和諧：從碳說(shuō)
2024-05-21 09:32:31
來(lái)源：西部決策網(wǎng)
分享到
碳是地球生命的脊梁，也是人類文明的背梁。人類圈的秘密就在于建構(gòu)和管理碳化學(xué)。人類排放的CO?帶來(lái)氣候變暖、自然混亂的全球負(fù)外部性。沒(méi)有一個(gè)全球性的世界政府可以制定實(shí)施統(tǒng)一政策以消除這一負(fù)外部性。各國(guó)政府要協(xié)同行動(dòng)，科學(xué)管理碳行為，逐步削減碳足跡，全面實(shí)現(xiàn)碳中和。全世界要聯(lián)合起來(lái)，樹(shù)牢地球家園意識(shí)，增強(qiáng)集體排碳理性，世代守好碳開(kāi)關(guān)，永葆地球溫室之美。
——是為題記
碳是一種化學(xué)元素，但不是一般的化學(xué)元素。一個(gè)碳原子有6個(gè)質(zhì)子6個(gè)中子6個(gè)電子，這一神奇的結(jié)構(gòu)使其成為通用的功能元素，關(guān)系地球生命系統(tǒng)和人類文明發(fā)展的根本元素，也是值得全人類共同管理的關(guān)鍵元素。
站在人與自然和諧共生的高度，全球碳問(wèn)題說(shuō)到底是氣候變化問(wèn)題、可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。氣候變化原本是地球環(huán)境發(fā)展的常態(tài)，也是人與自然已經(jīng)適應(yīng)的常態(tài)。然而，人類圈的迅速發(fā)展，深刻的改變了自然地理，特別是工業(yè)革命以來(lái)，短短200年時(shí)間就顛覆了地球碳循環(huán)碳秩序，導(dǎo)致溫室氣體累積增強(qiáng)，地球氣候加速暖化，人與自然關(guān)系出現(xiàn)了重大的危機(jī)與挑戰(zhàn)。科學(xué)應(yīng)對(duì)這一新問(wèn)題、新挑戰(zhàn)，必須全面認(rèn)識(shí)地球碳循環(huán)，優(yōu)化調(diào)整人類碳行為，恢復(fù)重建地球碳秩序。
地球碳源及本初碳循環(huán)
138億年前，宇宙中只有氫、氦、鋰三大元素。宇宙大爆炸后最先產(chǎn)生了氫，隨后形成了氦和鋰。恒星（如太陽(yáng)）是由引力凝聚在一起的球型發(fā)光等離子體，恒星內(nèi)部溫度極高，可以引發(fā)核聚變反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的光和熱能。當(dāng)宇宙進(jìn)入恒星時(shí)代，恒星內(nèi)部的核聚變過(guò)程產(chǎn)生了碳、氮、氧等更重的元素。在恒星內(nèi)部難以想象的高溫高壓下，氫原子核聚變?yōu)楹ぴ雍耍?個(gè)氦原子核聚合成1個(gè)碳原子核，由此產(chǎn)生了碳元素。2個(gè)氫原子與1個(gè)氧原子合成了水。至此，生命基建材料——構(gòu)建生命的基本元素已經(jīng)形成。這是恒星時(shí)代賜予地球生命世代共享的巨大財(cái)富。大約46億年前，在宇宙漫長(zhǎng)的演化中產(chǎn)生了太陽(yáng)系。初生的太陽(yáng)系已擁有較豐富的元素種類，各種元素在太陽(yáng)系內(nèi)組成塵埃、顆粒，以及天體，包括后來(lái)形成的圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的地球（行星）。數(shù)十萬(wàn)億億噸的碳元素，在地球生長(zhǎng)的過(guò)程中以塵埃、顆粒、天體碰撞的形式來(lái)到地球。約45億年前，在一場(chǎng)史詩(shī)級(jí)的巨大撞擊事件中形成了地球的衛(wèi)星——月球。撞擊事件并沒(méi)有就此結(jié)束。地球成長(zhǎng)初期，外來(lái)天體曾以十倍音速“轟炸”地球，地表的一切融化巖漿之海。氣體從巖漿中釋放大量的CO?和水蒸氣，并逐漸為地球蓋上被子——大氣層。這是本初的溫室氣體。那時(shí)的溫室氣體含量遠(yuǎn)高出現(xiàn)代大氣水平，熾熱的地球表面持續(xù)加熱大氣，大氣溫度高達(dá)1200攝氏度。隨著撞擊事件逐漸減少，地表和大氣降溫，大氣中的溫室氣體開(kāi)始回落地面，水蒸氣凝結(jié)為水滴，為地球帶來(lái)一場(chǎng)連綿千年的降雨。約44億年前，雨水匯集成汪洋大海。CO?溶入雨水來(lái)到地表，這些酸性雨水侵蝕地表巖石，并將剝落的礦物質(zhì)帶入海洋，生成碳酸鹽（如石灰石、大理石、鹿角石、重晶石等）沉沒(méi)海底，這便形成海洋碳庫(kù)和巖石圈碳庫(kù)。地球板塊運(yùn)動(dòng)為碳循環(huán)形成了新的支點(diǎn)。在地表大幅降溫后，其下方的軟流圈仍處在部分熔融狀態(tài)，恰似一個(gè)巨大的傳送帶，讓漂浮其上的大洋板塊向陸地板塊俯沖碰撞，曾經(jīng)的碳酸鹽巖將與其他巖石一同融化成巖漿并生成了CO?，在火山的怒吼中重新噴出地表，補(bǔ)充大氣中的溫室氣體，維系大氣、海洋、巖石圈中的碳平衡。大約40億年前，形成了早期的地球無(wú)機(jī)碳循環(huán)。地球無(wú)機(jī)碳循環(huán)提供了恰到好處的溫室效應(yīng)，使地球塑成為適宜生命誕生的溫暖家園。
