中国岩溶碳汇通量估算与人工干预增汇途径

中国是岩溶大国,岩溶作用吸收土壤或大气CO₂形成溶解无机碳,并随河流排向海洋,这是陆地碳循环的重要组成部分。中国地质调查局从2009年开始对岩溶碳汇进行探索性调查,基本查明了岩溶碳汇的作用机理、影响因素和计量方法。研究表明: 碳酸盐岩溶蚀试片、径流-水化学和回归模型等方法均揭示了中国岩溶碳汇潜力巨大; 植被恢复、土壤改良、外源水灌溉和水生植物培育等是人工干预增加岩溶碳汇的重要途径; 流域尺度岩溶碳循环及碳汇效应调查技术的应用,助力取得了岩溶碳循环地质调查和碳汇效应评价方面的理论、技术和平台建设等系列成果。值得注意的是,岩溶碳汇计量、核查和人工干预固碳增汇试验示范等方面还面临巨大挑战,这需要在“十四五”期间及以后的研究中不断攻关、完善,从而满足地质碳汇服务碳中和目标的需求。     

中国岩溶碳汇过程与效应研究成果及展望

我国是世界能源消费和CO₂总排放量第一大国,碳减排任务艰巨,责任重大。据调查,我国岩溶碳汇与森林、土壤碳汇在同一数量级,但其要在国家层面发挥重大作用,其影响因素及机理需要进一步调查和阐释,估算精度还有待提高。系统总结了流域尺度岩溶碳循环过程,并重点揭示了生物作用对岩溶碳循环的影响;研究了水圈二氧化碳的再循环规律;评估了外源水对岩溶作用的影响程度和促进强度;利用数学回归模型估算区域岩溶碳汇通量,提高了由点到面岩溶碳汇通量估算精度,并提出增加岩溶碳汇潜力技术途径,为我国岩溶碳汇通量科学估算提供支撑。     

论岩溶作用对全球碳循环的意义与碳汇效应——兼对《对<中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇分区估算>一文的商榷》的答复

岩溶作用促进大气二氧化碳汇过程不仅局限于碳酸盐岩地区,而是涉及全球陆地地质岩石地区,因此以前仅考虑岩溶面积计算的岩溶碳汇量偏低,需要以河流流域为单元全面计算全球岩溶碳汇效应。除了产生河流溶解无机碳被带入海洋外,岩溶作用还可通过水体生物吸收形成颗粒有机碳以及在岩溶土壤中固定有机碳等方式形成碳汇,因此,岩溶地质过程固碳形式多样。其中,仅全球水生生物固定岩溶水重碳酸根产生的有机碳近0.5Gt,生态恢复可促进岩溶土壤有机碳固定及岩溶流域碳汇,我国西南石漠化治理工程至少可增加岩溶碳汇2~3亿t,如果重视岩溶增汇技术的应用,全球岩溶碳汇效应将非常显著。所以,岩溶碳汇研究意义重大,岩溶碳汇效应更不可忽略。      

微型生物在岩溶碳循环中的作用研究回顾与展望

全球气候变化问题使岩溶系统碳循环的研究倍受关注,有关微型生物及其碳酸酐酶在岩溶系统碳循环中的作用的认识也在不断深入。文章回顾了微型生物及其碳酸酐酶在碳酸盐岩风化以及碳酸盐岩沉积过程中的作用过程及作用机制,指出未来的研究需结合不同岩溶生态环境,量化微型生物及其碳酸酐酶对岩溶生态系统碳增汇的影响,为深入研究微型生物及其碳酸酐酶对岩溶碳汇的贡献、增加岩溶生态系统碳汇的能力、助力实现碳中和提供参考。      

