桂林会仙岩溶湿地典型水生植物δ13C特征与固碳量估算

为促进目前岩溶碳汇稳定性和速率等科学问题的深入研究,在分析桂林会仙岩溶湿地主要水生植物碳同位素的基础上,利用基于碳酸酐酶活性与植物碳同位素值显著正相关的二端元模型,估算了不同植物利用光合作用固定HCO3-的比例。结果表明,湿地核心区沉水植物光合作用固定HCO3-碳量在4.86~64.73 tC/（a?km2）之间,挺水植物为15.68~453.01 tC/（a?km2）,平均值为76.74 tC/（a?km2）。按平均值计算会仙湿地水生植物光合作用固定HCO3-碳量为4 466.27 tC/a,即在会仙湿地岩溶地下河补给的HCO3-中约47 %被水生植物光合作用固定。水生植物光合作用固碳效果明显,是碳汇研究中不容忽视的一个十分重要的问题。      

碳酸酐酶胞外酶影响下的岩溶湖泊微藻碳汇研究

以岩溶湖泊——红枫湖的微藻为研究对象,通过添加两种标记稳定碳同位素组成的无机碳进行室内模拟岩溶环境条件;并通过添加不同浓度的乙酰唑胺（AZ）,来模拟岩溶湖泊中碳酸酐酶胞外酶活性差异的各类微藻。重点监测微藻蛋白质含量及其稳定碳同位素组成变化等指标,计算其对不同来源无机碳的吸收利用份额,并结合微藻的生物量生长指标,最终计算出碳酸酐酶胞外酶活性差异的各种微藻的碳汇能力。结果显示:在岩溶湖泊的自然水体中,碳酸酐酶胞外酶活性强的微藻碳汇能力是缺乏碳酸酐酶胞外酶的微藻碳汇能力的5倍。碳酸酐酶胞外酶对微藻光合碳汇能力的影响显著。      

亚热带典型岩溶水系统的碳汇效应对比研究

选择中国南方亚热带地区具有不同地质背景和生态状况的广西柳州市官村地下河(灌木林生态环境、人类活动影响显著)、云南省广南县木美地下河(石漠化严重)和贵州茂兰板寨地下河(原始森林生态)3个岩溶水系统为例,对比研究岩溶水中溶解无机碳浓度和碳汇效应的差异。结果表现,(1)流域管道水的溶解无机碳平均浓度排列顺序为:官村>木美>板寨,表层岩溶带泉水的排列顺序为:木美>官村>板寨。(2)水的PCO2分压计算结果显示:3个流域岩溶水的方解石溶解度基本达到饱和,PCO2的大小顺序为:官村地下河>木美地下河>板寨地下河。(3)根据一个水文年的流量监测计算官村地下河流域的岩溶碳汇强度为12.34tC/(km2?a),板寨地下河流域的为11.8tC/(km2?a),木美地下河流域为34.11tC/(km2?a)。木美地下河流域的石漠化现状相当严重,石漠化面积高达90%,而板寨地下河为原始森林区,但木美地下河流域的岩溶碳汇强度却最大,这与其流域面积大、调蓄功能强,且有外源水补给有关。这也同时表明,单从生态环境的角度去研究岩溶作用碳汇潜力是不够的。      

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。      

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。      

半干旱区岩溶碳汇原位监测方法适宜性研究

选择正确的方法准确计算北方干旱半干旱岩溶区的岩溶碳汇量, 有助于提高我国岩溶碳汇效应估算精度和改进全球碳循环模型。利用水化学径流法和标准溶蚀试片法对山西马跑神泉域的岩溶碳汇量进行了计算, 结果表明, 标准溶蚀试片法计算出的流域碳汇量和碳汇强度为386.15 t/a和1.821 t/(km²·a), 水化学径流法的结果为2 084.08 t/a和9.83 t/(km²·a), 试片法计算结果仅为水化学径流法的1/5。试片溶蚀速率和土壤无机碳质量分数呈负相关关系, 进一步表明土壤无机碳质量分数高(是有机碳质量分数的2.85~5.06倍)是造成试片法计算结果偏小的主要原因:高含量的无机碳在半干旱气候条件下容易沉积, 从而使试片溶蚀速率偏小;流域边界清楚, 水化学和流量易于监测, 利用水化学径流法计算岩溶碳汇强度结果更为准确。因此, 在半干旱地区, 计算岩溶碳汇效应宜采用水化学径流法。     