碳基生命與全球碳循環(huán)
在微觀世界，控制電子是地球生命過(guò)程的化學(xué)密碼。地球生命過(guò)程是永不落幕的電子舞蹈。
碳基生命極為復(fù)雜精妙的根源在于碳化學(xué)特性。碳原子得到電子、失去電子、共享電子，與數(shù)十種化學(xué)元素結(jié)合成單鍵、雙鍵、三鍵的分子鏈、環(huán)、支，進(jìn)而聚合成鏈狀環(huán)狀樹(shù)狀籠狀。碳的結(jié)合力遠(yuǎn)超其他任何元素。地球上存在著數(shù)百萬(wàn)種不同類型的富碳分子。人體包含至少10萬(wàn)種蛋白質(zhì)，比一座山的礦物種類還要多得多。無(wú)論是蛋白質(zhì)還是脂肪，遺傳物質(zhì)DNA還是許多激素，所有生命分子全由碳原子黏合連接?？梢?jiàn)，碳是化學(xué)元素中的和事佬、黏合劑、連接器。大自然以碳原子為骨架，開(kāi)啟了建構(gòu)碳基生命體系和形成生物圈、水圈、大氣圈、巖石圈協(xié)同演化的煌煌歷程。
大約38億年前，在海洋深處的某個(gè)角落，碳與氧、氫、氮等元素生成碳基化合物——氨基酸，不同種類的氨基酸首尾相連形成聚合物——蛋白質(zhì)，進(jìn)一步排列組合，逐漸演變成了原核生物——藍(lán)綠藻。原核生物是原始微生物，其個(gè)體很小，用高倍顯微鏡才能觀察到。疊層石是原核生物的紀(jì)念碑。原核生物“以礦物為食物”，利用巖石化學(xué)能生存，至今依然是地球生命的重要組成部分。所有生命應(yīng)當(dāng)具有生長(zhǎng)、繁殖、環(huán)境適應(yīng)并演化出新屬性的能力。原核生物具有裸體DNA，具備了自我復(fù)制的本領(lǐng)，標(biāo)志著碳基生命已經(jīng)在地球成功上線！
約27億年前，打破了深海寧?kù)o，在淺海出現(xiàn)了與葉綠體共生的新生命——藍(lán)細(xì)菌。由此，地球生命升級(jí)進(jìn)入“以光子和CO?為食”的新時(shí)代。光子為光合細(xì)胞提供能源，大氣中的CO?提供養(yǎng)料，光子能量推動(dòng)水分子中的氫與CO?給合生成了葡萄糖，水分子中的氧則成為光合作用釋放了的副產(chǎn)品。于是，形成了新的碳循環(huán)以及碳-氧循環(huán)。
約26億年前，大氣中的游離氧含量突然增加，史稱“大氣氧化事件”（實(shí)際只有現(xiàn)代大氣氧含量的1-2%）。大氣氧化事件中，氧氣吞噬了能夠找到的每一個(gè)電子，使地球礦物成分發(fā)生變化，同時(shí)，也為日后“以氧為養(yǎng)”的動(dòng)物出現(xiàn)提供了可能性。
約在24億年前，因CO?轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，大氣中的CO?一時(shí)無(wú)法填補(bǔ)，溫室氣體濃度下降，溫室效應(yīng)趨弱，地球變成了“雪球”。3億年冰封歲月，使地球光合作用弱化，大氣中CO?濃度慢慢回升，地表溫度緩慢回歸。經(jīng)過(guò)冰封與溫度回升磨礪，加速了地球生物向真核生物演化。
約15億年前，原核細(xì)胞融化發(fā)展，演化出規(guī)模更大、結(jié)構(gòu)更完整、功能更強(qiáng)大的真核單細(xì)胞生物。
約5.75億年前，真核細(xì)胞走上分工合作之路，演化出細(xì)胞聯(lián)合體，形成了多細(xì)胞生物。
約5.42億年前到5.3億年前，寒武紀(jì)地層在2000多萬(wàn)年時(shí)間內(nèi)突然出現(xiàn)門(mén)類眾多的無(wú)脊椎動(dòng)物化石，節(jié)肢、腕足、蠕形、海綿、脊索動(dòng)物“集體亮相”。用地球生命史中不到1%的時(shí)間，涌現(xiàn)了90%以上的動(dòng)物門(mén)類。這種多種動(dòng)物門(mén)類異常繁榮的景象，史稱“寒武紀(jì)生物大爆發(fā)”。特別是穿戴碳酸鹽外殼的生物的出現(xiàn)，增加了海洋的儲(chǔ)碳能力。
約4.5億年前，微小的無(wú)根植物率先出海，為與海相連的濕地增添了一抹綠。約4.3億年前，出現(xiàn)了小根植物，小心翼翼的離開(kāi)濕地，扎根陸地，植物的根與巖石相互適應(yīng)，創(chuàng)建新的生態(tài)系統(tǒng)。約4億年前，植物發(fā)明了木質(zhì)素，可以長(zhǎng)得又高又大，陸地植物形成了森林，地球上有了宏闊壯麗的綠色景觀，可以存儲(chǔ)生物圈中90%以上的有機(jī)碳。距今約3.55億年至2.95億年的6500萬(wàn)年，被稱為石炭紀(jì)。這一時(shí)期植物繁茂，而分解木質(zhì)素的真菌尚未演化出來(lái)?？菟赖臉?shù)木層層堆積，越埋越深，最終形成了煤。動(dòng)物登陸比植物晚，但從海洋到濕地再到陸地，從水生到兩棲再到陸生，其過(guò)程更加波瀾壯闊、驚心動(dòng)魄。動(dòng)物捕食植物獲得有機(jī)碳，形成生物圈中的有機(jī)碳鏈。微生物分解植物動(dòng)物尸體，有機(jī)碳還原為無(wú)機(jī)碳，有機(jī)碳循環(huán)與無(wú)機(jī)碳循環(huán)連成一個(gè)體，形成了新型碳循環(huán)模式。
