一、大气的起源1、地球上的大气和水 笔者在向地质专家辛建荣教授学习时了解到，地球在形成初期内部的放射性衰变使地球内部的温度升高形成熔岩，熔岩向外喷发形成火山，火山喷发出大量元素、气体和水蒸汽。水蒸汽的冷却使地球上有了大量的水。在低洼处形成海洋，在高地处形成陆地。原始大气初期不含氧气，充满了碳（甲烷）、氮（氨气、胺）等气体。 2、氧的产生和大气成份的变化 大气层氧气的出现源于两种作用，一个是非生物参与的水的光解，一个是生物参与的光合作用。 光解作用使甲烷（CH₄）与水蒸气发生分解： CH₄ 4H₂O--CO₂↑ 6H₂↑ O₂↑ 少量的氧和水汽产生了最原始的生物，以后就有了光合作用。光解作用与光合作用的结果，氧气大增，于是逐渐形成臭氧层，地球表层逐渐聚集氧气。在臭氧层保护下，氧气就不再逃逸，进入少氧阶段。 植物继续增加并出现了森林，光合作用增强，大量吸收二氧化碳（CO₂），并释放出大量氧气（O₂）（固碳制氧）。森林激增，经过长期光合作用，从而根本改变了大气的组成，最终氮气和氧气成了大气的主要成份，氮气约占78%，氧气约占21%，其它微量气体总计只占1%，其中二氧化碳占0.03%。这就形成现代地球表层的大气。 二、森林固碳制氧量的测算 1、森林固碳制氧机理 森林的生长是通过光合作用，吸收CO₂放出O₂，其简单的过程是： 森林利用28.3kj太阳能，吸收264g CO₂和108g H₂O，产生180g葡萄糖和192g O₂，其中再以180g葡萄糖转化为162g多糖（纤维素或淀粉），其化学方程式： 上式说明，毎生产162g干物质（纤维素或淀粉）就需吸收264g CO₂，释放192g O₂。换算一下，毎生产1t干物质，就需吸收1.63t CO₂，释放1.2t O₂。通俗地说，CO₂在光合作用下吸收C而成为木材的主要成份，同时氧被大量还原出来成为空气的重要组成部份。 动物（包含人类）生存中，呼出CO₂，吸收O₂。工业生产和人类的能源消耗，也放出大量的CO2，消耗O₂。相反，森林光合作用生产干物质的过程，吸收大量的CO₂，释放大量O₂，以维持地球大气CO₂和O₂动态平衡作用。如果人类过量消费化石能源，大量产生CO₂而消耗O₂，这种平衡就要破坏，产生温室效应，给人类带来灾难。 2、单位面积（公顷）固碳制氧量的计算 参考黑龙江森林区数据，毎公顷森林每年生产的干物质（含根、枝、叶）为1.91吨。由此可测算其每年吸收CO₂ 1.91X1.63=3.11t/hm²，释放O₂ 1.91X1.2=2.29t/hm²。 当然，不同地区、不同林种固碳制氧效力差距较大，积温高的南方林木要比黑龙江林木固碳制氧效力高；生长快的林木当然生产干物质也多，固碳制氧效果也高。对现有数据分析表明，由于气候差异，单位面积森林热带森林的固碳制氧率大约是寒带林的2倍，或是温带林的1.5倍。 由于掌握数据有限，我们暂按黑龙江数据为参考再作如下初略测算。 3、计算人类耗氧释放碳的影响 据资料，人类平均每天吸入的O₂为750g，排出的CO₂是900g。由此计算每年吸入O₂为0.274t，排出CO₂是0.329t。 参照黑龙江数据，每公顷森林产生O₂能供2.29÷0.274=8.36人呼吸生存；同时能吸收3.11÷0.329=9.45人排出的CO₂。实际上还有供人类消耗的动物它们也是简接为人类耗氧排碳，还有工业排放等这里暂不涉及。初略按毎公顷森林固碳制氧的量可供8人吸氧。只有足够面积的森林进行光合作用，才能维持O₂在空气中的成份比例保持在21%左右，以保护人及动物的正常呼吸生存。森林作用对于人类生存是至关重要，不可缺失。