岩溶关键带及其碳循环研究进展

岩溶关键带的范畴包含了大气-(降水)-植被-土壤-裂隙-基岩-水组成的“碳-水-钙”循环强烈的表层岩溶带以及岩溶管道-洞穴-地下河-隔水层组成的巨大岩溶地下空间,岩溶关键带碳循环是岩溶地球系统科学研究的前沿方向。总结概括了岩溶地球系统科学发展至今的岩溶关键带范畴内碳循环及其对大气CO2源汇效应的研究成果,包括早期碳运移模型、当前主流的区域岩溶碳汇量的计算方法和结果以及“生物碳泵”的新发现等,讨论了当前岩溶碳循环研究框架过于单一或不一致以及碳周转时间尺度等问题,提出应对岩溶关键带碳输入、赋存以及碳输出的各个环节做出系统化监测,通过联网在线高分辨率监测站点的建设以及“3S”技术实现点位到区域的研究,使岩溶碳汇在全球碳循环模型中的重要性更具说服力。     

浙江省灰岩固碳能力初步研究

通过岩溶作用碳循环原理的阐释,依据浙江省碳酸盐岩岩石参数,估算了浙江省碳酸盐岩库,计算结果表明全省碳储量为5.45×10~(12)t;岩溶作用产生的的碳汇量较大,全省碳酸盐岩出露区每年从大气中回收的CO_2为4.55～13.55×10~(10)g/a,固碳量为1.24～3.69×10~4t/a。在此基础上,提出了加强地质岩溶碳库调查研究的建议。     

土地利用对岩溶作用碳汇的影响研究综述

耦合水生光合作用的岩溶作用碳汇新模式的提出使得碳酸盐岩的风化过程成为寻找“陆地剩余碳汇”(residual land sink) 的新方向。传统意义上,碳酸盐岩风化在全球碳循环模型中被认为是未快速响应地表环境变化的地质过程,然而最新一系列研究表明人类土地利用显著改变了这一地质循环过程。文章总结了岩溶作用碳汇对不同土地利用/覆被变化的具体响应,并对其机理进行了系统分析。发现土地利用与覆被变化影响岩溶作用碳循环过程主要源自土壤CO2浓度和径流量变化以及外源酸（硝酸和硫酸）的介入。证据显示在土地利用对岩溶作用碳汇的调控中土壤CO2浓度与径流量是复杂且相互制约的两个机制,人类活动产生的外源酸干扰在不同层面上的影响也不同。由于地表水生生态系统所产生的内源有机碳（AOC）的巨大稳碳能力(水生碳泵效应)在以往的研究中并没有与碳酸盐岩风化过程相联系,因而其对土地利用变化的响应过程和机理是岩溶碳循环研究的最新方向。基于土地利用调控碳酸盐岩风化过程的复杂性和多样性特点,综合考虑岩溶作用产生的DIC(溶解无机碳)与AOC在不同土地利用情况下的相互关系以及定量分析各环境因素的具体效应成为了合理制定人为土地利用调控策略的必要前提,也是岩溶作用碳汇研究的未来发展方向。      

流域尺度岩溶碳循环过程——“岩溶作用与碳中和”专栏特邀主编寄语

2020年9月22日, 习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上承诺, 中国力争于2030年前达到CO2排放峰值, 努力争取2060年前实现碳中和。中国的碳达峰与碳中和战略, 不仅是全球气候治理、保护地球家园、构建人类命运共同体的重大需求, 也是中国高质量发展、生态文明建设和生态环境综合治理的内在需求。碳中和战略涉及深度社会经济发展转型, 以期实现低碳甚至零碳排放和基于技术变革的增汇目标, 是面向可持续发展的重大机遇。碳酸盐岩是岩溶发育的物质基础, 不但记录着地球历史时期的环境变化, 而且还是地球最大的碳库, 对地球大气和生命演变起到重要的作用。据统计, 现代全球岩溶分布面积2200万km2, 占陆地面积的15%, 其中中国岩溶面积达344万km2, 约占全球岩溶总面积的15.6%。在水-二氧化碳-碳酸盐岩-生物的相互作用下, 岩溶碳循环活跃, 在全球形成0.824 Pg C/a的岩溶碳汇, 约占全球“遗漏汇”的29.4%。鉴于岩溶作用对全球碳循环具有重要的作用和影响, 2021年中国出台的《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》均明确提出要巩固提升岩溶碳汇能力。然而, 岩溶碳汇的流域尺度效应及其稳定性机理还不十分清晰, 以至于岩溶碳汇研究存在不确定性问题。为揭示流域尺度岩溶碳汇效应以及岩溶碳汇的稳定性问题, 明确岩溶作用与碳中和的耦合关系, 助力碳达峰、碳中和目标的实现, 《地球学报》组织了“岩溶作用与碳中和”专栏。     

