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在人类进入工业革命前，碳循环是碳在大气、海洋和陆地生态系统间的流动。工业革命后，化石燃料的大量使用使得大气中的二氧化碳等温室气体含量急剧升高，温室作用随之加强，地球的温度也随之升高。随着这类现象的发生，“碳汇”也渐渐地进入到民众的视野。
近几年，对大气温室气体的升高与全球气候变化的相互关系的探讨，使地球系统的碳循环越来越得到各国政府、科学界和公众的关注。土壤碳库占陆地生态系统碳库的四分之三，是大气碳库的两倍。针对土壤碳汇的研究也似乎成为了碳汇研究的重中之重。
《地球》杂志特别邀请中国地质调查局研究员李敏、中国地质大学(北京)地球科学与资源学院副教授夏学齐为大家解读土壤碳汇研究对地球大气环境和气候的巨大影响，及其对于人类的生存有着怎样的意义。
“碳汇”的巨大作用
“现代主流的气候研究认为在没有人类过多的影响下，碳循环一直保持着一种动态平衡，也就是我们熟知的，大气中二氧化碳被陆地和海洋中的植物吸收，然后通过生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳等温室气体的形式返回大气中。”李敏说。
由于工业革命，贮存于地质碳库中的碳参与短期碳循环。这对气候和环境的影响越来越大。化石燃料所释放出来的碳元素，因森林、草原和海洋的过度破坏，使得土地利用增加的二氧化碳排放量，加重了大气的负担超出大自然的吸收能力之外。由于碳的处理方式不足，而滞留于大气中，原本的碳循环平衡给打破了-同时，造林和再造林形成CO2汇。大气二氧化碳增加导致的气候变化反馈过程影响碳循环。所以，吸收大气中的二氧化碳似乎可以极大地解决由于人类过度排放而造成的全球大气环境和气候的变化。
“研究土壤碳循环，首先要弄清楚土壤中的碳是碳源还是碳汇。”夏学齐说。以大气为中心，从空气中清除二氧化碳等温室气体的过程、活动、机制，称作碳汇，相反地，使大气中二氧化碳等温室气体浓度增加的过程、活动或机制称为碳源。碳源和碳汇是动态的概念，也就是说，碳源和碳汇在一定条件下是相互转化的，而对应碳汇或碳源的静态概念是碳库。“我们研究发现，自然因素和人为因素对碳储存量的影响比例是基本持平的。”夏学齐说，“如果影响气候变化中的人为因素不归类为自然因素，那么人为因素影响比例要远远高于纯粹的自然因素。”
在地球表层包括大气、陆地生态系统(包括土壤和植被)、岩石圈、海洋四大碳库，地球上最大的两个碳库是岩石圈和化石燃料，含碳量约占地球上碳总量的99.9％。这两个库中的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作用。而陆地生态系统与大气之间碳交换频繁而活跃。受许多自然和人为因素的影响，陆地生态系统碳库可以起碳汇作用，但与此同时，如果保护不当，也可能起到碳源作用。
对环境和气候影响显著
土壤是陆地生态系统的一部分。一般认为，土壤碳库占陆地生态系统碳库的四分之三，是大气碳库的两倍。因此，土壤碳库微小变化，就可以引起大气中二氧化碳等温室气体的明显改变。世界上许多国家很重视土壤碳库及其汇源转化机制研究以及土壤固碳作用的开发利用。增加土壤碳库，使其成为碳汇，可以非常有效地抵消工业发展中人为排放的二氧化碳等温室气体，在抑制全球变暖减缓温室效应的同时，还可以把大气中的二氧化碳等温室气体以有机质的形式固定于土壤，起到改良土壤，提高土地生产潜力的作用，这对于国家增加粮食产量和安全也具有无法比拟的重要意义。IPCCAR4(Z006)报告中指出土壤，尤其是东南亚的土壤是当前陆地生态系统中最大的固碳与温室气体减排的潜力所在。
研究表明土壤与大气间碳的年交换量高达60～80Pg，是每年石油和煤等化石燃料燃烧释放碳量的12～16倍。在陆地生态系统碳循环中，土壤碳的微小变化可能引起大气CO2浓度的较大变异，有计算表明，如果垒球土壤有机碳在目前的水平上增加1％，土壤固定的有机碳将增加15Pg左右，因此土壤碳库及其变动被视为影响大气二氧化碳等温室气体浓度的关键生态过程。因此土壤碳库的精确估算是研究全球变化，土壤碳循环的重要基础。2005年开始实施的、旨在减缓温室气体排放的《京都议定书》提出可以通过增加生态系统碳库来补偿经济发展中的碳排放，允许各国通过造林、再造林、森林和农田管理等人为活动引起的碳增汇用于抵消本国承诺的含碳温室气体减排指标。
