2.1　CO₂、植物发展与气候变化

2.1.1　CO₂在大气圈、生物圈的转化

绿色植物在不停地吸收大气CO₂进行光合作用，通过光合作用来制造养料，以维持植物的发育与生长。动物的生命活动或有机体的腐烂过程，是吸收O₂、放出CO₂的过程；而植物的生命过程却是吸收CO₂、放出O₂的过程。两者之间以及两者与岩石圈、大气圈、水圈之间经过亿万年的演化达到了某种平衡，形成了今天这样的大气圈。

正是由于光合作用使得CO₂转化为O₂，一些生物演化的重大事件才得以产生。如20亿年前左右，真核生物出现，使得氧含量增加，可能达到了现有水平的1%；5.4亿~5.8亿年前，后生动物出现，氧含量达到现有水平的6%~7%；5.3亿年前，带壳生物出现，氧含量达到现有水平的10%；到了脊椎动物登陆的4亿年前，氧含量就已经达到了现在的水平。大约在志留纪和泥盆纪的界限上，即约4亿年前，氧含量的增加大大加强了臭氧的屏蔽效应，臭氧层吸收了一部分对动物体有害的紫外线，使海洋和大陆表面变得安全了，所以这一时期在大陆上出现了原始的植物形态，进而出现了浮游植物和动物。植物和陆地生物迅速占领了大陆，原始的林地里发生了蓬勃的光合作用。泥盆纪和石炭纪CO₂的减少、氧含量的增加和植物的繁盛相一致。植物不仅占领了大陆空间，海洋里浮游植物的产量也大大增加。但是，二叠纪和三叠纪时期，地球所处的干旱环境使得大批植物消亡，导致大气圈氧的总含量减少。大气中的O₂、CO₂随时间推移及其与生物演化的关系图如图2-1所示。

2.1.2　CO₂与温室效应

温室气体是指大气中那些在阳光下几乎是透明的，但却强烈吸收地表发射的红外热辐射、对地表有遮挡作用的气体。我们知道，地表平均温度变化在-50~40℃，即223~313K，按物理辐射定律E=σT4分析，可将地球视为该温度范围内的黑体，它的辐射绝大部分是长波的红外线（地面长波辐射）。这些红外线波长较长，能量较小，因此不像阳光那样容易穿过大气，向外散发。于是这部分热量就在低层大气中像个罩子一样覆盖在地球表面近空，使地球气温升高。大气中温室气体的增暖效应首先是由法国科学家傅里叶于1827年发现的。他指出，大气中温室气体的增暖效应与花房温室玻璃的作用相似，这就是“温室效应”名称的由来。温室效应是地球上许多生命赖以生存的必要条件，正是温室效应的存在改变了地球表面-18℃左右的辐射平衡温度，使得地球表面的实际平均温度为15℃，适宜生物生存。图2-2为温室效应示意。

CO₂是较为重要的温室气体，既可以吸收太阳短波辐射，又可以吸收和发射长波辐射。透射到大气中的红外辐射70%~90%都在7000~13000nm范围内，温室气体吸收地球红外辐射的谱带范围为7000~18000nm，CO₂吸收辐射的范围为12500~17000mm，CO₂对全球气候变化的贡献率达到60%。由于CO₂等温室气体会引起温室效应，如果它们在地球大气中的含量剧增，则必将引起全球环境的变化——气温上升、地球变暖。

1979年，美国科学院委托麻省理工学院著名的气象学家查尼建立了一个特别工作组对CO₂与气候变化的关系进行评估，发表的评估报告认为：CO₂浓度增加1倍会引起3℃的升温（不确定性范围为上下各1.5~4.5℃）。在此之后的30多年来，全球各地的科学家利用各种模型对气候敏感性进行了大量的计算，政府间气候变化专门委员会（IPCC）从1990年发布第一次评估报告到2013年发布第五次评估报告，所有研究得出的结论基本上相差不大。到21世纪中叶，大气中CO₂含量将增加1倍，达到560~600ppm，全球平均气温升高1.5~4.5℃，变暖的速度是过去100年的5~10倍。

所有现存的模型都表明了一个更暖的未来世界。随着全球变暖，多年冻土融化，导致活动层厚度明显增大。海平面上升，全球沿海低洼地区和海岛被淹没，三角洲地区被淹，海水倒灌；固体水库——冰川逐渐消融（见图2-3）。同时，降水带和降水量发生变化，普遍发生降水带北移。相关资料表明，在北纬20°~80°，每移动10个纬度，温度相差7℃。若全球气温升高4.5℃，那么降水带整体北移6°，每北移1°，相当于地面距离北移110km，那么降水带将北移660km以上。再者，CO₂浓度倍增，海水蒸发量增加，更多的水汽输送到大陆，植物生长更快，蒸腾量增加，大气中水汽丰富，降水增加。

