温室气体二氧化碳的生态效应研究

盛靖博

指导教师【郭玉婕】

【摘要】本文在对温室气体及其引起的温室效应深入分析的基础上，针对如何探究二氧化碳生态效应的问题，设计并实施了一系列课题探究方案：课题一对二氧化碳的吸热效应进行了探究；课题二对全球二氧化碳排放情况进行了分析；课题三对不同场所空气中二氧化碳差异进行了探究。从而对气候变暖的主要原因、国家间二氧化碳排放量差异、人类活动对不同场所空气中二氧化碳浓度的影响等问题做出了总结，并提出了有效的缓解对策，具有一定的理论和应用价值，实现了对温室气体二氧化碳的生态效应探究。

【关键词】温室气体 二氧化碳 生态效应

一、 研究背景

温室气体指大气中能吸收地面反射的太阳辐射，并重新发射辐射的一些气体，水蒸气、二氧化碳、甲烷等都是主要的温室气体。温室气体的作用是使地球表面变得更暖，即“温室效应”。

工业革命前，大气成分处于相对平衡状态。此后，由于化石燃料燃烧、森林系统退化、土地利用方式转变等原因，致使温室气体在大气中含量不断上升，原先的平衡状态被打破，全球气温升高，同时，气温不断上升也加快了温室气体的释放。

温室气体浓度上升与地球大气温室效应日趋明显，森林退化、气候变暖、冰雪融化、海平面上升、动植物栖息地和生活习性改变等负面效应日益增加，生态平衡遭到破坏，给人类的生存和发展带来了巨大的影响。

二、 研究内容

在上述背景下，对温室气体生态效应的研究已经成为当前亟待解决的问题。

生态效应是指人为活动造成的环境污染和破坏引起生态系统结构和功能的变化。比如，人为活动排放出的各种污染物：二氧化氮、二氧化硫和氟化物污染大气环境；氮、磷等营养物和汞、铅等重金属污染水体；农药、石油和放射性物质等污染周围环境，都将破坏生态系统，引起相应的生态效应。

生物与环境相互作用、相互协调，保持动态平衡。比如，大气层中的二氧化碳含量由于植物的吸收而保持在一个水平，实现动态平衡。但是，由于过度排放和森林减少，导致动态平衡被破坏，对整个生物圈有难以预测的影响。

因此，生态效应的研究是认识和估计环境质量的现状及其变化趋势的重要依据，是环境质量生物监测和生物学评价的理论基础，对于防治污染和保护环境有重要的理论和实际意义。

三、研究过程

为了实现对温室气体生态效应的探究，设计并实施探究方案如下：

1. 实验一——探究二氧化碳的吸热效应

1.1 实验设计

实验目的：通过研究温室气体二氧化碳的吸热效应，探究二氧化碳作为温室气体与正常大气相比对密闭环境温度造成的影响。

自变量：含有二氧化碳的密闭容器和含有空气的密闭容器。

因变量：容器内部环境温度升高的差异。

1.2 实验过程

1.2.1 实验准备

如图1所示，称量小苏打3克、草酸2.3克混合均匀待用，量筒里倒入10毫升水待用。取2只大小、规格一致的透明塑料罐，用标签纸进行编号，分为二氧化碳组合空气组。将两个数显温度计分别用胶带固定在两个塑料盖的内侧，温度计显示屏向外。

图1 材料准备及组别设置

1.2.2 实验操作

如图2所示，取混合均匀的小苏打和草酸的试剂倒入塑料罐中，加入5毫升水，同时将瓶盖放在罐口，并留取一个小口。取点燃的蜡烛放在留取的小口上侧，当蜡烛的火苗突然减弱或者是熄灭时，视为瓶内充满二氧化碳气体。

图2 制备、充气、验满

迅速将罐口拧紧，将量筒内剩余的5毫升水倒入空气组的玻璃罐内，再将空气组的罐口拧紧。将两组塑料瓶放在室内，等待罐内的温度计示数接近。

1.2.4 记录数据

如图3所示，将两个塑料瓶用电热灯加热模拟正午阳光直射环境，每个4分钟记录一次温度计数值，共持续40分钟。

图3 模拟室外阳光照射

实验数据表及折线图如下：

表1 二氧化碳的吸热效应数据记录表

图4 二氧化碳的吸热效应数据折线图

1.3 分析与结论

在容器、容积、光照、瓶外空气流动等因素相同的情况下，在太阳光的照射下，开始后的每个4分钟时间段内，二氧化碳组升温比空气组快，温度高，验证了二氧化碳的比热容比空气的比热容小。所以二氧化碳是温室气体，大气中二氧化碳的浓度升高是气候变暖的主要原因之一。