說(shuō)來(lái)也巧，部分有機(jī)碳——陸地植物、海洋動(dòng)物，在尚未被微生物分解之前就掩埋貯藏于地下，漸漸地轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟剂稀禾?、石油、天然氣。碳基燃料脫離了生態(tài)系統(tǒng)碳鏈，已經(jīng)是巖石圈中的黑碳。其中，煤炭是由碳、氫、氧、氮、硫和磷等組合成的高分子有機(jī)化合物；石油是海洋生物殘骸堆積形成的液態(tài)碳?xì)浠衔铮ǜ魅 疤肌薄皻洹敝徊考?，即合成“烴”）；天然氣是氣態(tài)碳?xì)浠衔?，主要是甲烷。?dāng)甲烷以固體形式存在于深海底時(shí)，即是可燃冰。在沒(méi)有人類開(kāi)發(fā)利用的情況下，碳基燃料需要經(jīng)歷數(shù)千萬(wàn)年的板塊運(yùn)動(dòng)，或是抬升至地表被自然之火燃燒，或是俯沖至軟流圈隨巖漿一同噴出而完成了碳循環(huán)。因?yàn)槿祟惖拈_(kāi)發(fā)利用，這一切都發(fā)生了深刻的變化。
人類圈與全球碳循環(huán)
約7000萬(wàn)年前，非洲板塊、印澳板塊不斷北移并與歐亞板塊碰撞，阿爾卑斯-喜馬拉雅一帶，特別是青藏高原全面隆升，大量新鮮巖石隨之出露地表，大氣中CO?侵蝕新鮮巖石而大量消耗，引致地球走上了降溫之路。
約260萬(wàn)年前，南北極廣布冰原，地球進(jìn)入大冰期。在這寒冷時(shí)代，人屬物種誕生！此時(shí)的人屬物種與生物圈中的其他物種并無(wú)太大差別，皆在捕食與被食之間。
約100萬(wàn)年前，生物圈中出現(xiàn)了人類圈。人類發(fā)現(xiàn)火焰能夠帶來(lái)溫暖，火成為人類自我升華的神圣之物。從那時(shí)起，人類用火將生物中的有機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)碳，開(kāi)始書(shū)寫(xiě)自己的碳足跡，義無(wú)反顧地踏上了參與全球碳循環(huán)之路。
約1萬(wàn)年前，人類圈碳足跡已遍布世界各地。獵業(yè)時(shí)代，人們采集狩獵，以碳基生命——生態(tài)產(chǎn)品為食物，對(duì)地球碳循環(huán)并沒(méi)有造成實(shí)質(zhì)性影響。農(nóng)業(yè)時(shí)代是人類圈對(duì)地球碳循環(huán)造成切實(shí)影響的開(kāi)端。人們以碳基生物質(zhì)為基礎(chǔ)能源，以碳基人畜力為基本動(dòng)力。人類砍伐樹(shù)木、焚燒森林以獲得土地，本應(yīng)在生物圈中存留數(shù)百年的碳提前進(jìn)入到大氣中。約7000年以來(lái)，大氣中CO?濃度因農(nóng)業(yè)活動(dòng)而緩慢上升。
18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，大量開(kāi)采使用碳基燃料，形成了一個(gè)前所未有的碳排放模式。以碳基燃料——煤炭、石油、天燃?xì)鉃槟茉粗黧w，轉(zhuǎn)化碳基電力、供熱、制冷系統(tǒng)。碳基燃料不只是用于燃燒。碳基燃料也是碳基材料，其中的碳?xì)浠衔锸乾F(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)原材料。由碳基材料制造的碳基化學(xué)品冥奠定了現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)。無(wú)數(shù)小分子首尾相連，形成了碳骨長(zhǎng)鏈。碳基材料中的碳-碳鍵是我們生活的物質(zhì)世界的基本特征，構(gòu)筑了現(xiàn)代生活消費(fèi)品的中心結(jié)構(gòu)。碳基燃料-碳基材料在煉鐵、煉鋼、肥料、玻璃、水泥以及塑料制造、合成纖維、石墨烯生產(chǎn)，以及數(shù)百種日用化學(xué)品生產(chǎn)制造方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。同時(shí)，每年有無(wú)數(shù)的石灰石、大理石用于建造公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、橋梁和建筑物，創(chuàng)造出四通八達(dá)、高樓林立的現(xiàn)代文明。如果缺少碳基燃料、碳基材料、碳基化合物、碳基制成品，就不會(huì)有現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代生活。不容忽視的問(wèn)題是，人工制造的碳基產(chǎn)品特別是塑料用品，因難以解除聚合碳鏈，已經(jīng)成為全球環(huán)境污染物的主要來(lái)源。
