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尋找遺失的碳--全球碳匯的一些數據與推論
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暘明
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人類活動所釋放的二氧化碳成為自然界生地化循環當中的影響因子。自查爾斯‧基林(Charles Keeling)於1958年開始記錄了夏威夷冒納洛亞山(Mauna Loa)的二氧化碳在大氣中的密度,紀錄顯示二氧化碳的含量每年節節上升。在1850年工業革命前,大氣的二氧化碳濃度(280ppm)都是保持在穩定的狀態,目前濃度為380ppm(part per million by volume),當中約30%(90ppm)是由工業革命後累積至今,現在年漲幅約為1.3ppm。

每年增加二氧化碳 = 燃燒化石能源 + 土地利用 - 海洋吸收 - 遺失的碳

3.2(±0.2)=6.3(±0.4)+2.2(±0.8)-2.4(±0.7)-2.9(±1.1)(GtC/Yr)

每年約85億噸碳(8.5±1.2GtC/Yr)排放到大氣(稱為碳源),當中燃燒化石燃料、水泥生產、伐林開荒等排放約63億噸碳、土地利用和農業活動約22億噸碳。碳匯為海洋、大氣和陸地生態系統。海洋吸納了24億噸碳,大氣保存了32億噸碳,這兩方面的碳儲量可以較準確的估算;陸地生態系統由於較複雜和不確定,於是約有29億噸碳稱為『全球遺失的碳匯』(Missing Carbon Sink)。

人類在製造糧食過程中,大量產生溫室氣體,如甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)等,當中以二氧化碳逐年增長2至3個ppm,而甲烷和氧化亞氮的增長以ppbv(part per billion by volume)計算。土地的利用,農作物系統和土壤的經營都可以成為吸納大氣二氧化碳的碳匯,目前全球大都集中在研究如土壤和森林等的有機碳循環,亦有一些研究如水循環當中的無機碳循環。由於對全球遺失的碳匯仍存在著一些疑問,本研究試圖不以森林的生地化循環,當中包括植被和土壤碳吸收去找尋碳匯,而是以農業生產與木材生產等高階的產物作為碳轉移和固定的方法去推論出全球遺失的碳匯的大小。

 

碳匯:樹木

植物在光合作用時,大量地吸取CO2,參考如下公式:

6CO2+12H2O+LIGHT-->C6H12O6+6O2+5H2O

植物生產1公噸的六碳醣(C6H12O6),便需吸取1.6公噸的CO2,植物從大氣層中移除大量的二氧化碳,成為強大的固碳去處。整棵植物有木質素Lignin,半纖維素Hemicellulose,纖維素cellulose(C6H10O5),各佔不同比例的碳,木質素含碳量可達62%;纖維素較單純含碳量的44%。一棵樹約50%由碳組成,所以植物本身在還沒有腐化經過分解,燃燒的過程時,仍是重大的碳匯。2000年全球森林林木生物量(地上和地下生物量以及死樹)為422,256百萬噸;2004年為486,344百萬噸,生物量中的碳(不包括死樹、廢棄物和土壤中的碳)為240,439百萬噸。當中以樹木生成的傢俱、木製品、紙張都是天然的碳儲存。

 

碳匯:農產品

2004年全球穀物產量為22.7億噸,1979年至1981年間為15.7億噸,2006至07年全球單以玉米產量便有6.98億噸。25年間,全球穀物產量每年上升平均1.78%,1961-2005年間每年百分比變化為2.2%。2004年全球肉類產量為2.6億噸,1979至1981年間為1.36億噸,年增長3.65%。兩者的碳儲存比率不同,穀物當中以碳水化合物為主,約44%碳,2004年22.7億噸穀物產量便有約10億噸碳;肉類當中的碳少於16%,2.6億噸便約有4.16千萬噸碳,但牛隻等肉食家禽(如雞、鴨、豬、羊隻)等生命期較穀物類成長期長,作為碳匯只能在數月至數年間取平均數。

 

碳匯:木製品與紙張

根據聯合國食物及農業組織2007年的資料顯示,2004年全球耗用紙漿為1.85億噸,紙張與紙板生產了3.53億噸。該年全球消費了3.51億噸紙產品,比10年前多25%。單美國由1996年至2005年間,每年用紙量,便約9000萬噸。紙製品中如以44至50%為碳組成,以2004年全球紙產品計算(3.51億噸),便有1.65(±0.11)億噸碳儲存起來直至分解。10年前平均約為1.2億噸碳。

全球木質用品(工業原木、鋸木、木質人造板),2000年合共為2174百萬立方米,2004年合共為2295百萬立方米。木材氣乾密度(指含水率在8%至20%時木材的密度)約300公斤/立方米至900公斤/立方米。

