2.2 人类或有能力调节大气圈、生物圈的碳平衡
2.2.1 岩石圈、生物圈、大气圈的碳总量及循环模式
2.2.1.1 岩石圈（化石燃料）、生物圈与大气圈的碳总量
地球上最大的碳库为岩石圈（含化石燃料），其含碳量占地球上碳总量的比重接近99.9%，总量为2.7×1016t，以碳酸盐的形式存在于大理石、石灰石、白垩等岩石中的碳一般不参与大自然的碳循环；而仅煤、石油、天然气等化石燃料的含碳量就相当于全球生物含碳量的50倍，目前在人类活动的干预下，每年向大气中释放CO2约5.7Gt，已参与到大自然的碳循环中。
生物圈（包含海洋生物）存在着几千种被生物合成的有机物，其中森林是大自然碳循环的主要参与者，它固定的碳相当于其他植被类型的2倍，而且，森林是生物库中碳的主要贮存者，贮存量大约为4.82×1011t，相当于大气含碳量的2/3。
大气圈中CO2是含碳的主要气体，也是碳参与物质循环的主要形式，含碳量为2×1012t，占空气体积分数的0.03%，虽然其总量不大，但非常活跃，实际上起着交换库的作用。
2.2.1.2 岩石圈（化石燃料）、生物圈与大气圈的碳循环模式
自然界碳循环的基本过程如下：陆地和海洋中的植物通过光合作用将大气中的CO2吸收固定，然后碳又通过生物或地质过程以及人类活动，以CO2的形式返回大气中（见图2-5）。
图2-5 自然界的碳循环
（1）岩石圈（化石燃料）与大气圈的碳循环模式。
大气圈中的CO2溶解于雨水和地下水中成为碳酸，碳酸能把石灰岩变为可溶态的重碳酸盐，并被河流输送到海洋中。海水中接纳的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的，新输入多少碳酸盐，便有等量的碳酸盐沉积下来。不同的成岩过程形成了石灰岩、白云石和碳质页岩，构成了岩石圈，但在化学和物理作用（风化）下，这些岩石被破坏，所含的碳又能以CO2的形式释放到大气中。此外，火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的碳再次进入碳循环。这些在短时期内对碳循环的影响不大，但对几百万年中碳量的平衡却是重要的。
化石燃料由于存在于岩石圈中，正常情况下是通过地壳运动及风化剥蚀重新裸露于地表，通过风化氧化，再次进入大气循环中。但是，由于煤的有机特性，其较碳酸盐等无机岩更易氧化风化，甚至自燃，因此，即使在自然状态下，煤中所含的碳也更易返回大气中。而工业革命后，人类开始大量开采化石能源，将碳氧化成为CO2排入大气，人类消耗大量化石燃料对碳循环产生了重大影响。
（2）生物圈与大气圈的碳循环模式。
绿色植物从空气中获得CO2，经过光合作用转化为葡萄糖，再综合成为植物体的碳化合物，然后经过食物链的传递，成为动物体的碳化合物。各种生物通过呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为CO2释放入大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。
森林作为生物圈与大气圈中最重要的碳调节主体，在碳循环中起着非常重要的作用。全球森林面积为41.61亿hm2，其中热带森林、温带森林、寒带森林分别占32.9%、24.9%和42.1%。全球陆地生态系统地上部分的含碳量为562Gt，其中森林生态系统地上部分的含碳量为483Gt，占86%；全球陆地生态系统地下部分的含碳量为1272Gt，而森林地下部分的含碳量约为927Gt，占整个世界土壤含碳量的73%。
森林生态系统在碳循环中所起的作用主要取决于以下几个方面：
第一，生物量。森林生态系统的生物量贮存着大量的碳素，如按植物生物量的含碳量为45%~50%计，那么整个森林生态系统的生物量将近一半是碳素含量。森林的生物量与其成长阶段的关系最为密切，一般森林据其年龄可分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林／过熟林，其中碳的累积速度在中龄林生态系统中最大，而成熟林／过熟林由于其生物量基本停止增长，其碳素的吸收与释放基本平衡。从森林的年龄结构来估算吸收碳素的潜力是决定森林生态系统碳汇功能的一个主要方面。
第二，林产品。森林生态系统中，林产品的固碳量是一个变化很大的因子。一般林产品根据其使用寿命可分为短期产品和长期产品。像燃料用木、纸浆用木等属于短期产品，而胶合板、建筑用木则属于长期产品。林产品使用寿命的长短在很大程度上决定着森林生态系统的碳汇功能。使用寿命长的林产品可以延缓碳素释放，缓解全球大气碳浓度的增加，一般来说，耐用林产品的使用寿命可达100~200年，在这么长的时间里，通过再造林完全可以实现碳素的良性循环。因此，应尽量加工耐用的、使用寿命长的林产品。