土壤碳库并非无限低碳还需从我做起
李敏表示，土壤对碳的固定保持作用并不是无限增加的，它存在一个最大的保持容量，即饱和水平。对于固碳潜力，夏学齐做了一个比喻。“一个杯子能装多少水、已经装了多少水，现在已经装了的水容量可以观测到，能装多少、总体容积有多大，这就是一个固碳潜力。”初始有机碳含量愈远离饱和水平，碳的累积速率则愈快。而随着有机碳含量增长，土壤对碳的保持将变得愈加困难。当有机碳含量逼近或到达饱和水平时，增加外源碳的投入将不再增加土壤有机碳库。
国内外土壤碳储的估算经历了约40年的时间。中国地质调查局测量数据表明，目前全球土壤有机碳库(1m厚)的估计值为的1500Pg和约2000Pg的无机碳。因此，合理估算土壤对减缓温室气体排放的潜力，已成为世界各国研究和国际外交谈判的焦点。根据我国第二次土壤普查数据估算的我国土壤有机碳库约为90Pg，无机碳库约为60Pg。
我国土壤有机碳储量研究大致开始于上世纪90年代，学者们逐渐认识到土壤碳库和全球变化的关系，开始关注我国土壤碳库量，国内诸多单位都有学者开始利用土壤普查数据计算我国土壤有机碳储量，但其计算结果大小不一，从50Pg C到190Pg C不等。因此，到目前为止，对于我国土壤有机碳储量并没有特别明确的数字。但可以肯定的是，土壤可以承担很大的碳汇，调查土壤固碳潜力和增加土壤碳汇能力可以有效地降低大气中温室气体的含量、吸收过量排放的二氧化碳等温室气体。从而改善气候和每况愈下脆弱的大气环境。
在谈到今后对碳循环研究工作方向的时候，夏学齐和李敏共同表示；“充分利用现有资料，进行碳源汇状况及其控制因素研究，然后研究土壤固碳潜力和固碳技术，简单地说，就是回答‘变了没有?为什么变?会产生什么影响?人类怎么办?’等问题。”
中国地质调查局组织实施的“多目标区域地球化学调查”，自1999年延续至今使用每平方公里一件样品的采样密度，覆盖了165万平方公里的国土面积，获取了54项土壤地球化学指标，在为土壤生态环境评价、土地质量评估，富硒土地资源开发、矿产资源潜力评价等工作提供基础数据的同时。也为土壤碳库和碳循环研究提供了宝贵基础资料。“利用这些资料与历史资料对比，就可以获取土壤碳库变化状况，这是我们工作的第一步。”
近几年，对大气温室气体的升高与全球气候变化的相互关系的探讨，使地球系统的碳循环越来越得到各国政府、科学界和公众的关注。土壤碳库占陆地生态系统碳库的四分之三，是大气碳库的两倍。针对土壤碳汇的研究也似乎成为了碳汇研究的重中之重。
《地球》杂志特别邀请中国地质调查局研究员李敏、中国地质大学(北京)地球科学与资源学院副教授夏学齐为大家解读土壤碳汇研究对地球大气环境和气候的巨大影响，及其对于人类的生存有着怎样的意义。
“碳汇”的巨大作用
“现代主流的气候研究认为在没有人类过多的影响下，碳循环一直保持着一种动态平衡，也就是我们熟知的，大气中二氧化碳被陆地和海洋中的植物吸收，然后通过生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳等温室气体的形式返回大气中。”李敏说。
由于工业革命，贮存于地质碳库中的碳参与短期碳循环。这对气候和环境的影响越来越大。化石燃料所释放出来的碳元素，因森林、草原和海洋的过度破坏，使得土地利用增加的二氧化碳排放量，加重了大气的负担超出大自然的吸收能力之外。由于碳的处理方式不足，而滞留于大气中，原本的碳循环平衡给打破了-同时，造林和再造林形成CO2汇。大气二氧化碳增加导致的气候变化反馈过程影响碳循环。所以，吸收大气中的二氧化碳似乎可以极大地解决由于人类过度排放而造成的全球大气环境和气候的变化。
“研究土壤碳循环，首先要弄清楚土壤中的碳是碳源还是碳汇。”夏学齐说。以大气为中心，从空气中清除二氧化碳等温室气体的过程、活动、机制，称作碳汇，相反地，使大气中二氧化碳等温室气体浓度增加的过程、活动或机制称为碳源。碳源和碳汇是动态的概念，也就是说，碳源和碳汇在一定条件下是相互转化的，而对应碳汇或碳源的静态概念是碳库。“我们研究发现，自然因素和人为因素对碳储存量的影响比例是基本持平的。”夏学齐说，“如果影响气候变化中的人为因素不归类为自然因素，那么人为因素影响比例要远远高于纯粹的自然因素。”
