碳循环：特征，阶段，重要性 - 环境 - 2025

在碳循环是空气，水，土壤和生物这个化学元素的循环过程。这是一种气体型生物地球化学循环，大气中碳的最丰富形式是二氧化碳（CO2）。

碳的最大存储在海洋，化石燃料，有机物和沉积岩中。同样，它对生物体的身体结构至关重要，并通过光合作用以二氧化碳的形式进入营养链。

光合作用者（植物，浮游植物和蓝细菌）从大气中的二氧化碳中吸收碳，然后食草动物从这些生物中吸收碳。这些被食肉动物食用，最后所有死亡的生物都被分解者处理。

除了大气和生物外，土壤（水生层）和水（水层）中都发现有碳。在海洋中，浮游植物，大型藻类和水生被子植物吸收水中溶解的二氧化碳进行光合作用。

碳循环图

二氧化碳分别通过陆生生物和水生生物的呼吸重新整合到大气或水中。一旦生物死亡，碳将以二氧化碳或沉积岩，煤或石油的一部分形式重新整合到物理​​环境中。

碳循环非常重要，因为它履行着不同的功能，例如成为生物的一部分，有助于调节行星温度和水的酸度。同样，它有助于沉积岩的侵蚀过程，并为人类提供能量。

特点

碳

该元素在宇宙中的丰度排名第六，其结构使其可以与其他元素（例如氧和氢）形成键。它由形成共价化学键的四个电子（四价）形成，这些共价化学键能够构成具有复杂结构形式的聚合物。

气氛

在大气中发现的碳主要是二氧化碳（CO2），占空气成分的0.04％。尽管由于人类工业的发展，在过去的170年中，大气中碳的浓度发生了巨大变化。

在工业化时期之前，浓度范围为180至280 ppm（百万分之一），如今已超过400 ppm。此外，甲烷（CH4）的比例要小得多，一氧化碳（CO）的痕量要小。

二氧化碳和甲烷（CH4）

这些基于碳的气体具有吸收和辐射长波能量（热）的特性。因此，其在大气中的存在通过防止地球辐射出的热量逃逸到太空中来调节行星的温度。

在这两种气体中，甲烷会吸收更多的热量，但是二氧化碳由于其相对丰度而起着决定性作用。

生物世界

生命有机体的大多数结构都是由碳组成的，这对于蛋白质，碳水化合物，脂肪和维生素的形成至关重要。

岩石圈

碳是土壤中有机物和空气的一部分，还以碳，石墨和钻石等元素形式发现。同样，它是深层沉积物中碳氢化合物（油，沥青）的基本组成部分。

积碳

当植被在湖盆，沼泽或浅海中死亡时，植物残渣堆积在被水覆盖的层中。然后产生由细菌引起的缓慢的厌氧分解过程。

沉积物覆盖着分解有机层，这些分解层经历了数百万年的逐步富碳过程。这经历了一个阶段：泥炭（50％碳），褐煤（55-75％），煤（75-90％），最后是无烟煤（90％或更高）。

石油形成

首先是缓慢的好氧分解，然后是厌氧阶段，由浮游生物，动物以及海洋或湖泊植物的残留物组成。这种有机物被沉积层掩埋，并在地球内部经受高温和高压。

但是，由于密度较低，石油会通过沉积岩的孔隙上升。最终，它要么被困在不可渗透的区域，要么形成浅层的沥青露头。

水圈

水圈保持与大气的气体交换，尤其是氧气和二氧化碳（可溶于水）形式的碳。碳以水中的碳酸氢根离子形式存在于水中，尤其是在海洋中。

碳酸氢根离子在调节海洋环境的pH中起重要作用。另一方面，在海底有大量以甲烷水合物形式捕获的甲烷。

酸雨

当CO2与大气中的水蒸气发生反应并形成H2CO3时，碳也会渗透到气态介质和液体之间。该酸与雨水一起沉淀并酸化土壤和水。

碳循环的阶段

碳捕集与封存。资料来源：Carbon_sequestration-2009-10-07.svg：*勒让·哈丁（LeJean Hardin）和杰米·佩德尼（Jamie Payned） ）

像任何生物地球化学循环一样，碳循环是由关系网络组成的复杂过程。将它们分为定义的阶段只是对其进行分析和理解的一种手段。

-地质阶段

入场券

通过酸雨和空气过滤到地面，该阶段的碳输入量较少地来自大气。但是，主要的投入是生物体的排泄物和死亡时的生物体的贡献。

储存与流通

在此阶段，碳被储存并在岩石圈的深层中移动，例如煤，石油，天然气，石墨和钻石。它也是碳酸盐岩的一部分，被困在多年冻土（极地纬度的冻土层）中，并溶解在土壤孔隙的水和空气中。

