地球碳循环那些事儿

Jijun.liu

水是生命之源，碳是生命之基。作为碳基生物，地球人都该知道，碳循环与水循环一样，是地球生物圈存在的必要条件。




地球上大概有碳60000万亿吨，其中99.9%被封禁在岩石圈夜半三更哟盼天明，只盼有一天祖坟火山冒青烟让自己逃出生天。




但由于地球已球到中年，运动能力早不如前，啪啪啪爆发火山这种当初的日常事件，如今已成新闻事件——曾经的碳循环主力，如今退居二线，只能在挥发余热时抢抢伪头条。根据2013年科学家对各种火山每年碳排放的抽样测量分析，全球火山碳排放大概是每年6.45亿吨。而2019年发表在物理学家组织网的一项研究认为，火山碳排放每年还不到4亿吨。海洋每年的新增固碳能力大概是5~6亿吨，基本可以消化火山的碳排放。


当然，上述只是当前年代正常火山活动的排量。如果遇到超级火山大爆发，碳排放量将呈指数级上升——当然还附赠更多有害物质。2.5亿年前的西伯利亚火山大喷发，持续了百万年，灭绝了差不多96%的物种，史称西伯利亚地盾事件、二叠纪末生物大灭绝。




但在超级火山爆发之前，岩石圈里蠢蠢欲动的碳多数时间只能憋着，继续充当风光地表的暗黑基本盘。


所以，眼下活跃在大循环一线的碳，只是碳家族中的极少数、一丢丢。这一丢丢活跃分子，分布在三个碳库：大气圈库、水圈库、生物圈库。这三个碳库之间的吐纳循环，是地表得以生机勃勃、风光无限的根基。


水圈、生物圈的碳，最大来源是大气圈。而大气圈的碳，从总量上来说，大概每20年就可以完全更新一次，也就是更新7600亿吨，平均每年更新380亿吨。所以如果一个人有幸活到100岁，TA就可以经历地球大气碳元素的五更。


人体含碳量为18.5%。除脑细胞等重要神经细胞外，人体全身细胞平均大概6.5年更新一遍，按照人均体重60公斤、80亿人算，不算吃穿住行与热武器互殴等消耗，仅人体细胞更新一项，每年平均碳循环量52000000吨。加上正常年份全球平均每年死亡5800万人带来的643800吨碳循环量，人体细胞凋亡年碳循环总量为52643800吨。如果对这么多碳没概念，可以参考另一个数字：2022年全球天然石墨产量为1300000吨。这段所说的“碳”是纯碳，不是碳排放所指的温室气体。




在生物圈，碳的流通基本上始于植物。植物每年大概要吃掉空气中碳总量的1/20~1/35。这意味着，如果没有什么东西往空气中大搞碳排放，只需二三十年，地球生命的原动力——光合作用，就被卡了脖子，断供了碳原料。

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这并非危言耸听。我们的大气层、水系、地质运动本身，各自都是庞大的复杂系统，它们相互作用，加上更加复杂多变的生物参与互动，常常会引发难以预测的后果，诸如气温、大气中某些成分的大起大落等等。看过本号《地球故事》系列的朋友都记得，类似的不稳定事件，在地球上反复发生。
比如大概20多亿年前的大氧化事件，地球生命的老祖宗们都是厌氧生物，吃的是碳，排的是氧，由于当时我们动物都不在，氧气自然就越来越多，活泼的氧不仅开始毒死生物，还氧化了地表的矿物，氧化了空气中的甲烷等温室气体，使地球进入冰期，造成雪球地球，这就是著名的大氧化事件——造成了99.5%的生命消失。

而在大概2.8亿年前的石炭纪，由于植被过于茂盛，分解植物尸体的真菌尚未就位，导致植物固碳后就很难形成碳排放，回归大气层。虽然那时动物已经登场，但碳排放远远跟不上植物固碳的速度，于是氧气供过于求，导致空气中氧含量飙升，甚至超过35%。助燃剂、燃料充盈整个地表，于是一场超级大火不可避免地发生了，这场蔓延全球的大火，一烧就是三十年。碳排放的问题解决了，但燃烧及燃烧后的灰烬产生的有毒气体依然源源不断地注入大气，持续了上万年之久。这场大灾难灭绝了差不多一半物种。曾经统治海洋的三叶虫自此一蹶不振。