目前，人類正在邁入智業(yè)時(shí)代，似乎“硅基生命”呼之欲出。然而，硅是生命的死胡同?？v然人工智能以硅基芯片為基礎(chǔ)，但無(wú)論是芯片制造還是人工智能運(yùn)轉(zhuǎn)，依然以神奇的碳鏈——碳基燃料、碳基材料、碳基化合物、碳基制成品為根基。況且，在半導(dǎo)體領(lǐng)域石墨烯已具備挑戰(zhàn)硅的統(tǒng)治地位的潛力。展望未來(lái)，碳依然是人類文明的脊梁。
在一定意義上，生產(chǎn)力就是利用碳、改造碳的能力。從碳基生命到碳鏈文明，人類的生產(chǎn)生活生態(tài)皆以碳鏈為基礎(chǔ)，人類圈深度鑲嵌在全球碳循環(huán)中，碳元素深度參與了人類圈活動(dòng)。因人類活動(dòng)而導(dǎo)致的碳排放總量累計(jì)已達(dá)2萬(wàn)億噸。進(jìn)入21世紀(jì)，僅開(kāi)發(fā)利用碳基燃料一項(xiàng)，每年向大氣中排放的CO?就超過(guò)400億噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了各種自然過(guò)程排放量總合。這在根本上改變了地球碳循環(huán)碳秩序。
迭代升級(jí)的碳循環(huán)與跌宕起伏的碳基生命
地球碳循環(huán)起初是無(wú)機(jī)界的“三圈循環(huán)”，亦是“三色循環(huán)”。其中一圈是大氣中的碳，可稱為灰碳；一圈是海洋中的碳，可稱為藍(lán)碳；一圈是埋藏在地層中的碳，可稱為黑碳。三色碳相互轉(zhuǎn)化，形成了全球三色碳循環(huán)閉環(huán)。生命系統(tǒng)將大氣中的CO?轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，打通了無(wú)機(jī)界與有機(jī)界。
生命系統(tǒng)一經(jīng)出現(xiàn)，即成為地球碳循環(huán)的新生力量，推動(dòng)了地球碳循環(huán)升級(jí)。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)碳，可稱為綠碳。于是，地球碳循環(huán)由“三色循環(huán)”發(fā)展升級(jí)為“四色循環(huán)”，即綠碳、藍(lán)碳、灰碳、黑碳循環(huán)。
一直以來(lái)，從微生物到動(dòng)植物，活細(xì)胞使用和再利用碳原子的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)非生命世界的碳循環(huán)。新興的“四色循環(huán)”非?；钴S。特別是“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”過(guò)后，相繼涌現(xiàn)了五次全球性生物大滅絕事件。導(dǎo)致全球生物大滅絕事件的具有原因各不相同，但與碳-氧循環(huán)變化、溫室氣體增減引起的氣候波動(dòng)有著密切的關(guān)系。
（1）奧陶紀(jì)大滅絕事件。大約4.4億年前，奧陶紀(jì)末期，發(fā)生了地球生命史上第一次生物大滅絕事件。約85%的物種滅絕，生活在水體的無(wú)脊椎動(dòng)物蕩然無(wú)存。主要原因是全球氣候變冷，冰川鎖住了水，海洋嚴(yán)重縮水。亦有觀點(diǎn)認(rèn)為是伽馬射電暴擊中地球。
（2）泥盆紀(jì)大滅絕事件。大約3.65億年前，泥盆紀(jì)晚期，發(fā)生了第二次生物大滅絕事件。約70%的物種滅絕，海洋生物遭遇重創(chuàng)。泥盆紀(jì)晚期植物已登上陸地，缺少植食動(dòng)物，植物瘋狂生長(zhǎng)，導(dǎo)致碳-氧循環(huán)失去平衡，氧氣含量不斷上升，CO?濃度不斷降低，地球氣候變冷和海洋退卻，無(wú)法適應(yīng)寒冷的生物滅絕。
（3）二疊紀(jì)大滅絕事件。距今2.5億年前，二疊紀(jì)末期，發(fā)生了第三次生物大滅絕事件。這是最為嚴(yán)重的大滅絕事件，估計(jì)地球上有96%的物種滅絕，其中90%的海洋生物和70%的陸地脊椎動(dòng)物滅絕。在海洋中生活了3億年的三葉蟲(chóng)，躲過(guò)了奧陶紀(jì)、泥盆紀(jì)大滅絕事件，沒(méi)能躲過(guò)二疊紀(jì)大滅絕事件?？茖W(xué)家認(rèn)為，可能是地球海平面下降、大陸漂移，氣候突變、沙漠范圍擴(kuò)大、火山爆發(fā)等一系列復(fù)雜的原因，造成了物種生存環(huán)境變化。
（4）三疊紀(jì)大滅絕事件。大約2.08億年前，三疊紀(jì)晚期，發(fā)生了第四次生物大滅絕事件。約25%的物種瀕臨滅絕，主要是海洋生物滅絕?？茖W(xué)家認(rèn)為可能與小行星撞擊地球、超級(jí)火山爆發(fā)引發(fā)的氣候變化有關(guān)。