2. 实验二——全球二氧化碳排放情况分析

2.1 实验设计

实验目的：绘制二氧化碳排放图，比较1990-2019年之间不同年份碳排放量，了解人类活动对环境的影响。

自变量：时间、国家等。

因变量：二氧化碳的排放量。

2.2 实验过程

2.2.1 下载数据

如图5所示，登录网站下载数据（数据网址：https://data.worldbank.org.cn/indicator/en.atm.co2e.kt）

图5 下载并记录数据

2.2.2 筛选需要的数据并绘制统计图

按照发展程度和人口总量等指标，选取中国、美国和俄罗斯的二氧化碳排放数据绘制统计图如下：

图6 1990-2019年中、美、俄二氧化碳排放量数据对比统计图

2.3 分析与结论

图6统计图显示：中国的排放量后期数值较高且增长较迅速，美国的排放量居中且增长不明显，俄罗斯的排放量始终保持较低状态且增长缓慢。通过分析认为，这是因为中国处于工业飞速发展阶段且人口远超其他国家、美国工业发展较平稳、俄罗斯工业水平较低且发展缓慢造成的。也就是说，由于各国工业发展水平、增长速度以及人口总量的不同，造成国家间二氧化碳排放量差异明显。

3.实验三——探究不同场所空气中二氧化碳含量差异

3.1 实验设计

实验目的：通过定量测定不同环境场所中二氧化碳浓度，掌握测定空气中二氧化碳含量的原理及操作方法，探究人类活动对空气中二氧化碳浓度变化的影响。

自变量：不同场所——卧室、厨房、地下室。

因变量：空气样品中二氧化碳含量。

3.2 实验过程

3.2.1 准备材料

取三只试验用注射器检查气密性，取滴管吸取1-2滴10%氨水溶液滴于100毫升纯净水中，再取4-5滴酚酞溶液滴于上述稀氨水溶液中，此时溶液呈现红色，如图7所示。

图7 制取实验溶液

3.2.2 进行实验并记录数据

用准备好的气密良好的注射器吸取10毫升配置好的实验溶液，倒置注射器开始抽气，小心拉动活塞至注射器100毫升刻度线。用堵头堵住注射器出口，用手托住注射器，用力振荡20次然后从注射器头上进行排气。重复上述过程直至注射器中溶液变为无色，记录抽气次数。

选定卧室、厨房和地下室三个不同的生活场所进行上述实验操作并记录实验数据如下：

表2 不同场所空气中二氧化碳含量数据记录表

3.3 分析与结论

实验数据表明：同一时间段下不同生活场所内空气中二氧化碳浓度差异明显，具体表现为：厨二氧化碳浓度高于其他场所。厨房浓度偏高的原因是：厨房煤气灶使用产生的二氧化碳较多。而卧室由于呼吸作用、地下室由于是密闭空间，推测浓度也应高于室外通风场所。

四、总结与展望

1. 研究总结

通过上述实验过程及其数据统计结果分析，研究总结如下：大气中二氧化碳的浓度升高是气候变暖的主要原因之一；由于各国工业发展水平、增长速度以及人口总量的不同，造成国家间二氧化碳排放量差异明显；人类活动对不同生活场所以及室内外场所间二氧化碳浓度有较大影响。

2. 研究展望

近年来，温室气体对全球气温变化的影响已经成为环境学家、生态学家的研究热点，成为可持续发展研究的重要内容之一。二氧化碳作为主要的温室气体之一，其温室效应对生态效应的负面影响日益加剧。因此我们应当发掘环保的低碳生活方式，如绿色出行，减少煤气的使用等；应当研究低排放的工业生产方式，开发零污染的新能源；应当深入持续地探究二氧化碳增加和气候变化对生态效应的影响，防患于未然。

五、参考文献

（1）项爱明,羊大方,汪家伟等.”二氧化碳温室效应”模拟实验[J].地理教育， 2020(03):58-60.

（2）陈锦.对温室效应模拟实验的商榷[J].化学教育,2008(10):61-62.

（3）张含.大气二氧化碳、全球变暖、海洋酸化与海洋碳循环相互作用的模拟研究[D].浙江大学,2018.