所以说，千万不要以为碳排放越少越好，也不要以为地球上没有人类活动的话，环境就一定会变好。空气中的碳排放如果跟不上生物圈、水圈的固碳速度，那同样是灾难。

前面说了，生物圈固碳的大咖是植物。低调的植物碳含量，达到生物圈碳总量的大约82.5%；更低调的细菌、真菌、古生菌、原生生物、病毒加起来占了其余的绝大部分，约17.1%；满世界胡闹的动物只占大概0.4%。

而在这可怜的0.4%中，闹得最欢、自以为是地球统治者的人类，只分得2.5%。

作为消费者，动物虽然固碳能力不行，但碳排放能力绝对碾压其他物种。比如说人类养的牛，每年吃喝拉撒的碳排放43亿吨，海洋鱼类每年碳排放16.5亿吨。你可能对这几十亿吨不以为然——相比于植物恐怖的固碳能力，这简直就是毛毛雨嘛！别急，动物界当然不止有海鱼和家牛那么简单，一个相当合理的推测是，野牛大象麻雀蓝鲸蛤蟆蚯蚓蟑螂和猪们也属于动物。更重要的是，我们愚蠢的人类也属于动物。一个人每天吃喝拉撒带喘气的温室气体排放——当然主要是二氧化碳排放——大概5公斤左右，也就是说，不算取暖、家电、开车等大宗消耗，全球目前80亿人口，每年温室气体146亿吨。看到这儿，细心的小伙伴可能会发出灵魂追问：

论生物体含碳总量，人类相比于鱼类、家畜来讲，都少的可怜，为啥吃喝拉撒的碳排放却一骑绝尘？不是忘了小数点吧？那是因为，人类早已经脱离了抓住原生食物张嘴就啃的状态，我们的食物除了捕采养殖，还需要各种加工、包装和运输，而且养动物的话，首先还要养殖和加工它们的食物，整个过程的碳排放量惊人，所以有了这个违背直觉的数据：全球温室气体排放的大概26%来自食品行业，而我们印象中的耗能大户，钢铁业的碳排放只占7.2%。



据国际能源署发布的数据，2021年全球能源燃烧和工业过程产生的碳排放为363亿吨。

目前我国温室气体排放人均达10吨，其中二氧化碳排放超过7吨。



我们可以看看“全球各领域温室气体排放结构图”，体会一下人类活动的碳排放能力：



上图转化成简表：



生物圈的碳循环很精彩，但水圈的碳循环也不遑多让。水体固碳有各种姿势，比如溶解度固碳、岩石固碳、重力固碳、水体生物固碳等。

Jijun.liu

溶解度固碳很好理解，就是水体中溶解了大量二氧化碳。在深海，高密度海水溶解的二氧化碳可以比较稳定地存在于水体。

生物固碳前面说过，不过，与陆地生物固碳不同的是，海洋生物的固碳成果，很大部分会沉积在海底，被长期储存，不像陆地生物所固的碳那样容易回到大气层。

岩石固碳，大致过程就是水溶解二氧化碳，形成碳酸氢根离子，遇到含钙的矿物质，发生反应，形成碳酸钙等，沉积成岩石。如果对水下沉积的碳酸盐岩石不熟，可以看看美丽的钟乳石感受一下。

水体固碳的主力自然是海洋。海洋的储碳量是陆地的近20倍、大气的近50倍。

占据大部分地表的海洋，通过海面溶解二氧化碳，向深海源源不断地输送碳酸盐沉积物，这个水动力过程被称为“物理泵”。如果把固碳机制都叫做碳泵，那么你知道，海洋碳汇包括：生物碳泵、溶解度碳泵、碳酸盐碳泵、微生物碳泵等。

无论地球的自然碳循环系统多么精微美妙，无论这片天地对卑微生命而言多么广袤博大，人类工业化以来突飞猛进的碳排放能力还是扰乱了碳循环的平衡。

根据《2022年全球碳预算报告》，2022年全球碳排放可达405亿吨。这个体量，让我们眼中各种天灾造成的碳排放自惭形秽，比如野火引起的碳排放每年大概80亿吨。


由于碳排放主要是二氧化碳，而二氧化碳中碳氧质量比是3:8，那么2022年排放的碳量，大概是405÷11×3≈110吨。根据前面的数据，地球自然碳循环每年可更新空气中的碳量是380亿吨，其中生物固碳大户——植物大概每年固碳250亿吨。也就是说，人类一族，碳排放消耗了植物固碳能力的40%，自然固碳能力的30%。