以木材氣乾密度計算,2000年時木材的重量介於652至1956.6百萬噸;2004年時木材的重量介於688.5至2065.5百萬噸。木質用品當中的碳蓄積隨著經濟發展,加上人類對木材的需求增加而令相關產品消耗增加。人類在砍伐樹木後製造成產品,在產品未曾棄置、腐化、分解前,都將天然的碳匯將碳儲藏起來,2004年木材碳蓄積量約6.885(±3.44)億噸。

每年植物吸收的碳,經過加工後成為產品存放於個別的家庭、辦公室或棄置於垃圾場。由於植物的成長有一段時期,所以碳累積的平均數字,當以樹齡加以考慮,而植物生長所排放的碳,亦早已存在於大氣中,所以木製品是淨碳匯。平均以十年樹齡計算,每年約吸取1億噸碳;而每年新生的林木,正處於旺盛的成長期,所以能取代砍伐樹木後的碳吸收。

 

碳匯:棉花

棉花所指的,是籽棉經過去籽加工後的皮棉,棉花產量,所指的是皮棉的產量。避免混淆,文中的棉花指整棵植物,皮棉為生產衣物用的纖維的主要來源(文中棉纖維即來自皮棉)。

 

一般成熟棉纖維的化學成份以纖維素為主(C6H10O5)n,n為聚合度,棉纖維聚合度至少在6000以上,一般達到10000至15000。棉纖維含量可占其乾重的93至95%。100公斤棉花產出64公斤棉柴(也稱棉稈),36公斤籽棉。籽棉去籽後可產出11至14公斤皮棉,2至3公斤短絨(可製成人造纖維)。100公斤皮棉約相應400公斤棉稈,14公斤短絨。400公斤棉稈可製成牛皮紙2令或工業用包裝紙150公斤左右。

根據美國農業部2005年11月刊的資料顯示,1996/97年,全球棉花(指皮棉)產量為1960.1萬噸,2004/05破紀錄的新高為2622萬噸。資料顯示,由2000年開始全球每年皮棉產量達1850至2000萬噸。5大產棉國的總面積約2200萬公頃,2006/07年度估計,世界皮棉產量將達到2550萬噸。全球由1970/71年約1200萬噸升至1984/85年間約1400萬噸,隨後產量超過1500萬噸。

由1970至2005年間,年平均產量約1700萬噸。全球皮棉以平均產量1700萬噸計算,棉花的實際產量為1700x100/14=1.214億噸。當中的64%為棉稈約7771萬噸。25年間,棉花製品(如成衣、牛皮紙、工業用包裝紙)作為穩定的碳固存,數量驚人。

皮棉的產量在過去數年都穩定地成長,棉製品一般使用年期長,有實際的固碳作用。棉纖維是一種穩定的碳匯,只要製品沒有分解,以全球每年對棉花(皮棉加上棉稈)的消耗來看,每年都以接近1.2億x44%,約5300萬噸碳累積起來。25年間,總數超過13億噸碳存在於各個家庭。(由棉稈製成的紙品,在數字上可能跟全球紙張產品重疊,固只以皮棉計算,棉製產品所累積的碳約為1700萬噸x44%=748萬噸碳)

 

由於缺乏準確的數字,木材產品當中的木材的成長年期、木材產品的淨重量、紙張產品當中木材與棉稈的比率多少、穀物產量當中的丟棄物所產生的碳、棉花生產過程中釋放的二氧化碳、肉類產品的成長年期和所吸收的穀物量與穀物產量的相關性等,都只能粗略地計算。全球另一含碳的竹產品(竹含碳量與樹木相若)每年產量由於缺乏數據而未能計算。陸域上的碳匯基本上便是由農產品、紙張、木材、棉花等所組成,陸地上所累積的碳都是暫時性的,分解後釋放至大氣,都會增力大氣的二氧化碳含量。

 

在人類社會當中每年在大氣當中吸取的碳約為穀物+肉類+紙產品+木材產品+棉花為:

 

10+0.416+1.65(±0.11)+6.885(±3.44)+0.53億噸碳=19.48(±3.55)億噸碳

 

由於每年肉類成長依賴穀物作為飼料約佔37%(1998年資料),若肉類的含碳量來自穀物,便要在計算碳匯時扣減掉。另外,在假設全球紙張產品當中包括了由棉稈所製成的紙品,以上碳匯以棉花計算的方式亦要作出調整,只以皮棉來計算。在人類社會當中每年在大氣當中吸取的碳約為穀物+紙產品+木材產品+皮棉為:

10+1.65(±0.11)+6.885(±3.44)+0.0748億噸碳=18.61億噸碳(±3.55)