第三，植物枯枝落叶和根系碎屑。这一部分含碳量在整个森林生态系统中占的比例虽少，但也是一个不容忽略的碳库，减缓它的沉淀和分解对于增加森林生态系统的固碳量也能起到一定的作用。
第四，森林土壤。这是森林生态系统中最大的碳库。不同森林的土壤含碳量具有很大的差别，在北部森林中，土壤含碳量占其总碳量的84%；在温带森林中，土壤含碳量占其总碳量的62.9%；在热带森林中，土壤含碳量占其总碳量的一半。全球森林土壤的含碳量是森林生态系统地上部分的2~3倍，国内外很多学者都认识到森林土壤碳库的重要作用，纷纷对其展开研究。
表2-1为森林植物与土壤中的碳元素储藏量以及碳的流通量（吸收量、释放量）。
表2-1 森林植物与土壤中的碳元素储藏量以及碳的流通量（吸收量、释放量）
2.2.2 人类必须在地球碳循环的过程中找到一个新的平衡点
2.2.2.1 化石能源的快速氧化（消耗）与地球植物的快速增长
碳的化学性质非常特别，在有机化学中，只有碳能够与O2、H2、N2和其他元素生成无限多的无机化合物和有机化合物。
大气中的CO2一部分进入海洋，形成大气—海洋CO2循环；一部分被绿色植物吸收，在阳光下进行光合作用，形成大量的有机物质——植物组织，再经过食物链，变成动物的机体。而动植物又通过呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为CO2释放到大气中。动植物死后，残体或者沉积湖底、海底，被泥沙埋没成为泥炭；或者与H2O、O2发生反应逐渐发酵腐烂，在微生物作用下放出CO2，释放到大气中。
动植物死后残体的很少一部分（大约千分之一）在被细菌分解前，被沉积物所掩埋，压在厚厚的沙和黏土底下成为沉积物。这些沉积物经过漫长的地质年代，在高温高压下与空气隔绝，经过复杂的化学变化，分解形成固态形式的碳——无烟煤、烟煤、褐煤。那些极简单的植物体和它们的孢子就成了一种液态形式的有机物——石油和天然气，被封闭在地底下。
今天的化石能源是地球历史上数亿年间积累的结果，伴随着化石能源的积累，大气中的CO2总量减少，而人类的活动将使数亿年间积累的碳在数百年中通过燃烧重新返回到大气中，这种人工作用下的集中排放对地球大气而言无疑是一个重大事件，将使植物吸收CO2的速度滞后于排放速度，从而影响人类的正常生存。
因此，与人工排放相对应的人工吸收促进工作，包括基因工程、能源农业、水利工程、灌溉工程的快速发展，以及大气中CO2增长后导致的植物的快速增长，不仅成为实现生物质能源替代化石能源的关键，而且成为确保人类生存环境与生态优化的关键。
2.2.2.2 生物能替代化石能源与新的碳平衡的形成
从现在起，人类需要30~100年或更长的时间才能从化石能源时代过渡到绿色能源时代，这主要由两方面原因决定：一是地球目前还存在大量的化石能源，够人类按现有的水平使用50年以上，而且还在不断发现大量新的化石能源；二是绿色能源代替化石能源的条件还不成熟，化石能源燃烧所产生的CO2还不能为绿色能源发展提供足够的原料。要想使生物质能源成功替代化石能源，就必须形成新的碳平衡空间（见图2-6）。
图2-6 后化石能源时代下的碳平衡
（1）未使用化石能源时的碳平衡阶段。工业化革命之前，人类对能源需求较少，化石能源消耗量增长缓慢，CO2的低排放量不支持植物大规模快速增长，人类在这一时期面临的主要问题是生态环境差、沙漠化扩大现象严重。
（2）大量使用化石能源碳增长阶段。在人类大量使用化石能源后，CO2快速增加，气候变暖，降雨增加，植物生长速度加快，森林及植被面积快速增加，生物质能源快速发展。
（3）后化石能源时代下的碳平衡阶段。此阶段大气中的CO2含量趋于平稳，生物质体量巨大，再生能力增加，生物质能源技术设施及产能逐步满足人类需求，化石能源失去经济性与适用性。
2.2.3 重视化石能源的清洁使用，赢得绿色能源发展的时间与空间
2.2.3.1 CO2是清洁气体
CO2在常压下无色、无味、无毒性，是一种清洁气体。它既可产生温室效应，使大气温度升高，又可促进植物生长，从而调节（降低）温度。它对地球及生物环境的影响是多方面的，但从地球生命发展史及生态原理的角度来看，CO2无论是在生命的诞生、繁荣过程中，还是在对人类生存条件的影响等方面，无疑都起到了积极的和关键性的作用。它显然不是有害气体。
