規劃師學點地學知識?：森林固碳制氧對人類生存環境的意義

最新 09-20

文/ 李同德，清華同衡規劃院

一

大氣的起源

地球上的大氣和水

筆者在向地質專家辛建榮教授學習時了解到，地球在形成初期內部的放射性衰變使地球內部的溫度升高形成熔岩，熔岩向外噴發形成火山，火山噴發出大量元素、氣體和水蒸汽。水蒸汽的冷卻使地球上有了大量的水。在低洼處形成海洋，在高地處形成陸地。原始大氣初期不含氧氣，充滿了碳（甲烷）、氮（氨氣、胺）等氣體。

氧的產生和大氣成份的變化

大氣層氧氣的出現源於兩種作用，一個是非生物參與的水的光解，一個是生物參與的光合作用。

光解作用使甲烷（CH?）與水蒸氣發生分解：

CH?+4H?O--CO?+6H?+O?

少量的氧和水汽產生了最原始的生物，以後就有了光合作用。光解作用與光合作用的結果，氧氣大增，於是逐漸形成臭氧層，地球表層逐漸聚集氧氣。在臭氧層保護下，氧氣就不再逃逸，進入少氧階段。

植物繼續增加並出現了森林，光合作用增強，大量吸收二氧化碳（CO?），並釋放出大量氧氣（O?）（固碳制氧）。森林激增，經過長期光合作用，從而根本改變了大氣的組成，最終氮氣和氧氣成了大氣的主要成份，氮氣約佔78%，氧氣約佔21%，其它微量氣體總計只佔1%，其中二氧化碳佔0.03%。這就形成現代地球表層的大氣。

二

森林固碳制氧量的測算

森林固碳制氧機理

森林的生長是通過光合作用，吸收CO?放出O?，其簡單的過程是：

森林利用28.3kj太陽能，吸收264g CO?和108g H?O，產生180g葡萄糖和192g O?，其中再以180g葡萄糖轉化為162g多糖（纖維素或澱粉），其化學方程式：

上式說明，毎生產162g干物質（纖維素或澱粉）就需吸收264g CO?，釋放192g O?。換算一下，毎生產1t干物質，就需吸收1.63t CO?，釋放1.2t O?。通俗地說，CO?在光合作用下吸收C而成為木材的主要成份，同時氧被大量還原出來成為空氣的重要組成部份。

動物（包含人類）生存中，呼出CO?，吸收O?。工業生產和人類的能源消耗，也放出大量的CO2，消耗O?。相反，森林光合作用生產干物質的過程，吸收大量的CO?，釋放大量O?，以維持地球大氣CO?和O?動態平衡作用。如果人類過量消費化石能源，大量產生CO?而消耗O?，這種平衡就要破壞，產生溫室效應，給人類帶來災難。

單位面積（公頃）固碳制氧量的計算

參考黑龍江森林區數據，毎公頃森林每年生產的干物質（含根、枝、葉）為1.91噸。由此可測算其每年吸收CO? 1.91X1.63=3.11t/hm2，釋放O? 1.91X1.2=2.29t/hm2。

當然，不同地區、不同林種固碳制氧效力差距較大，積溫高的南方林木要比黑龍江林木固碳制氧效力高；生長快的林木當然生產干物質也多，固碳制氧效果也高。對現有數據分析表明，由於氣候差異，單位面積森林熱帶森林的固碳制氧率大約是寒帶林的2倍，或是溫帶林的1.5倍。

由於掌握數據有限，我們暫按黑龍江數據為參考再作如下初略測算。

計算人類耗氧釋放碳的影響

據資料，人類平均每天吸入的O?為750g，排出的CO?是900g。由此計算每年吸入O?為0.274t，排出CO?是0.329t。

參照黑龍江數據，每公頃森林產生O?能供2.29÷0.274=8.36人呼吸生存；同時能吸收3.11÷0.329=9.45人排出的CO?。實際上還有供人類消耗的動物它們也是簡接為人類耗氧排碳，還有工業排放等這裡暫不涉及。初略按毎公頃森林固碳制氧的量可供8人吸氧。只有足夠面積的森林進行光合作用，才能維持O?在空氣中的成份比例保持在21%左右，以保護人及動物的正常呼吸生存。森林作用對於人類生存是至關重要，不可缺失。有人說農作物、花草也能光合作用吸碳排氧，且慢，資料顯示，草本植物固碳制氧能力只有森林（喬木林）5%，大部分農作物都屬草本類植物，與森林相比，農作物固碳制氧是微小的。