從以上的估計數字可推算,人類活動產生的碳匯,已經有18.61億噸(全球遺失的碳匯每年約有29億噸,既然土壤本身吸收碳的能力強,陸域所吸收的碳明顯地更多,遺失的碳匯便減少。此研究亦推估人類的家居成為碳匯的地方。)

雖然當中的產品有固定碳匯的作用,但分解與保存下來的比例需要經過精確的計算,只是以上的數據還是值得參考。樹木作為全球最大的碳匯,數目正在減少當中,這方面雖然將樹木變成木質產品,但最終藏於人類當中的碳都會因棄置、堆填後腐化和分解或焚化後直接排放至大氣當中。

 

結論:

由1960有系統地紀錄以來,二氧化碳排放量不斷增加,而陸地的農作物生產量亦持續增加,這是否由於二氧化碳濃度增長最後加快植物的光合作用,還有待評估。另外,過去的氣候變化迭起,地球氣候的調整週期變短,每次的氣溫上升,伴隨著大氣濕度加重,雲層積聚而令氣溫下降;一段時間後,氣溫又再次升高,形成另一個循環。從不同的數據可得知,氣候的多變,整體溫度已形成緩慢的上升趨勢。聯合國跨政府氣候變遷小組(IPCC)已確定全球暖化的現象,有九○%以上的是由人類活動所造成。這跟大氣當中的溫室氣體增加是有相關連的。

由於找到遺失的碳匯的一部份,今年所遺失的碳,明年會否已排在大氣?人類社會所積藏起來的碳匯,最終都會成為碳源,顯然會增加大氣當中的溫氣室體排放量。當那些暫時儲存起來的碳最終大量地分解、釋放回大氣後,海洋、陸地的承受能力為何?還有的是因應的辦法如何?

當中找尋穩定和永久的碳匯,有其必要。全球陸地面積隨著沙漠化而植物減少(「世界觀察學社」的資料顯示.在一九七○至九○年二十年間,全球沙漠面積增加1.2億公頃)。人類如能善於利用和開發沙漠,大規模有計劃地植樹造林,使之成為新生的森林,碳的吸收能力更強和更多,這有助於減輕大氣中的二氧化碳含量,同時亦能令森林周遭的氣溫下降。

隨著土壤、海洋、大氣對二氧化碳的吸取量的飽和,人類如果不能找尋更多的碳匯,二氧化碳的增長會否到達地球所能承受的臨界點,將會持續地受到關注。找到陸地上所累積的碳匯的意義就在於,人類怎樣面對溫室氣體增加的挑戰以因應將來那些碳匯成為不確定的碳源。負責任的政府在制定政策的時候,必定要考慮到二氧化碳排放的問題,當中以焚化垃圾所造成和堆填所產生的碳排放影響至大;政府亦應該及早深入研究和立法去實踐《京都議定書》裡對溫室氣體的排放所進行限制,當中包括各政府設法減少二氧化碳和作出二氧化碳排放交易。

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600億公斤
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更正:

60億人口,人均體重佔10公斤碳,總共600億公斤碳。

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驚人的流動碳匯
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暘明
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全球人口超過60億,假設每人平均有3公斤的碳,這相當於180億公斤碳;人均10公斤,總共1800億公斤碳。再加上家禽(豬、牛、羊、雞、鴨)和動物,便形成驚人的流動碳匯。

人類社會不經不覺間儲存著大量的水(人,動、植物都含大量的水),也儲存著大量的碳,只要生物突然死亡,水和碳都會回歸自然循環,會否成為改變氣候的另一因子呢?

人類在過著奢華、享受的時候,總是自私地對未來的問題視若無睹;又總是自我安慰地找尋藉口替自己開脫。人類歷史的發展方向,一再證明,任何政府在死到臨頭前,依舊不願正視問題,等待問題由後來者解決。

為了便於閱讀,重貼一些公式。

植物在光合作用時,大量地吸取CO,參考如下公式:

6CO+12HO+LIGHT-->C12+6O+5H

纖維素cellulose(C10

棉纖維(C10

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模擬論文的補充
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暘明
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由於小說中的主角畢磊為修讀博士研究班的學生,所以我便模擬了一篇論文。此論文一直未曾公開,包括所有送贈的文件,原因在於論文沒有經過任何的評核,害怕有誤導人之嫌。

今天公開,純粹作一個紀錄,證明我為了完成小說,花了很多功夫,此論文會登在「香港館」城市,作為一個見證。城市的論文發表後,如有修改的地方,會以回應的方式更正,不會任意修改原文(部落格例外)。

論文是我花了很長時間尋找資料,數字都是有根據的。由於搬家的緣故,加上記憶力不及從前,很多資料來源,怎樣計算,都忘記了。說聲抱歉。任何指正本人務必虛心接受。

註:圖片修改自IPCC
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