2.2.3.2 严格控制燃煤污染，科学高效地使用化石能源
虽然燃烧有污染，但污染物不是CO2，而是粉尘、碳化物与氮氧化物等，如何科学使用化石能源，防止化石能源造成的环境污染是确保化石能源科学、高效使用的关键。
转变化石燃料结构和燃烧方式。采用新工艺，制造和使用高效能转换设备，提高热效率，实行节能降耗，或采用热电共生系统，新技术使用已使煤的热效率达到60%~70%。
工业生产中采用新工艺和新技术，实现低能耗。材料工业、冶金工业等是能耗大户，是污染严重的行业，其生产过程中排放大量废气、粉尘等污染物。提高生产过程中的科技含量可以降低能耗；此外，还可以改进运输工具，降低油耗或采用以非石油为原料的能源作为动力。
2.2.3.3 今天要美好，明天要更好
化石能源创造了工业化和信息化，使我们的生活应有尽有，但是，我们今天的美好生活总是笼罩在阴影之中。有学者呼吁，能源即将枯竭，我们要为子孙万代考虑。还有人以碳污染的故事，调动政治、法律和舆论手段来限制人类发展，特别是限制发展中国家使用化石能源。故事编得动情又完美，唯独没有从最基础的生物学和化学角度，更没有从历史唯物主义的哲学角度做出简单的解释。
退一步讲，即使这些故事或科学模型有道理，我们也绝不允许出现以下情景：私家车禁止上路，飞机停飞，交通基本处于瘫痪状态；粮食、肉类、蔬菜等各种食品定量供应；每户每天只能用15W照明电力2小时；所有网络、计算机、电视机全部停止使用；等等。
地球第二大成煤期——第三纪成煤期结束后，地球进入地球史上大气中CO2浓度的第二低点及第二大冰期，以及随后的以沙漠化为代表的氧化阶段。由于之前人类几乎没有使用过化石燃料，而自然氧化化石能源时间过于漫长，使人类长期处于与沙漠化及饥荒、严寒的斗争过程中。工业化与现代文明的进步使人类有了更多的选择，重要的是我们已经能够正确认识地球生态与碳平衡的规则。因此，如果我们今天正确合理使用化石能源，将保证人类生活得更美好。而且，不仅使今天的人类过得美好，更要让明天的人类过得更美好。
2.2.4 人类有能力调控大气中的碳平衡并不断优化人类生存环境
2.2.4.1 使用化石能源是碳环境正调节的关键
研究表明，植物进行光合作用的多少与大气中CO2的含量基本成正比，也就是说，大气中的CO2含量对陆地植物来说还不足。但今天大气中碳增量的主要来源是人类使用化石燃料产生的CO2，是人类可调控碳的正调节的关键点。若化石能源可采储量全部使用完毕，可使大气中CO2增加30%~50%，可见人类掌握的正调节能力是巨大的。
2.2.4.2 生物与农业工程的发展将可实现碳的负调节
随着地球碳环境的改善，人类将有能力实现光、温、水、肥、种的最佳搭配，促使植物生长体量与速度成倍增长，从而吸收更多的CO2，并使其固化在生物质能源体系中，从而实现地球大气中CO2的负调节。
伴随着CO2的增加，地球生物质在现代人类的意愿下具有更大的调节余地，光合作用效率的提高、生物技术的推广、现代灌溉与种植技术，可以使沙漠、水藻、物质产量及体量提升10倍或更多。
2.2.4.3 人类将有能力实现地球岩石圈、生物圈、大气圈的新的动态碳平衡
地球上的碳总量是固定的，除远古时代CO2形成的碳酸盐沉积外，大气圈、生物圈、土壤圈的碳都是要通过光合作用和氧化分解作用进行交流的（见图2-7），其形态的变化主要表现为CO2、生物质和化石能源，而化石能源属于被地质封存的生物质。
图2-7 CO2在空气、植物与岩石圈中的循环
在地球有机历史中，大气与生物质的交流是通畅的，但其规模也是波动的，其中造成波动的最大因素是化石能源的沉淀，即过剩的生物质被地质因素封存于地下，暂时停止参与循环，当生物质被大量掩埋时，大气中的CO2减少，光合作用降低，植被退化，氧化作用增加。
随着氧含量增加，死亡的植物堆积包括被掩埋的泥炭、沼泽、浅部风化剥蚀后的褐煤以及随地壳波动重新上升至地表的化石能源逐步被氧化而重新回归到大气循环中，造成CO2增加，植被快速增长。
今天人类的工业化生产，已经把上述数千万年到上亿年的循环过程，缩短到数百年甚至更短的时段中。我们可以通过对化石能源的挖掘与使用快速实现CO2的正调节，也可以通过生物与农业工程快速实现CO2的负调节，关键是我们必须用历史唯物主义的哲学观和科学务实的态度认识地球的生态轨迹，进而发挥我们的智慧和力量。
我们不可能改变地球生命发展轨迹，但是我们可以研究并顺应地球的生态规律，顺势调节，使之加快向更有利于人类生存的状态过渡。
今天，我们找到了调节地球生态的手柄——碳，我们将有能力通过碳的调节，实现绿色能源的无限循环和生态环境的不断改善。