在地球表层包括大气、陆地生态系统(包括土壤和植被)、岩石圈、海洋四大碳库，地球上最大的两个碳库是岩石圈和化石燃料，含碳量约占地球上碳总量的99.9％。这两个库中的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作用。而陆地生态系统与大气之间碳交换频繁而活跃。受许多自然和人为因素的影响，陆地生态系统碳库可以起碳汇作用，但与此同时，如果保护不当，也可能起到碳源作用。
对环境和气候影响显著
土壤是陆地生态系统的一部分。一般认为，土壤碳库占陆地生态系统碳库的四分之三，是大气碳库的两倍。因此，土壤碳库微小变化，就可以引起大气中二氧化碳等温室气体的明显改变。世界上许多国家很重视土壤碳库及其汇源转化机制研究以及土壤固碳作用的开发利用。增加土壤碳库，使其成为碳汇，可以非常有效地抵消工业发展中人为排放的二氧化碳等温室气体，在抑制全球变暖减缓温室效应的同时，还可以把大气中的二氧化碳等温室气体以有机质的形式固定于土壤，起到改良土壤，提高土地生产潜力的作用，这对于国家增加粮食产量和安全也具有无法比拟的重要意义。IPCCAR4(Z006)报告中指出土壤，尤其是东南亚的土壤是当前陆地生态系统中最大的固碳与温室气体减排的潜力所在。
研究表明土壤与大气间碳的年交换量高达60～80Pg，是每年石油和煤等化石燃料燃烧释放碳量的12～16倍。在陆地生态系统碳循环中，土壤碳的微小变化可能引起大气CO2浓度的较大变异，有计算表明，如果垒球土壤有机碳在目前的水平上增加1％，土壤固定的有机碳将增加15Pg左右，因此土壤碳库及其变动被视为影响大气二氧化碳等温室气体浓度的关键生态过程。因此土壤碳库的精确估算是研究全球变化，土壤碳循环的重要基础。2005年开始实施的、旨在减缓温室气体排放的《京都议定书》提出可以通过增加生态系统碳库来补偿经济发展中的碳排放，允许各国通过造林、再造林、森林和农田管理等人为活动引起的碳增汇用于抵消本国承诺的含碳温室气体减排指标。
土壤碳库并非无限低碳还需从我做起
李敏表示，土壤对碳的固定保持作用并不是无限增加的，它存在一个最大的保持容量，即饱和水平。对于固碳潜力，夏学齐做了一个比喻。“一个杯子能装多少水、已经装了多少水，现在已经装了的水容量可以观测到，能装多少、总体容积有多大，这就是一个固碳潜力。”初始有机碳含量愈远离饱和水平，碳的累积速率则愈快。而随着有机碳含量增长，土壤对碳的保持将变得愈加困难。当有机碳含量逼近或到达饱和水平时，增加外源碳的投入将不再增加土壤有机碳库。
国内外土壤碳储的估算经历了约40年的时间。中国地质调查局测量数据表明，目前全球土壤有机碳库(1m厚)的估计值为的1500Pg和约2000Pg的无机碳。因此，合理估算土壤对减缓温室气体排放的潜力，已成为世界各国研究和国际外交谈判的焦点。根据我国第二次土壤普查数据估算的我国土壤有机碳库约为90Pg，无机碳库约为60Pg。
我国土壤有机碳储量研究大致开始于上世纪90年代，学者们逐渐认识到土壤碳库和全球变化的关系，开始关注我国土壤碳库量，国内诸多单位都有学者开始利用土壤普查数据计算我国土壤有机碳储量，但其计算结果大小不一，从50Pg C到190Pg C不等。因此，到目前为止，对于我国土壤有机碳储量并没有特别明确的数字。但可以肯定的是，土壤可以承担很大的碳汇，调查土壤固碳潜力和增加土壤碳汇能力可以有效地降低大气中温室气体的含量、吸收过量排放的二氧化碳等温室气体。从而改善气候和每况愈下脆弱的大气环境。
在谈到今后对碳循环研究工作方向的时候，夏学齐和李敏共同表示；“充分利用现有资料，进行碳源汇状况及其控制因素研究，然后研究土壤固碳潜力和固碳技术，简单地说，就是回答‘变了没有?为什么变?会产生什么影响?人类怎么办?’等问题。”
中国地质调查局组织实施的“多目标区域地球化学调查”，自1999年延续至今使用每平方公里一件样品的采样密度，覆盖了165万平方公里的国土面积，获取了54项土壤地球化学指标，在为土壤生态环境评价、土地质量评估，富硒土地资源开发、矿产资源潜力评价等工作提供基础数据的同时。也为土壤碳库和碳循环研究提供了宝贵基础资料。“利用这些资料与历史资料对比，就可以获取土壤碳库变化状况，这是我们工作的第一步。”