2.1.3　CO₂浓度与地球植物的发展

2.1.3.1　地球大气中的O₂起源于植物对CO₂的转化

（1）植物是地球生态变化的基础。根据地质学记录，O₂最早在24亿年前出现于地球大气层。科学家能够达成这样的共识，主要是由于在具有相同年代的沉积岩中找到了最古老的能够完成有氧光合作用的微生物遗迹。并且，从那时起，铁与大气中的O₂反应形成的赤铁矿晶体开始变得很普遍。根据这一理论，在此之前，地球上的海洋和大气中都不存在O₂，因此像赤铁矿这样与生命进程有关的矿物质是无法形成的。

（2）海洋生物诞生阶段的地球环境。地球形成初期是一个没有生命的世界，地球大气中没有游离氧，氧原子均以CO₂、水等稳定的化合物形式存在，强烈的紫外线使生命的诞生只能在海洋中进行。大约距今35亿年前，地球上的原始生命——蓝藻便诞生了。蓝藻是微小的单细胞低等植物，是原核生物，正是由于它通过光合作用大量吸收光能及CO₂，产生O₂，海洋生物的进化便拉开了序幕。由于海洋生物不断进行光合作用，地球大气中的O₂含量不断增加，并在高空形成臭氧层，阻挡了紫外线的直接辐射，为陆地生物的产生创造了条件。

海洋生物最繁盛的时期是距今5.4亿年前的寒武纪时期，这一时期地球上气候温暖潮湿，CO₂浓度达到7000ppm，相当于现在的20倍，十分有利于海洋植物进行光合作用，因而这一时期海洋藻类植物空前繁荣，同时出现了丰富多样且比较高级的海生无脊椎动物，发生了进化史上的一个重要事件——“寒武纪生命大爆炸”，在很短的时间内（地质意义上的很短，其实也有数百万年），海洋生物种类突然丰富起来，呈爆炸式增加。但是，寒武纪还没有真正的陆生生物，大陆上缺乏生气，荒凉一片。

2.1.3.2　陆生植物繁衍阶段地球的CO₂含量

陆生植物出现于志留纪（4.38亿年前）。晚志留纪末期，除了能进行光合作用的海生藻类仍然繁盛以外，陆生植物中的裸蕨植物首次出现，植物终于开始从海洋向陆地发展，这是生物演化的又一重大事件。伴随着这一重大事件的发生，CO₂的浓度急剧下降，下降幅度达到37.5%左右。由于剧烈的造山运动，地球表面出现了较大变化，海洋面积缩小，大陆面积扩大，海生藻类植物大大减少，能进行光合作用的蕨类植物开始繁盛。

在石炭纪时期，陆地面积逐渐扩大，植物开始从滨海地带向大陆内部延伸，并且得到空前发展，大规模的森林和沼泽得以形成，为煤炭的形成创造了天然的有利条件。在石炭纪的森林中，乔木和灌木较为普遍。乔木中的木贼根深叶茂，喜爱潮湿环境，广泛分布在河流沿岸和湖泊沼泽地带。石松是另一类乔木，它们挺拔雄伟，成片分布，最高的石松可达40m。石炭纪时期，早期的裸子植物（如苏铁、松柏、银杏等）非常引人注目，但蕨类植物的数量最为丰富。蕨类植物是灌木林中的“望族”，它们虽然低矮，但大量占据了森林的下层空间。经过数千万年的持续发展，地球植物保有量规模空前，大量植物死亡堆积形成了地球上最大的成煤期，至今保留的储量仍占全世界总成煤量的50%以上。与此同时，大气中的CO₂持续下降至地球历史的最低点380ppm，氧气含量快速增加至最高点，为现在的3倍。

CO₂增加是促使地球植物繁荣，实现生物质能源满足人类能源需求，并最终改善地球生态的关键。蒙大拿大学的Steven Running和NASA的Ramakrishna Nemani博士分析了卫星拍摄到的照片数据，发现过去20多年里，地球整体上变得更加富饶，地球生物数量增加了6.2%。其中25%的大陆（大约1.1亿km2）享受着增长的成果，只有7%的地区显示出下降的趋势。近期的研究表明，地球变暖和CO₂促进了生物圈的繁荣，因而CO₂是地球走向繁荣的支撑。

2.1.3.3　大气中CO₂总含量的波动性降低与地球聚煤作用逐渐减弱的关系

已有研究表明，地史上地球聚煤作用的发生和终止与植物赖以生存的地质环境和大气环境密切相关。地质环境为植物生长和泥炭堆积提供了场所，大气环境中的CO₂中的碳固定于植物中，因此，大气中CO₂含量的变化对植物的生长速度和生长量，进而对地球聚煤作用产生重要的影响，地史上，大气圈中CO₂含量的变化与聚煤作用始终相伴相随。

在地球演化至今的整个历史过程中，大规模的成煤期有3个，分别是石炭—二叠纪、侏罗纪和第三纪。其中最大的成煤期为石炭—二叠纪，泥盆纪及石炭纪早期CO₂浓度较高，接近今天的12倍，而成煤期结束后的二叠纪晚期至三叠纪，CO₂达到历史最低点。在之后的成煤期中，CO₂含量再未能达到石炭—二叠纪成煤期初期的浓度，因此地球上成煤强度逐渐减弱。

