但是，这种碳吸收和储存机制随着未来人类活动和气候的变化将会发生怎样的改变？这样的变化又将对气候与人类活动将产生怎样的反馈作用？人们已确认这些是需要关注的重大科学问题，然而我们知之甚少。

随着科学研究的深入和社会发展对科学研究的需要，碳循环研究已逐渐从人类CO2排放到海洋与陆地全球分布的这些基本问题，转变为确定区域碳收支以及在气候变化与人类活动影响下将会发生怎样的变化。温室气体排放和气候变化既是与地球碳循环紧密联系的科学问题,也与全球可持续发展及每一个国家减排的国际义务密切相关。

中国作为发展中国家需要发展经济改善民生，同时也需要利用绿色技术降低碳排放和增加碳汇。为此，中国科学院开展了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”课题研究。研究内容涉及许多前沿内容，包括：研究我国能源利用的碳氧化因子和单位燃料含碳量并构建碳排放数据库；建立以卫星遥感、空中监测与地面网络监测和大气模式系统相结合的大气碳浓度和陆地碳收支监测系统；研发全物理短波红外反演算法和卫星仪器指标的模拟分析系统；阐述我国陆地碳库现有总量、生态系统固碳速率和潜力、我国重大生态工程已固碳量、增加碳汇的技术体系；分析国际碳贸易市场机制及其对我国的可能影响，提出建立我国碳交易市场体系、增汇技术和经济政策与碳管理体制等相关问题的政策建议与技术支撑体系，预测我国未来碳排放轨迹，提出我国未来碳减排的路线图。课题组将研究的成果在“国际二氧化碳大会”上宣读，与国际科学界进行了交流，并引起与会者广泛关注。

随着中国经济的增长和发展，中国的人均碳排放已是美国的1/2左右，与欧盟国家人均碳排放越来越接近。因为中国人口基数很大，所以我国总排放量居全球前列。减少碳排放与全球可持续发展密切相关，为此需要通过科技创新提高能源效率和优化能源结构，依靠技术创新和政策措施，建立一种限制、减少温室气体排放的经济发展模式。例如，以物质封闭循环为特征，把经济活动重组成为“低开采—高利用—低排放”的资源循环利用模式，促进循环经济的发展。将低碳经济进循环经济理论相结合，走低碳循环经济的路子，在减少温室气体排放的基础上实现资源的高利用，使经济发展不伤害到环境，实现经济发展与环境保护的完美统一。尽管我国已进行了很多探索，也取得了很大进展，不过依然任重道远。

为了给国家应对气候变化行动提供强有力的科学支撑，许多基础研究和应用研究需要尽快开展。对于大气研究来说，需要更多的站点观测，包括同位素测量如碳13、碳14和其他一些用来鉴定温室气体源的化合物。海洋是最大的碳汇，也是大气CO2的主要源和汇，需要更长时间尺度的模拟和观测。近海和浅海的研究也需要与海洋联系起来。针对陆地和海洋，我们必须更好地识别气候管理和碳循环的研究之间的相互作用，努力区分自然变化作用和人类活动信号。另外，碳循环研究和生态系统管理研究之间需要加强合作。

在当前快速城市化过程的情况下，高排放国家需要找到的“气候智能型发展”的途径。需要注意的是，城市地区有一些碳排放热点，而到目前为止没有充分纳入碳源汇研究中，因而城市温室气体收支的不确定性需要更多的关注与思考。面对现在已经存在的城市化和特大城市，包括城市化的进一步发展，非常需要把城市环境集成到碳循环的定量化研究中。