（5）白堊紀(jì)-恐龍大滅絕事件。在6500萬(wàn)年前的白堊紀(jì)，發(fā)生了第五次生物大滅絕事件。約80%的物種滅絕。恐龍家族躲過(guò)了三疊紀(jì)大滅絕事件，沒(méi)能躲過(guò)白堊紀(jì)大滅絕事件。白堊紀(jì)-恐龍大滅絕事件的原因，人們普遍接受的觀點(diǎn)是，小行星撞擊，一場(chǎng)或多場(chǎng)流星雨，全球氣溫急劇下降，導(dǎo)致全球生態(tài)系統(tǒng)崩潰。
生物大滅絕事件并非全是壞事，只不過(guò)是滅絕物種家族的厄運(yùn)而已。每一次生物大滅絕事件，都是地球生命系統(tǒng)的一次“自我更新”，也是生物世界的一次“改朝換代”。每一次生物大滅絕事件過(guò)后，自然生態(tài)系統(tǒng)的面貌都會(huì)煥然一新，形成新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)功能。已經(jīng)滅絕的物種讓出了生態(tài)位，騰出了生態(tài)空間，新的物種便趁勢(shì)而上，迅速補(bǔ)位，創(chuàng)建前所未有、詩(shī)意盎然的新的生態(tài)樣貌?？铸?jiān)?jīng)是三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)“三紀(jì)霸主”。不可一世的恐龍家族覆滅讓人們記憶極為深刻。前后跨越1.8億年的恐龍時(shí)代終結(jié)（想一想恐龍，是不是覺(jué)得人類還很年輕），為哺乳動(dòng)物和現(xiàn)代鳥(niǎo)類涌現(xiàn)打開(kāi)了機(jī)遇之門(mén)，同時(shí)，迎來(lái)了人類破繭成蝶的新曙光?？茖W(xué)家相信，地球有100億歲壽命，如今地球的年齡為46億歲，正值中年?，F(xiàn)在談?wù)摰厍蚰┤諡闀r(shí)尚早。未來(lái)地球的歲月依然很長(zhǎng)，碳循環(huán)與碳基生命迭代升級(jí)永遠(yuǎn)在路上。
人類涌現(xiàn)是翻天覆地的大事件，再一次推動(dòng)了地球碳循環(huán)和碳基生命的迭代升級(jí)。沒(méi)有人確切知道地球上為什么會(huì)涌現(xiàn)人類這個(gè)超級(jí)物種。如果讓地球生命重新演化一次，再次出現(xiàn)人類的機(jī)會(huì)為零。也許，人類本身就是地球生命系統(tǒng)中發(fā)生的一個(gè)意外。遠(yuǎn)不止一般生物“基因的自私性”，天生就有一副為自己謀利的靈魂。如今，全球人口規(guī)模竟然超過(guò)了80億。人類憑借天賦異稟廣得地球之利，而同時(shí)代的物種不勝其擾。一而再、再而三奪物取地，一次又一次掏挖侵蝕地球生命系統(tǒng)之基。從獵業(yè)到農(nóng)業(yè)、工業(yè)再到智業(yè)，每一次生產(chǎn)力革命都把人類圈擴(kuò)張帶入新高度，并對(duì)生物圈、水圈、大氣圈、巖石圈造成深遠(yuǎn)影響。人類摧毀森林、草原、濕地，將綠碳加速轉(zhuǎn)化為灰碳；人類開(kāi)發(fā)利用煤炭、石油、天然氣，將黑碳加速轉(zhuǎn)化為灰碳；人類創(chuàng)建海洋牧場(chǎng)，把藍(lán)碳加速轉(zhuǎn)化為灰碳。人類發(fā)展農(nóng)業(yè)、工業(yè)、智業(yè)及其服務(wù)業(yè)，一條產(chǎn)業(yè)鏈就是一條與“四色循環(huán)”緊密相連的碳鏈。在綠色碳庫(kù)、藍(lán)色碳庫(kù)、黑色碳庫(kù)、灰色碳庫(kù)之外，人類圈形成了獨(dú)特的碳庫(kù)，可稱之為黃色碳庫(kù)。
當(dāng)一輛以油為動(dòng)力的汽車在大街上疾馳的時(shí)候，就已經(jīng)把人類圈-黃色碳庫(kù)與大氣圈-灰色碳庫(kù)連通。每一次油動(dòng)車發(fā)動(dòng)之時(shí)，就是打開(kāi)人類圈-黃色碳庫(kù)向大氣圈-灰色碳庫(kù)排放CO?開(kāi)關(guān)之際。人類圈-黃色碳庫(kù)擁有無(wú)數(shù)與大氣圈-灰色碳庫(kù)聯(lián)通的“碳開(kāi)關(guān)”，形成了規(guī)模宏大的“碳開(kāi)關(guān)群”。一個(gè)“碳開(kāi)關(guān)”所釋放的CO?足跡，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)管控。人類圈-黃色碳庫(kù)“碳開(kāi)關(guān)群”加入了地球碳循環(huán)，將“四大碳庫(kù)”改造為“五大碳庫(kù)”，也把“四色循環(huán)”升級(jí)為“五色循環(huán)”。如果把“五色循環(huán)”描繪成一個(gè)迷你甜甜圈的話，黃色即是中空部分。