在板块构造动力学中，碳也到达地幔的更深层，并且是岩浆的一部分。

出港

雨在钙质岩石上的作用腐蚀了岩石，钙与其他元素一起释放。这些碳酸盐岩石的侵蚀所产生的钙被冲入河流，然后从河流冲向海洋。

类似地，当永久冻土融化或土壤过度挖掘时，CO ₂被释放。但是，主要的输出是人为驱动的，它们是从岩石圈中提取煤炭，石油和天然气，并将其燃烧为燃料。

人类活动基于碳氢化合物的消耗，将碳释放到大气中

-水文阶段

入场券

大气中的CO ₂与水表面接触时会溶解，形成碳酸，甲烷从海床进入岩石圈，这是在北极发现的。另外，由于岩石圈中碳酸盐岩的侵蚀和土壤洗涤，HCO ₃离子进入河流和海洋。

下雨时，水从大气和岩石中以二氧化碳的形式携带碳。到达海洋后，珊瑚，浮游生物和其他水生动物会利用它来生长。这些生物-珊瑚，浮游生物和水生动物-死亡后将碳输入土壤

储存与流通

CO2溶解在水中形成碳酸（H2CO3），溶解贝壳的碳酸钙，形成碳酸钙（Ca（HCO3）2）。因此，发现了碳并主要在水中以CO2，H2CO3和Ca（HCO3）2的形式循环。

另一方面，海洋生物通过光合作用和呼吸作用与水生环境保持恒定的碳交换。同样，大量的碳以海底甲烷水合物的形式存在，被低温和高压冻结。

出港

海洋与大气交换气体，包括二氧化碳和甲烷，后者的一部分释放到大气中。最近，在挪威沿海等小于400 m的深度发现了海洋甲烷泄漏的增加。

全球温度的升高正在加热深度不超过400 m的水，并释放出这些甲烷水合物。在更新世中也发生了类似的过程，释放出大量甲烷，使地球更加温暖，并导致了冰河时代的结束。

-大气阶段

入场券

碳通过生物的呼吸和细菌的甲烷生成活动进入大气。同样，通过植被火灾（生物圈），与水圈交换，燃烧化石燃料，火山活动和从地面释放（地质）。

火山爆发将地质碳释放到大气中。作者：Ciencia1.com

储存与流通

在大气中，碳主要为气态形式，例如CO2，甲烷（CH4）和一氧化碳（CO）。同样，您可以找到悬浮在空气中的碳颗粒。

出港

大气阶段的主要碳输出是溶解在海水中和用于光合作用的二氧化碳。

-生物阶段

入场券

碳通过植物和光合细菌的光合作用进入二氧化碳的生物阶段。同样，Ca 2 +和HCO 3-离子通过侵蚀到达海洋，并被各种生物用于制造贝壳。

植物和微生物从大气中吸收二氧化碳，并通过光合作用将其转化为氧气和能量

储存与流通

每个细胞以及生物体都由高比例的碳组成，构成蛋白质，碳水化合物和脂肪。这种有机碳通过初级生产者的营养网在生物圈中循环。

被子植物，蕨类，苔类，苔藓，藻类和蓝细菌通过光合作用将其结合。然后这些生物被食草动物食用，食肉动物将成为食肉动物的食物。

食草动物消耗植物并将二氧化碳释放到大气中。当这些动物死亡时，它们会将碳重新整合到土壤中。海底的珊瑚和浮游生物也会发生同样的事情

出港

从此阶段到碳循环中其他阶段的主要碳泄漏是生物死亡，将其重新整合到土壤，水和大气中。大量的剧烈的碳死亡和释放形式是森林火灾，产生大量的二氧化碳。

另一方面，进入大气的甲烷的最重要来源是牲畜在消化过程中排出的气体。同样，在沼泽和水稻作物中分解甲烷的产甲烷厌氧细菌的活性也是甲烷的来源。

重要性

碳循环很重要，因为该元素在地球上具有相关的功能。其平衡的循环允许调节所有这些相关功能，以维持行星状况作为生命的函数。

在众生中

碳是细胞结构中的主要元素，因为它是碳水化合物，蛋白质和脂肪的一部分。从DNA到细胞膜和细胞器，组织和器官，该元素都是所有生命化学的基础。

地球温度的调节

CO2是主要的温室气体，可以为地球上的生命维持适当的温度。没有二氧化碳，水蒸气等大气气体，地球散发出来的热量将完全散逸到太空中，而地球将成为冰冻的物质。

全球暖化

另一方面，过量释放到大气中的二氧化碳（例如由人类当前造成的二氧化碳）破坏了自然平衡。这会导致地球过热，从而改变全球气候并对生物多样性产生负面影响。

调节海洋pH

溶解在水中的CO2和甲烷是调节海洋中pH值的复杂机制的一部分。这些气体在水中的含量越高，pH值越酸性，这对水生生物不利。

能量源

煤炭是矿物燃料，石油和天然气等化石燃料的重要组成部分。尽管由于其产生的负面环境影响，例如全球过热和重金属释放，其使用受到质疑。

经济价值

煤炭是一种矿物，它用作燃料可产生工作和经济利益，人类的经济发展是基于这种原料的使用。另一方面，它的结晶形式的钻石稀有得多，它作为宝石的使用具有很大的经济价值。

参考文献

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