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气候足迹：从工业革命到今天的见证者

随着时间的推移，大气中13C的相对比例正在稳步下降。工业革命前，大气δ13C约为-6.5‰;而现在的数值在-8‰左右。植物相对于大气具有较少的13C（因此δ13C值更负，约为-25‰）。大多数化石燃料，如石油和煤，都是由古老的植物和动物材料构成，它们与其他植物具有相同的δ13C同位素指纹。

大气δ13C的年趋势总体下降可以用大气中二氧化碳的增加来解释，这些二氧化碳必须来自陆地生物圈和/或化石燃料。实际上，我们从Δ14C的测量、清单和其他来源得知，这种减少主要是由化石燃料排放造成的，这是“苏斯效应”的一个典型例子。

大气总二氧化碳水平（不是同位素比率，而是总二氧化碳）显示出强烈的季节变化。在夏季（在北半球——地球上大部分陆地所在的地方），二氧化碳通过光合作用被植物固定，从而减少。在秋季和冬季，二氧化碳增加，因为许多植物停止光合作用，它们固定的一些二氧化碳通过植物、动物和土壤的呼吸作用释放出来。δ13C的季节变化与此相反。

δ13C在夏季增加，在冬季减少。这种相反的趋势被称为反相关，并且可以用总二氧化碳模式背后的相同推理来解释。当植物吸收二氧化碳时，它们更偏好12C而不是13C。这在大气中留下了相对较多的13C，从而增加了大气的δ13C。然而，在冬季，当植物释放的二氧化碳多于它们消耗的二氧化碳时，这些进入大气的二氧化碳在13C中相对较少。这降低了每年秋冬季节大气的δ13C，因为植物释放的二氧化碳中含有相对丰富的12C，降低了大气中13C与12C的比值。北半球和南半球的季节是相反的，但由于北半球有更多的土地和更多的陆地生物群，所以在全球范围内，δ13C和二氧化碳随着北半球季节的变化而变化。

全球大气二氧化碳总量趋势与全球 δ 13 C 年度和季节性趋势的比较

δ13C测量的重要用途之一是确定陆地生物圈汇的强度。由于我们每年向大气中排放的二氧化碳中约有一半被各种各样的碳汇吸收，因此了解这些二氧化碳的确切去向对未来的预测非常重要。

科学家们关注的是二氧化碳水平的变化率——二氧化碳水平增加或减少的速度。这可以与δ13C水平的变化率进行比较。这两种速率之间强烈的反相关性告诉NOAA的科学家，在全球范围内，陆地生物圈对大气中的二氧化碳水平有反应。例如，当二氧化碳以增加的速度添加到大气中时，通常陆地生物圈也会以增加的速度吸收二氧化碳。然而，尽管陆地生物圈目前正在对二氧化碳排放速率的变化作出反应，但尚不清楚这种变化是否会持续到未来。在达到其能力之前，陆地生物圈还能反应多久？

比较视图

在局地尺度上，δ13C的测量显示了季节波动在多大程度上是由陆地生物圈和海洋交换控制的。通过比较位于阿拉斯加巴罗的一个采样点和南极空气采样点，可以最好地说明地点之间的差异。在巴罗，二氧化碳的季节性差异非常大，这与二氧化碳的δ13C(几乎完全)反相关。正如在全球趋势中所讨论的那样，这意味着巴罗的大气二氧化碳季节性几乎完全由陆地生物圈控制。海洋交换——会影响总二氧化碳，但不影响δ13C——似乎在确定巴罗的总二氧化碳水平方面几乎没有作用。

相比之下，南极的大气二氧化碳与δ13C值之间只有微弱的反相关关系。这意味着陆地吸收在大气二氧化碳水平中只起很小的作用，相反，涉及到另一个过程。也许另一个过程是海洋吸收。无论如何，在没有植物的南极，陆地生物圈的作用大大减弱是有道理的。

不均衡通量

虽然δ13C有助于区分的两大类通量是来自陆地生物圈的通量或来自海洋的通量，但为了确定碳源和碳汇的相对强度，这两种通量必须进一步分开。重要的是要记住，这两个汇的当前通量与碳储存时的大气成分有关。然而，进入这些池的通量的δ13C是由当前的大气组成决定的。尽管碳储存的时间（周转时间）变化很大，但陆地生物圈中的碳储存时间要比海洋中的少得多。在陆地上，碳通常会储存几年或几百年。但是，假设一棵30岁的树死了。从树木中释放的碳将具有与今天生长的树木不同的δ13C指纹。由于随着时间的推移，大气中的碳含量越来越少，因此从死树释放的碳的δ13C将高于从今天的大气中吸收二氧化碳的活树的δ13C。

类似的逻辑也适用于海洋通量，但范围更广。陆地生物圈的周转时间是几十年到几百年，而海洋的周转时间从几百年到几千年不等。由于1000年前大气中还没有任何来自化石燃料的碳，因此大气δ13C甚至更高（约为-7‰）。因此，来自海洋的通量比进入海洋的电流通量具有更小的负δ13C。这两种通量的差异（进入海洋的-10‰和从海洋中出来的-9.5‰）大于陆地通量的差异（仅约0.3‰），因为海洋的周转时间更长。了解每个碳库进出通量之间的差异，有助于NOAA的科学家更好地了解碳循环以及大气中每个二氧化碳源和汇的强度。