表层岩溶系统碳迁移路径及其土被效应探讨

为了弄清楚表层岩溶系统碳汇机理,有必要对该系统中气、液和固三相不平衡体系中碳的迁移途径进行研究。2010年,在板寨地下河流域布置了8个碳稳定同位素分析测试点。通过碳稳定同位素示踪剂及空气CO2分压对比,发现森林区岩溶水和自由大气中大部分碳是来自土壤空气。在表层岩溶系统碳汇过程中整个碳迁移路径可分为4个环节,依次为(1)植被光合作用吸收空气CO2;(2)土壤根系的呼吸作用及腐殖质分解向土壤释放CO2;(3)地下水循环岩溶作用将气态CO2转换成液态HCO3-离子;(4)地下水中的碳随水流向河流及海洋。在整个碳汇过程中,森林和土壤起到了“加压泵”的作用,大大提高了大气CO2向土壤空气CO2转换过程中的CO2分压,从而显著地提高了岩溶的作用速率。      

是“岩溶碳汇”还是“岩溶碳通量”?

大气碳收支不平衡问题是全球碳循环研究的核心问题之一,决定了人类活动导致的气候变化速度和程度。在过去50年,陆地和海洋作为全球碳循环的主要汇呈增加趋势,而岩溶作用(CaMg(CO_3)_2+2CO_2+2H_2O  Ca~(2+)+Mg~(2+)+4 HCO_3~-)则通过与岩石圈、水圈、大气圈(层)的密切联系成为联系陆地和海洋碳库的纽带。尽管岩溶作用在水循环和生物圈的作用下,每年可产生约8亿t的碳通量,使岩溶作用过程成为全球碳循环的一个重要环节。但在目前研究技术手段和认识水平的条件下,将岩溶作用这一可逆过程直接认定为岩溶碳汇有不妥之处。因此,在没有涉及生物固碳效应的前提下,应当将岩溶作用参与的碳循环表述为岩溶碳通量。     

Ecosystem-driven karst carbon cycle and carbon sink effects

It is recognized that karst processes are actively involved in the current global carbon cycle based on twenty years research, and the carbon sink occurred in karst processes is possibly an important part of “missing sink” in global carbon cycle. In this paper, an overview is given on karst carbon cycle research, and influence factors, formed carbon pools (background carbon sink) and sink increase potentials of current karst carbon cycle are analyzed. Carbonate weathering could contribute to the imbalance item (B_IM) and land use change item (E_LUC) in the global carbon cycle model, owing to its uptake of both atmospheric CO₂ (carbon sink effect) and CO₂ produced by soil respiration (carbon source reduction effect). Karst carbon sink includes inorganic carbon sink resulted from hydrogeochemical process and organic carbon sink generated by aquatic photosynthetic DIC conversion, forming relatively stable river (reservoir) water body or sediment carbon sink. The sizes of both sinks are controlled by terrestrial ecosystems and aquatic ecosystems, respectively. Desertification rehabilitation and carbon sequestration by aquatic plants are two effective ways to increase the carbon sink in karst area. It is estimated that the rate of carbon sink is at least 381 000 t CO₂/a with vegetation restoration and afforestation in southwest China karst area, while the annual organic carbon sink generated by aquatic photosynthesis is about 84 200 t C in the Pearl River Basin. The development of a soil CO₂ based model for assessment of regional dissolution intensity will help to improve the estimation accuracy of carbon sink increase and potential, thus provide a more clear and efficient karst sink increase scheme and pathway to achieve the goals of “double carbon”. With the deep investigation on karst carbon cycle, mechanism and carbon sink effect, and the improvement of watershed carbon sink measurement methods and regional sink increase evaluation approaches. Karst carbon sink is expected to be included in the list of atmospheric CO₂ sources/sinks of the global carbon budget in the near future.     