人類圈-黃色碳庫(kù)是“五大碳庫(kù)”中最活躍的碳庫(kù)，并已成為“五色循環(huán)”中的主導(dǎo)力量。由于人類圈-黃色碳庫(kù)過(guò)為活躍，導(dǎo)致“五色循環(huán)”嚴(yán)重瘀滯，黑色碳庫(kù)加速向黃色碳庫(kù)轉(zhuǎn)存，黃色碳庫(kù)巨量釋放，綠色、藍(lán)色碳庫(kù)接納能力不足，灰色碳庫(kù)因接納過(guò)度而脹庫(kù)——大氣中CO?濃度持續(xù)升高。科學(xué)家從冰芯采集的樣品數(shù)據(jù)分析顯示，過(guò)去100萬(wàn)年間，大氣中CO?濃度在90-280ppm之間。迄今為止，人類所排放的CO?，約30%被陸地生態(tài)系統(tǒng)吸納，約30%被海洋吸納，約40%仍留在大氣中。致使大氣中CO?濃度從工業(yè)革命前的280ppm上升至如今的415ppm。這已是200萬(wàn)年來(lái)大氣中CO?濃度的峰值，而且還在創(chuàng)建新的峰值。21世紀(jì)頭20年已經(jīng)比20世紀(jì)頭20年年均氣溫高出了1℃。冰架、冰蓋正在以前所未有的速度碎裂、融化、消失。
大多數(shù)綜合“經(jīng)濟(jì)-氣候”模型顯示，到2050年溫室氣體濃度將是工業(yè)化前的兩倍?？茖W(xué)家估計(jì)，21世紀(jì)人類圈-黃色碳庫(kù)排放的CO?，部分植入生物圈、充實(shí)綠色碳庫(kù)，部分向海洋深處擴(kuò)散、充實(shí)藍(lán)色碳庫(kù)，將有50-60%滯留于灰色碳庫(kù)中，必將持續(xù)加劇溫室效應(yīng)，增強(qiáng)生態(tài)與環(huán)境災(zāi)害頻次，必將掀起第六次生物大滅絕的更大波瀾。
第六次生物大滅絕事件，人類涌現(xiàn)之后來(lái)勢(shì)洶洶的全新世生物大滅絕。與以往五次生物大滅絕相比，第六次生物大滅絕來(lái)得更猛烈。人類不再置身生物大滅絕事件之外，而是身臨其境、命運(yùn)與共。事實(shí)上，人類是第六次生物大滅絕的直接推手。由單一物種行為觸發(fā)的全球性生物大滅絕事件，這是地球生命史上的第一次。自從人類涌現(xiàn)以來(lái)，地球生命維持系統(tǒng)遭到了人類的深度蠶食。有科學(xué)家估計(jì)， 如果沒(méi)有人類干擾，在過(guò)去2億年中，每100年只有90種脊椎動(dòng)物滅絕，不到4種高等植物滅絕。因?yàn)槿祟惛蓴_，鳥(niǎo)類和哺乳類動(dòng)物滅絕速度增加了100-1000倍。1600年以來(lái)的400年間，有記錄的高等動(dòng)植物已滅絕724種，絕大多數(shù)物種在人類不知道之前就已經(jīng)滅絕。有很多實(shí)際已滅絕的物種并沒(méi)有記錄。有科學(xué)家估計(jì)，已經(jīng)過(guò)去的20世紀(jì)，實(shí)際滅絕的物種在200萬(wàn)以上，每年滅絕的物種超過(guò)14萬(wàn)個(gè)。即使以最保守的方法估算，第六次全球生物大滅絕都是歷次大滅絕事件中速度最快的一次。人類誕生以來(lái)，已經(jīng)造成約83%的野生動(dòng)物滅絕。尚有16%到33%脊椎動(dòng)物遭受威脅或者瀕危，大型動(dòng)物面臨著最高的衰退率，這種趨勢(shì)與之前的大滅絕事件相匹配。大型動(dòng)物滅絕會(huì)產(chǎn)生滴漏效應(yīng)，動(dòng)搖包括人類在內(nèi)的生物多樣性穩(wěn)定性和持續(xù)性。當(dāng)然，第六次生物大滅絕并不能全部歸因于全球碳循環(huán)失序，但其影響亦不可小覷。
悠悠萬(wàn)事，唯此為大。人類是當(dāng)今的地球霸主，在迅猛發(fā)展的第六次生物大滅絕事件中，人類的前途與命運(yùn)幾何？主動(dòng)讓出生態(tài)位？被動(dòng)撤離生態(tài)位？還是死守生態(tài)位？值得高度關(guān)注、深度觀察。面對(duì)未來(lái)的不確定性，決不是事不關(guān)己高高掛起。不能賭，賭不起，更輸不起。
關(guān)注自然圈變量，全力控制人類圈碳變量
地球上的自然碳庫(kù)由灰色碳庫(kù)（大氣中的碳）、藍(lán)色碳庫(kù)（海洋中的碳）、綠色碳庫(kù)（陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳）以及黑色碳庫(kù)（地表以下埋藏的碳）組成?？茖W(xué)家提供的數(shù)據(jù)顯示，地球上的自然碳庫(kù)總儲(chǔ)量約為18.5億兆噸（1兆噸等于10億噸），其中黑色碳庫(kù)（包括化石燃料）碳儲(chǔ)量為14.15億兆噸（地球深部究竟有多少碳儲(chǔ)量，目前仍存在著較大的爭(zhēng)議）、占76.4%；藍(lán)色碳庫(kù)、綠色碳庫(kù)、灰色碳庫(kù)三大地表碳庫(kù)碳儲(chǔ)量為4.35萬(wàn)吉噸、占23.6%。三大地表碳庫(kù)中，（1）藍(lán)色碳庫(kù)約占94%，其中85.1%埋藏在海底深處、6.9%為海洋生物沉積物、2%在海洋表層；（2）綠色碳庫(kù)占4.6%；（3）灰色碳庫(kù)占1.4%?；疑紟?kù)是典型的“關(guān)鍵少數(shù)”。