有趣的案例

（1）以北京為例

據2015年北京統計數據，北京全域森林面積為744956公頃，按每公頃森林供12人吸O?生存（相當於黑龍江的1.5倍）計算，由此計算北京本地的森林只能提供894萬市民吸O?生存。目前北京2170萬人口中，其餘只能靠大氣流動（風）從域外西伯利亞森林等帶來O?。這也就是北京在沒有風而出現霧霾時人們呼吸困難的根本原理——人們需要的吸的O?，靠北京林木製造氧是根本滿足不了的。森林對北京來說太重要了，尤其是我們身邊（人中密集的中心城區）的林木固碳制氧的功能在霧霾發生時是任何措施無法代替的。由此得出結論：城市本身的足夠的森林面積應該是宜居城市的最重要的條件之一。

（2）以中國全域為例

全國的森林覆蓋率約18%，國土面積96000萬公頃，則森林面積為17280萬公頃森林面積。按每公頃森林供10人吸O?生存計算，全國的森林固碳制氧產生的O?能供17280X10=172800萬人即17.28億人口呼吸生存，這應該是我國人口的極限吧。但由於中國人口分布的極度不均，人口稠密的東部，特別是華北地區遇到霧霾時，人們會感到呼吸非常不適。因此要消除華北地區霧霾，必須大幅削減耗能產業並降低人口密度，同時更要大幅度增加森林面積。

（3）以世界全球為例

全球的森林覆蓋面積大約為41億hm2，按每公頃森林固碳制氧供10人吸O?生存計算，可供400億人呼吸生存。但由於全球工業化和過量消耗化石能源，因此造成大氣耗O?激增CO?，環境問題就更為突出，森林固碳制氧根本滿足地球人的需求。地球的極限人口可能要控制在100億左右。加上大陸人口的分布是極不均的，北半球森林區人口極少，有些甚至是無人區，而亞洲東南人口密集區森林破壞，這些都人類面臨的嚴重問題。

三

說明與結論

森林固碳制氧數據的局限性

筆者研究有關資料表明，按統計平均數，森林每生產 1m3的木材, 大約吸收850kg CO? ,釋放626g O?。由於氣候差異，單位面積森林固碳制氧率，熱帶森林的固碳制氧率大約是寒帶林的2倍，或溫帶林的1.5倍。還有由於林木品種不同，它的固碳制氧率差異相差較大，本文沒有分別測算，而是簡化綜合測算，對最後結果影響不大。全球的森林覆蓋面積大約為 41億hm2,佔全球陸地植物地上總碳貯量的86%，制氧的比值也是如此。喬木林固碳制氧效力是其它所有植物、農作物總和的20倍，因此對後者本文忽略未計。

初步結論

地球原始的大氣是缺氧氣的，只有植物特別是森林產生後，森林在光合作用下產生了固碳制氧的能力，氧氣大量增加，成為大氣主要成份之一。

由於地球上足夠量的森林的存在，在光合作用下生長保證了不斷的固碳制氧，吸收大氣中二氧化碳、釋放氧氧，平衡了人類呼吸中排碳吸氧的生存需要。

森林的固碳制氧功能也解決了現代工業和能源消費中的碳排放的問題（碳增加的溫室效應），保護了人類永續生存發展的大問題。保護森林、植樹造林就是保護我們的地球家園。

居民密集的城市中心區，必須儘可能提高林木覆蓋率，這是減輕霧霾、建設宜居城市的基本條件，否則北京很難能建成宜居之都。

以上意見供參考，歡迎開展討論。