碳排放的第一把交椅，火山退，人类进，并有过之而无不及。这让大气中的二氧化碳含量持续上升。最直接的影响就是温室效应增强，引起全球变暖，融化冰川冰盖，导致海平面上升，海水酸化，威胁海洋生物，破坏生态系统平衡，最终威胁人类自己……

各种研究表明，人类对地球碳排放量的提升和气温变暖有着不可抵赖的责任。

所以，减碳、碳达峰、碳中和，发展绿色产业、形成低碳生产生活方式……这些，并不是无关紧要的空洞口号，而是自我救赎的努力方向。也就是说，有意识地主动干预碳循环，一手抓减排，一手抓固碳，是人类生存发展的必答题。

固碳的办法很多，或美妙，或有趣，我们简单的举几例：

美妙的，比如生态系统碳汇，主要是通过各种手段让植被覆盖率更高、植物生长更茂盛，来实现固碳。这条途径虽然不能立竿见影，但在环境破坏比较严重的地方，却非常有效，固碳潜力巨大；但是对于环境本来就很好、植被丰茂的地方，提升空间就没那么大。这就要想想其他办法了——

有趣的，比如把液态二氧化碳注入深海，会发生什么呢？二氧化碳并不会冒泡浮出海面，而是在海水重力产生的强大压力下，保持液态——这时它的比重比水大，所以会自然沉入海底，而且在深海的低温高压下，二氧化碳液体团块表面的分子会被水分子妥帖包裹，形成类似[color=var(--weui-LINK)]可燃冰那种固态水化物外壳，从而保持可长达2000年的稳定封存。这种办法的成本困难不是注入，而是二氧化碳的收集和液化。如果将来可以实现低成本的绿色能源自动收集和压缩液化，这就是一个很有前途的固碳途径。

Jijun.liu

更有趣的，是简单粗暴地把二氧化碳打入地层封印起来，这叫地质封存。硬来的话，成本当然比注入深海还高，因为除了要捕集和压缩二氧化碳，还要钻800米起步的深井、下管子之类。即使我们肯砸钱，也不能随便找块地钻口井就适合搞碳封存，因为要考虑封印效果。目前地下碳封存的主流路径有两种：

一种是驱油固碳。这是暴力固碳的最佳途径，成本低、效果好。之所以说“成本低”，是因为对于动力不足的油藏，本来就要靠注入水、聚合物、蒸汽之类的东西来驱动，提升开采率——我们顺水推舟，在适合的油藏，尽量采用二氧化碳驱油，就实现了固碳、节水、增产一箭三雕的效果。

二氧化碳驱油可不止是废物利用那么简单，它除了可以传递压力驱动油气，还有很多独特优势：

溶于原油的部分，可以降低原油粘度、膨胀原油体积，增强其流动性，提高原油本身的动能。

与轻烃混合时，形成“混相效应”， 降低油水界面张力，提升驱动效率。

溶于水时，使水呈弱酸性，与油层中的碳酸盐矿物发生反应，提升其渗透率、疏通油路，还能顺手抑制粘土膨胀和微粒运移堵塞油路孔隙。

但是，油藏是一种极复杂的存在，二氧化碳趋油当然只适合一部分油藏，这远远满足不了人类日益提高的固碳需求。

一种是咸水层碳封存。所谓咸水层，就是夹在上下两片隔水岩层中间，受夹板气的地下水层。这种水层当然很苦——矿化程度高，还被夹得很稳，反正也不能拿来喝，是老天赏的二氧化碳封印之所。在这里，二氧化碳主要有四大归宿，一是溶于水，二是液态团块，三是固态水合物，四是与矿物化合，成为岩石的一部分。

无论如何，人工暴力固碳的手段，原理虽然都不复杂，但想要达到低成本、高利用、好效果，无一例外面临着捕集、输送、利用、封存等一系列技术难题。

一想到“任重道远”四个字，你头发是不是又掉了几根？快捡回来，因为这套技术已经存在了，而且有人贴心的做成了解决方案——

能源转型CCS/CCUS软件解决方案

Carbon Capture, Utilization and Storage：二氧化碳捕集、利用与封存技术。这是法国石油研究院旗下Beicip-Franlab公司的专业杰作。为此，它专门成立了新能源研究机构IFPEN。顺便说一句，IFPEN在CCUS领域排名第一哟。这套打磨了20年的CCUS技术，囊括了从二氧化碳捕集、储运，到化工利用、生物利用、地质利用、地质封存的全流程。
再顺便说一句，这么好的技术，想了解一点也不难——

碳封存｜法国石油研究院-能源转型CCS/CCUS软件解决方案


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