人類利用自然、改造自然，一直在擾動(dòng)自然碳庫(kù)，并從四大自然碳庫(kù)中分割出人類圈-黃色碳庫(kù)。黃色碳庫(kù)既與四大自然碳庫(kù)互動(dòng)聯(lián)通，又相對(duì)獨(dú)立存在。綠色碳庫(kù)中的農(nóng)田、牧場(chǎng)、漁塘、商品林，藍(lán)色碳庫(kù)中的海洋養(yǎng)殖場(chǎng)、捕撈場(chǎng)，以及工礦、城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村與碳有關(guān)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)，共同構(gòu)成了人類圈-黃色碳庫(kù)。人類圈-黃色碳庫(kù)的碳排放水平和碳封存能力是灰色碳庫(kù)CO?增減消長(zhǎng)的最大變量、關(guān)鍵變量。過(guò)去，人們普遍擔(dān)心碳基燃料會(huì)被用光?，F(xiàn)在，擔(dān)心碳基燃料引發(fā)溫室氣體濃度過(guò)高。解鈴還須系鈴人。增強(qiáng)人類圈-黃色碳庫(kù)管理是全球碳循環(huán)管理的根本。
地球上所有的碳——無(wú)論那個(gè)碳庫(kù)的碳都會(huì)參與全球碳循環(huán)。影響全球碳循環(huán)的變量很多，有自然變量亦有人工變量，有自變量亦有因變量，有慢變量亦有快變量，有可控變量亦有不可控變量，一定要精準(zhǔn)識(shí)別變量，優(yōu)化管理舉措。對(duì)三色碳循環(huán)、四色碳循環(huán)和五色碳循環(huán)分類處置，既要制定宏觀政策，又要建立微觀機(jī)制。
首先，關(guān)注無(wú)機(jī)碳循環(huán)過(guò)程。無(wú)機(jī)碳循環(huán)是自然過(guò)程，人類無(wú)法控制因素。地球碳儲(chǔ)存主要在黑色碳庫(kù)中，地殼巖石中的碳通過(guò)化學(xué)反應(yīng)逐漸釋放到藍(lán)色碳庫(kù)、灰色碳庫(kù)中。石灰?guī)r、白云石和碳質(zhì)頁(yè)巖等碳質(zhì)巖化學(xué)分解，以CO?形式進(jìn)入大氣，對(duì)全球碳平衡產(chǎn)生長(zhǎng)期影響。地震、火山爆發(fā)，將黑碳、綠碳轉(zhuǎn)化為灰碳。全球2000多座火山，其中約500座是活火山，定期或是不定期噴發(fā)?；鹕絿姲l(fā)是地球深部碳參與碳循環(huán)的重要路徑。這部分碳循環(huán)是地球本初形成的“三色循環(huán)”的重要組成部分，也是不受人類控制的自然過(guò)程，可以關(guān)注，亦要順應(yīng)，但不可以違反自然強(qiáng)加管理。
其次，向自然生態(tài)系統(tǒng)施以保護(hù)修復(fù)之策。在無(wú)機(jī)碳循環(huán)基礎(chǔ)上的自然生態(tài)系統(tǒng)——綠色碳庫(kù)，比如森林、草原、濕地、荒漠，有可能成為碳匯——CO?吸收能力大于排放能力，灰碳轉(zhuǎn)化為綠碳，綠色碳庫(kù)盈余，有利于降低溫室氣體濃度。同時(shí)，有的自然生態(tài)系統(tǒng)又可能成為碳源——CO?吸收能力小于排放能力，綠碳轉(zhuǎn)化為灰碳，綠色碳庫(kù)虧空，增加了溫室氣體供給。天然演化發(fā)育成熟的自然生態(tài)系統(tǒng)，既是碳匯又是碳源，二者總是處于碳平衡狀態(tài)，也就是生態(tài)系統(tǒng)碳中和。但是，經(jīng)過(guò)人類圈的長(zhǎng)期利用、持續(xù)掏挖，情況變得相當(dāng)復(fù)雜。有的生態(tài)系統(tǒng)已嚴(yán)重衰敗，經(jīng)過(guò)保護(hù)恢復(fù)，具有較大的碳匯能力。有的生態(tài)空間上，存在大小不一、深淺不同如潰瘍一般的碳塌陷、碳窟窿，急需要填補(bǔ)。要區(qū)別對(duì)待、精準(zhǔn)施策。完善綠色碳庫(kù)擴(kuò)容增儲(chǔ)機(jī)制，持續(xù)開(kāi)展植樹(shù)種草修補(bǔ)綠碳窟窿，嚴(yán)格管理自然保護(hù)地，切實(shí)防治外來(lái)生物入侵，防止人為的森林草原火災(zāi)。
