今天地球生态圈中的碳循环

第五节　今天地球生态圈中的碳循环

第三、四两节只讨论了地球早期生态圈中的碳量循环，后来动物滋生了，形成了完整的系统；其中的碳循环关系如下图。仔细观察这个框架，可以看出以人为中心的生命是生灭无常、循环变化的。

（1）关于动物输出与输入碳的分析

在上述框架中，假定动物不直接涉及活植物，而是通过杂碎物与之联系。植物中的碳P当初与地面上杂碎物的碳D有关，动物中的碳A当初与大气海洋中的碳C有关；我们选定P与A作为基数0。在此基础上，植物生长主要靠大气海洋中的碳，动物生长主要靠地上杂碎物的碳；杂碎物的概念是很广的，在这里是指杀死了的动物与摘下来的蔬菜、水果、粮食的粉末物，以及家禽家畜所用的饲料，野兽所食用的干草等等，如图中箭头所示的αφDA。动物主要靠原有的A与后来采取的D而维持生命，故代表动物繁殖的碳量增长率dA／dt主要与AD成正比而增大，设其系数为φ故有φAD；整个生态系统中各量的变化，都受到植物碳增长率的系数α的影响，故φAD应扩大为αφAD。

动物对大气要输送碳，其输送量与动物本身的碳量A成正比，设系数为π，又受到α的影响，故在单位时间内向大气输送的碳量为απA。同理，动物活着时的排泄物与死后的肉体共向杂碎物在单位时间内输送的碳量为αωA，这里ω为碳输送的比例数。

（2）整个生态圈中碳循环的数学模型

上面的理论分析与系统框架明确指出：以人为中心的动物的碳量增长率或碳流率dA／dt为

植物的碳流率dP／dt为

大气海洋的碳流率dC／dt为

杂碎物的碳流率dD／dt为

整个生物圈中的碳总量C₀为

现在再特别强调：α是一个普适系数，在前面第一个模型已由观察确定；其它系数γ、σ、φ、π、ω也按植物与动物的进化情况而被确定。

（3）生态恒定系数的确定

仿照本章第一个模型，当生态圈中各系统的碳处于稳定状态时，（17）、（18）、（19）、（20）均为零，我们得到恒定的数据如下：

我们列出这些数据有利于返回来检验模型的正确性，以及地球生态圈中四大系统的稳定碳量到底有多大。总碳量是一个不变的巨大量，各个系数之值也是很大的，与四个稳定的碳量是同一量级；其原因是：当初植物圈的碳量大，支持植物繁殖的海洋大气圈的碳量也很大。这些数据是按四大系统处于稳态平衡而得到的，按植物的碳流率模型可以推断出：α应该是很小的；按杂碎物的碳流率模型可以看出φ是一个无单位的常系数。这与实际情况完全一致。

通过这些扼要的定性与定量相结合的分析，对于认识亿万年前生命系统的演化是有帮助的；对于探索今天生态系统继续向前进化的规律也是富有启发性的。

（4）稳态平衡附近进化情况的讨论

把上述常数代进原来的数学模型，可以找出稳态平衡附近的情况。地球生态圈，要受到内外界因素的干扰，所以有些系统的碳量也会偏离平衡。利用上述模拟的计算指出：在冰河时代地球植物圈中的碳量就发生过偏离平衡的情况，这可能是由于当时日光能的输出发生了一点变化而引起的。此外又指出：大气中的碳量在作阻尼振荡而衰减，这涉及到整个动物的繁殖率在增加。看来地球生物圈中的碳循环是不稳定的，是穿流不息的；四方面的碳量是互相依存的、变化的，这也就是进化的使命。但每一个物种进化的情况如何，我们再看下一小节的内容。