中国岩溶碳汇潜力研究

为了应对全球环境变化,中国地质科学院岩溶地质研究所等单位在地质调查项目的资助下,在中国典型岩溶流域开展了岩溶碳汇调查,建立了岩溶碳汇观测网站,深化了岩溶碳汇过程、影响因素和形成机理研究,发现了岩溶区外源水、土地合理利用、植被恢复和水生光合作用等增加岩溶碳汇的途径,取得了大量的科技创新进展。在调查研究的基础上,将我国岩溶区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,利用GIS技术计算各区的岩溶面积和岩溶碳汇量,获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a,这是我国344万km2岩溶区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇。该项研究进展在2011年的《Science》通讯报道中获得高度评价。     

Advance of Karst Critical Zone and Its Carbon Cycle

The category of karst critical zone includes surface karst zones with strong carbon-water-calcium cycle composed of atmosphere-precipitation-vegetation-soil-fissure-bedrock-water and huge karst underground space composed of karst pipeline/fissure-cave-underground river-aquifer, which is the frontier direction of karst earth system science research. This paper summarized the research results of carbon cycle and its effect on atmospheric CO₂ source and sink from the scientific development of karst earth system up to now, including the early carbon migration model,the calculation methods and results of current mainstream regional carbon sink and the new discovery of bio-carbon pump, etc. It discussed the problems that the current research frameworks of karst carbon cycle are too single or inconsistent and time scales of carbon turnover are not the same. It was proposed that systematic monitoring of carbon input, storage and output in karst critical zone should be carried out. The importance of karst carbon sinks in the global carbon cycle model should be more convincing through the construction of online high-resolution monitoring sites and the "3S" technology to achieve point-to-area research.     

温室气体浓度变化及其源与汇研究进展

对工业革命以来大气中主要温室气体浓度变化和增长趋势作了简介。概述了冰芯研究的最新成果:420 ka BP以来CO2浓度变化情况及其揭示的气候变化机制;全新世期间CH4浓度的波动;气候事件中N2O浓度的快速波动及工业化前的水平。总结了全球温室气体源与汇的研究现状,重点介绍了全球碳循环研究中的未知汇问题,列举了根据不同资料和模型估计的陆地碳汇位置和幅度以及影响因素对陆地碳汇的贡献等认识上的差异。简单介绍了国内有关温室气体源与汇研究,如稻田CH4排放、岩溶系统碳循环和黄土中温室气体组分特征等方面的研究成果和认识。     

中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇的分区计算

根据中国岩溶碳汇计算的需要,将我国岩溶地区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,各区的岩溶面积分别为56.48万km2、32.58万km2、55.60万km2和200.1万km2。各区岩溶水的径流模数和岩溶作用强度存在差异,南方岩溶区比其他区的岩溶作用强度明显大得多。以取得的调查监测和统计资料为依据,对4种类型区和中国的岩溶碳汇量进行了重新计算,南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区岩溶碳汇量分别为1909.9万tCO2/a、600.5万tCO2/a、580.1万tCO2/a、608.6万tCO2/a,由此获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a。该结果比前人的研究更全面地反映了当前我国岩溶地区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇量。      

岩溶动力学理论与现代岩溶学发展

岩溶动力学理论的核心是碳水钙循环,强调系统思维和全球视野观,提出了岩溶动力系统概念模型、结构与功能。岩溶动力学研究产生的新的学科生长点,对现代岩溶学形成与发展具有里程碑式的意义。“岩溶形态组合”概念的提出为岩溶不均一性研究、岩溶类型与形成环境划分奠定了完整的方法体系;将岩溶学研究成功引入全球变化领域,由此开辟了岩溶碳循环与碳汇效应研究,为重新认识岩溶作用在全球碳循环中的地位打开了窗口;将岩溶地球化学研究延伸至无机与有机过程的融合研究,为脆弱岩溶环境修复与保护提供了更加清晰的思路与方法。岩溶IGCP项目的执行,体现了岩溶动力学理论为建立联合国教科文组织国际岩溶研究中心的指导意义,同时,岩溶动力学理论为我们自觉融入国家“一带一路”倡议、生态文明发展战略和“双碳”目标等奠定了坚实的理论与方法基础。