第三，切實(shí)管理人類圈-黃色碳庫(kù)。這是人工過(guò)程、人為因素，完全可控因素。CO?是人類圈泄漏的副產(chǎn)品。人類開(kāi)采利用碳基燃料——煤炭、石油、天燃?xì)猓瑢⒑谏紟?kù)中的碳轉(zhuǎn)化為黃色碳庫(kù)中的碳，再轉(zhuǎn)化為大氣圈-灰色碳庫(kù)中的CO?。人類開(kāi)發(fā)利用自然之地，將其轉(zhuǎn)化為人工之地——農(nóng)場(chǎng)、工廠、商店，將綠色碳庫(kù)轉(zhuǎn)化為黃色碳庫(kù)，并將黃碳轉(zhuǎn)化為灰碳。這種人為的碳排放是導(dǎo)致大氣中CO?濃度顯著升高的關(guān)鍵因素，也是全球碳管理的關(guān)鍵領(lǐng)域和控制大氣中CO?濃度的總開(kāi)關(guān)。要堅(jiān)持走資源集約節(jié)約、綠色低碳發(fā)展之路，把碳達(dá)峰碳中和規(guī)劃變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)行動(dòng)和真實(shí)圖景，設(shè)置排碳權(quán)，超排懲戒，以及碳稅壁壘等政策工具。人類文明面臨選擇發(fā)展道路的重大挑戰(zhàn)，要么轉(zhuǎn)型利用非碳基能源——光能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海浪能、核能，走出脫碳發(fā)展之路；要么把碳基燃料“吃干榨凈”，實(shí)現(xiàn)CO?超低排放直至零排放。這是人類文明史上具有劃時(shí)代意義的發(fā)展轉(zhuǎn)型，也是具有強(qiáng)烈陣痛感的發(fā)展轉(zhuǎn)型。
把控好手中“碳開(kāi)關(guān)”，永葆地球溫室之美
地球之美，美在溫室。溫室效應(yīng)是CO?為地球生命系統(tǒng)提供的最普惠的公共產(chǎn)品。太陽(yáng)的熱輻射到達(dá)地球大氣層后，約30%被反射回空間，其余被大氣和地球表面所吸收。地球表面因吸收了太陽(yáng)熱輻射短波紅外線而變得溫暖。當(dāng)?shù)厍蜃兊脺嘏?，以長(zhǎng)波紅外線形式向外輻射熱量，而大氣中的CO?和甲烷、水蒸汽能夠吸收長(zhǎng)波紅外線而不是短波紅外線，因此截留了地球溫暖后向外的輻射熱量，這就是地球溫室效應(yīng)。如果沒(méi)有溫室效應(yīng)，地球表面的溫度將是-19℃，而不是當(dāng)今的14℃。年平均氣溫14℃堪稱是人類圈的黃金溫度。世界著名的古都北京、西安、雅典、羅馬，年平均氣溫分別為13℃、14℃、15℃和15℃。
地球上的所有生命得益于早就存在的溫室效應(yīng)。歷次生物大滅絕事件表明，如果這一全球生命系統(tǒng)的公共產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，地球?qū)⒆兂蓻Q不留情的巨大的生命墳場(chǎng)。我們與我們共生的生物伙伴，是同時(shí)代地球溫室里的生命，世代享受著地球溫室效應(yīng)帶來(lái)的好處。
現(xiàn)在，以至將來(lái)，不是不要溫室效應(yīng)，也不是不要溫室氣體，而是要把溫室氣體控制在合理閾值，維護(hù)高質(zhì)量的溫室效應(yīng)，切實(shí)防止因溫室氣體濃度持續(xù)升高而導(dǎo)致的溫室效應(yīng)加劇，以及隨之而來(lái)的全球氣候變暖、自然生態(tài)系統(tǒng)崩潰、生態(tài)環(huán)境災(zāi)難頻發(fā)?，F(xiàn)代地球溫室效應(yīng)約有一半功勞屬于水蒸氣和云，反過(guò)來(lái)，當(dāng)氣溫升高時(shí)會(huì)增強(qiáng)水蒸氣和云，觸發(fā)升溫循環(huán)。長(zhǎng)此以往，升溫走向不可逆。
溫室氣體就如同是地球上蓋的被子，理想的被子要薄厚適宜。對(duì)于地球生命而言，地球的被子薄厚要恰到好，不能太薄也不能太厚。如果地球被子太薄，熱量損失太多會(huì)變冷；如果地球被子太厚，太多的熱量會(huì)被困在地球上。無(wú)論變冷抑或是變暖，你都會(huì)不舒服，我也會(huì)不舒服，萬(wàn)物皆會(huì)不舒服?，F(xiàn)在，我們生活的地球不是怕冷，而是怕熱，尤其不需要越來(lái)越厚的厚被子。
人類文明轉(zhuǎn)型并走上脫碳之路是大勢(shì)所趨。這是人類文明發(fā)展的重大轉(zhuǎn)型升級(jí)，也是保護(hù)地球溫室效應(yīng)的偉大行動(dòng)。全球碳管理的核心是CO?排放管理，把大氣中CO?濃度嚴(yán)格控制在安全閾值之內(nèi)，把全球升溫幅度控制在安全范圍之內(nèi)，永葆地球溫室之美。如今，決定地球溫室氣體濃度的“碳開(kāi)關(guān)群”就掌握在當(dāng)代人類手中。
轉(zhuǎn)型一小步，文明邁大步。地球是唯一的生命家園。我們是生物一種，世世代代以地球?yàn)榧覉@。全人類的一個(gè)共同愿景，就是建度美麗地球，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生。全球80多億人口，人人手中都有關(guān)系地球溫室氣體濃度的碳開(kāi)關(guān)。讓我們一起行動(dòng)，管理好自己手中的“碳開(kāi)關(guān)”，在控制溫室氣體濃度上貢獻(xiàn)屬于自己的那一份碳力量?。ㄎ?黨雙忍）
注：本文為《和諧》系列9。我們所處的知識(shí)爆炸時(shí)代，也是知識(shí)容易變得陳舊酸腐的時(shí)代。加快知識(shí)更新，就能嘗到新鮮知識(shí)的美味，并帶給自己愉悅的心情。相信此刻，你已嘗到美味，享受愉悅。2024年5月20日成稿于磨香齋。
責(zé)任編輯：艾米杰
返回頂部