有人说农作物、花草也能光合作用吸碳排氧，且慢，资料显示，草本植物固碳制氧能力只有森林（乔木林）5%，大部分农作物都属草本类植物，与森林相比，农作物固碳制氧是微小的。 4、有趣的案例 （1）以北京为例 据2015年北京统计数据，北京全域森林面积为744956公顷，按每公顷森林供12人吸O₂生存（相当于黑龙江的1.5倍）计算，由此计算北京本地的森林只能提供894万市民吸O₂生存。目前北京2170万人口中，其余只能靠大气流动（风）从域外西伯利亚森林等带来O₂。这也就是北京在没有风而出现雾霾时人们呼吸困难的根本原理——人们需要的吸的O₂，靠北京林木制造氧是根本满足不了的。森林对北京来说太重要了，尤其是我们身边（人中密集的中心城区）的林木固碳制氧的功能在雾霾发生时是任何措施无法代替的。由此得出结论：城市本身的足够的森林面积应该是宜居城市的最重要的条件之一。 （2）以中国全域为例 全国的森林覆盖率约18%，国土面积96000万公顷，则森林面积为17280万公顷森林面积。按每公顷森林供10人吸O₂生存计算，全国的森林固碳制氧产生的O₂能供17280X10=172800万人即17.28亿人口呼吸生存，这应该是我国人口的极限吧。但由于中国人口分布的极度不均，人口稠密的东部，特别是华北地区遇到雾霾时，人们会感到呼吸非常不适。因此要消除华北地区雾霾，必须大幅削减耗能产业并降低人口密度，同时更要大幅度增加森林面积。 （3）以世界全球为例 全球的森林覆盖面积大约为41亿hm²，按每公顷森林固碳制氧供10人吸O₂生存计算，可供400亿人呼吸生存。但由于全球工业化和过量消耗化石能源，因此造成大气耗O₂激增CO₂，环境问题就更为突出，森林固碳制氧根本满足地球人的需求。地球的极限人口可能要控制在100亿左右。加上大陆人口的分布是极不均的，北半球森林区人口极少，有些甚至是无人区，而亚洲东南人口密集区森林破坏，这些都人类面临的严重问题。 三、说明与结论1、森林固碳制氧数据的局限性 笔者研究有关资料表明，按统计平均数，森林每生产 1m³的木材, 大约吸收850kg CO₂ ,释放626g O₂。由于气候差异，单位面积森林固碳制氧率，热带森林的固碳制氧率大约是寒带林的2倍，或温带林的1.5倍。还有由于林木品种不同，它的固碳制氧率差异相差较大，本文没有分别测算，而是简化综合测算，对最后结果影响不大。全球的森林覆盖面积大约为 41亿hm²,占全球陆地植物地上总碳贮量的86%，制氧的比值也是如此。乔木林固碳制氧效力是其它所有植物、农作物总和的20倍，因此对后者本文忽略未计。 2、初步结论 地球原始的大气是缺氧气的，只有植物特别是森林产生后，森林在光合作用下产生了固碳制氧的能力，氧气大量增加，成为大气主要成份之一。 由于地球上足够量的森林的存在，在光合作用下生长保证了不断的固碳制氧，吸收大气中二氧化碳、释放氧氧，平衡了人类呼吸中排碳吸氧的生存需要。 森林的固碳制氧功能也解决了现代工业和能源消费中的碳排放的问题（碳增加的温室效应），保护了人类永续生存发展的大问题。保护森林、植树造林就是保护我们的地球家园。 居民密集的城市中心区，必须尽可能提高林木覆盖率，这是减轻雾霾、建设宜居城市的基本条件，否则北京很难能建成宜居之都。 以上意见供参考，欢迎开展讨论。 李同德：高级工程师，清华同衡规划院遗产保护与城乡发展研究中心顾问总工。主要著作有《地质公园规划概论》《地质公园规划探索与研究》《旅游地学大辞典》（部分条目）等。近年来主持完成及合作完成了包括二十多项国家和世界地质公园规划。 |
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