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。     

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。     

梧州水文站和昭平水文站岩溶碳汇特点研究

以位于桂江中下游昭平水文站、西江上游梧州水文站为研究对象,总结梧州水文站、昭平水文站一个完整水文年岩溶碳汇特点,比较分析两个监测水点岩溶碳汇差异,为固碳增汇工程提供科学依据。(1)梧州站监测水点全年平均单位面积碳汇量1.31tCO2/km2,水中HCO-3浓度、Ca2+质量浓度全年动态变化相似,与流量呈负相关关系。汛期,HCO-3浓度、Ca2+质量浓度随流量增大而减小;非汛期,HCO-3浓度、Ca2+质量浓度随流量减小而增大。碳汇量动态变化曲线与流量变化曲线变化趋势基本相似;2011年5月单位面积碳汇量最大,同年9月单位面积碳汇量最小。(2)昭平站监测水点全年平均单位面积碳汇量0.86tCO2/km2,水中HCO-3浓度、Ca2+质量浓度全年动态变化相似,与流量没有明显相关关系。昭平站碳汇量动态变化曲线与流量变化曲线变化趋势相同,2012年3月单位面积碳汇量最大,2011年9月面积碳汇量最小。(3)两个监测水点碳汇量动态变化曲线与流量变化曲线变化趋势极为相似,可以证明流量为影响碳汇量的重要因素。     

农业活动对岩溶作用碳汇的影响:以重庆青木关地下河流域为例

以受农业活动影响强烈的重庆青木关地下河流域为研究对象,利用CTDP300多参数水质自动记录仪、WGZ-1型光电数字水位计、HOBO小型气象站在线自动监测电导率、水位以及降雨等数据,并获取流域耕地面积数据,于2010年分月采集地下水样,分析常规水化学和地下水溶解无机碳δ13C,初步探讨流域农业活动对岩溶作用过程和碳汇的影响,发现农业活动对岩溶作用过程产生明显的影响,进而影响到岩溶地质碳汇。地下水水化学以及地下水δ13CDIC值证实了流域地下水DIC是碳酸、硝酸和硫酸共同溶蚀碳酸盐岩的产物;每月碳酸溶蚀碳酸盐岩产生DIC占地下水中总DIC的比例在55.53%～81.25%之间,雨季(62.98%)普遍低于旱季(74.86%);碳酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC的量为14.67×106mol/a,其中岩溶作用产生的净CO2汇量为7.335×106mol/a,而硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC总量为7.48×106mol/a,约占地下水中总DIC的33.8%,单位面积耕地上硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生DIC的强度为1.89×106mol/(km2.a)。人类活动引入的硝酸和硫酸参与碳酸盐岩的溶解并改变了区域碳循环。     

典型岩溶水系统碳汇通量估算

现代岩溶学研究成果表明,碳酸盐岩在全球碳循环中响应极其迅速,水循环过程中的碳汇效应显著。本研究选取广西桂林寨底地下河系统、广西环江大安地下河系统、重庆北碚青木关地下河系统三个典型岩溶地下水系统,利用各系统地下河的流量和HCO3-浓度的监测资料,采用简单化学平衡模式法估算碳汇通量(CO2)。结果显示,寨底地下河系统的单位面积年碳汇通量为68.82 t/(km2.a),大安地下河系统的单位面积年碳汇通量为81.18 t/(km2.a),青木关地下河系统的单位面积年碳汇通量为100.07 t/(km2.a)。分析认为同一个岩溶水系统的结构特征和环境条件基本上是稳定的;地下河的流量和HCO3-浓度是影响岩溶碳汇强度的关键因素,尤其是地下河流量的变化对碳汇强度的影响显著;不同岩溶水系统的碳汇通量不但受水化学条件和地下水动力条件的控制,同时受土地利用变化的影响。该研究对于改进碳循环模型和评价岩溶地质碳汇有重要意义。     