对人类影响最大的是第三纪成煤期，该成煤期早期的CO₂是自石炭纪之后第三个峰值，该期成就了地球上80%左右的褐煤，成煤期结束后，地球CO₂重新降至与石炭—二叠纪相近的最低点，而氧气则达到地球史上的最低点，随后形成了分布全球的第四纪黄土和第四纪冰川。

进入21世纪以来，尽管没有新的假说被认可，但是，科学家们对CO₂对气候的影响及温室效应的研究却是空前的和卓有成效的，特别是应用了计算机及数字模拟技术。研究表明，CO₂对气候的关键性影响已经是毋庸置疑的。今天我们生活在第四纪冰期的间冰期之中。第四纪冰期属于由太阳的宇宙周期决定的每隔1.5亿年出现的大冰期。而从影响冰期强度与恢复速度的地球大气中CO₂含量来看，今天地球大气中CO₂含量与历史上最严酷的石炭—二叠纪大冰期的CO₂含量相比，是地球历史上的第二个低点。石炭—二叠纪大冰期之前地球植物呈爆发式增长，将大气中大量的CO₂转化并通过各个聚煤盆地埋入地下，形成今天地球上最主要的煤炭资源，第四冰期之前的第三纪成煤期，产生了地球现存一半以上的煤炭储量，固化了大气中的碳，从而使第四纪至今CO₂降至最低。

以往的冰期总是出现在聚煤作用的后期，大气中CO₂减少，O₂含量增加，温室效应降低，气温快速降低。各成煤期后需要经过上千年的时间才能将泥炭、褐煤及被再次隆起暴露地表的化石能源氧化，从而再次排放到大气中，补充CO₂的不足，使地球回暖。而在今天，人类通过化石能源的开发与再利用，导致大气中的CO₂稳定增长。

2.1.4　从地球历史的角度看今天的气候变化

2.1.4.1　中国华北黄土高原的形成与第四纪冰川

由于缺乏温室效应，气候难以及时回转，使得石炭—二叠纪冰期成为一个漫长的大冰期，而更为严酷的是，由于碳含量太少，氧气含量多，在冰期结束后，地球进入一个炎热干燥的氧化环境，从二叠纪晚期至三叠纪早期的数千万年，地球植被退化，风沙蔓延，形成大面积的红色（氧化环境）细沙沉积物，成为自石炭纪陆生植物繁荣之后地球仅有的无煤沉积的地史时期。与其相似：第四纪冰期紧随地球上最后一个大的成煤期——第三纪成煤期，在世界各地均形成了大量的褐煤，从而使地球大气中的CO₂含量又一次大幅下降，直至创最低纪录。

科学家们对古气候的研究发现，第四纪时期氧化作用增强，各地形成了不同类型的风化壳，比如，干旱地区的风沙堆积，半干旱区的黄土和古土壤交互层，温湿地区的红土风化壳。第四纪黄土在世界各地广泛分布，在中国的华北和西北更是形成了典型的黄土高原地貌。亚洲、欧洲和北美地区荒漠和分布着冰积物的地方外围也有分布，其显著特征是黄土和古土壤交替出现。黄土—古土壤是季风气候下的产物：冬季风相对强盛时期，气候干冷，粉尘堆积速率高，风化成壤作用较弱，形成了黄土层；夏季风相对强盛时期，气候温暖湿润，风化成壤作用强，就形成了褐红色的古土壤。

2.1.4.2　地球气候正进入温暖期

100多年来，全球平均气温经历了冷→暖→冷→暖四次周期波动，整体呈现上升趋势。1980年以来，工业化加快，能源消耗大幅攀升，全球气温明显上升。但是，根据有仪器记录的数据，1860年至1900年，全球陆地与海洋的平均温度上升了0.75℃；自1979年开始，陆地温度上升幅度约为海洋温度上升幅度的两倍（陆地温度上升了0.25℃，而海洋温度上升了0.13℃）。同年，人类开始利用卫星来量度对流层的温度，发现对流层的温度每十年上升0.12~0.22℃。2000年之后，多方组织对过去1000年的全球温度进行了研究，对这些研究成果进行对比和讨论后发现，最近50年的气候转变过程十分清晰。此外，其他的研究报告显示，20世纪初至今，地球表面的平均温度增加了约0.6℃；在过去的40年中，平均气温上升了0.2~0.3℃；20世纪，全球变暖的程度更是超越过去400~600年中任何一段时间。IPCC根据气候模型预测，到2100年，全球气温估计将上升1.4~5.8℃。1860年以来全球平均气温距平变化见图2-4。

全球气候变暖的原因有两个：一是造成地球冰期的人类尚未充分认识的宇宙因素已经结束，地球进入了恢复期；二是大量燃烧煤炭、石油和天然气等，产生了大量温室气体。近百年来，全球气候变暖，同期大气中的温室气体含量也在急剧增加，许多科学家都认为温室气体与气候变暖有一定的联系。后期经过大量的试验证明，温室气体的大量排放可能是全球变暖的基本原因，主要是因为这些温室气体对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，而对来自太阳辐射的短波具有高度的透过性。