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。     

岩溶作用时间尺度与碳汇稳定性

从碳酸盐溶蚀快速动力学过程、岩溶动力系统的开放性、环境敏感性和生物参与性等方面分析了岩溶作用过程的时间尺度及其碳汇稳定性,指出岩溶碳循环是一种兼具不同时间尺度的特殊地质作用过程,因水生植物和土地利用变化的影响,碳汇效应显著且相对稳定,仍对现今大气CO2减排有重要意义。为更好地估算岩溶碳汇潜力,在加强高精度自动化监测的同时,需要考虑外源水、水生植物及土地利用变化等因素。      

岩溶试片的岩性差异对估算岩溶速率和碳通量的影响

研究岩性差异对溶蚀速率的影响有助于提高溶蚀试片法估算岩溶碳汇强度的精确度。本文以贵州省普定县为研究区,将埋放地的主要基岩类型（石灰岩与白云岩）制成标准尺寸的试片,并将其埋设于不同土地利用类型和土壤深度下,经过4个水文年的监测后将估算的结果与前人在同一区域使用标准溶蚀试片的研究结果进行对比分析,结果表明:（1）在相同气候和土壤环境条件下,岩性对溶蚀试片的溶蚀速率有显著影响,且溶蚀速率与岩石中CaO含量呈正相关关系,与MgO含量呈负相关关系;（2）石灰岩与白云岩试片溶蚀速率的差异程度受土地利用及埋放深度的调控,整体上石灰岩溶蚀速率比白云岩溶蚀速率大14%;（3）不同岩性试片估算的岩溶碳汇强度相差较大,标准溶蚀试片估算的结果比埋放地基岩试片估算的结果高。故使用溶蚀试片法估算区域岩溶碳通量时应考虑埋放地基岩的岩性,或者对基于标准溶蚀试片的估算结果进行校正,才能准确反映区域尺度真实的岩溶碳通量大小。      

Global significance of the carbon cycle in the karst dynamic system: evidence from geological and ecological processes

On the basis of proposing the existence of a karst carbon cycle and carbon sink at a watershed scale, this paper provides four pieces of evidence for the integration of geology and ecology during the carbon cycle processes in the karst dynamic system, and estimated the karst carbon sink effect using the methods of comparative monitoring of paired watersheds and the carbon stable isotope tracer technique. The results of the soil carbon cycle in Maocun, Guilin, showed that the soil carbon cycle in the karst area, the weathering and dissolution of carbonate rocks under the soil, resulted in a lower soil respiration of 25% in the karst area than in a non-karst area (sandstone and shale), and the carbon isotope results indicated that 13.46% of the heavy carbon of the limestone is involved in the soil carbon cycle. The comparative monitoring results in paired watersheds, suggesting that the HCO₃^- concentration in a karst spring is 10 times that of a rivulet in a non-karst area, while the concentration of inorganic carbon flux is 23.8 times. With both chemical stoichiometry and carbon stable isotopes, the proportion of carbon in karst springs derived from carbonate rocks was found to be 58.52% and 37.65% respectively. The comparison on carbon exchange and isotopes at the water-gas interface between the granite and carbonate rock basins in the Li River showed that the CO₂ emission of the karst water is 10.92 times that of the allogenic water from the non-karst area, while the carbon isotope of HCO₃^- in karst water is lighter by 8.62‰. However, this does not mean that the karst water body has a larger carbon source effect. On the contrary, it means the karst water body has a greater karst carbon sink effect. When the karst subterranean stream in Zhaidi, Guilin, is exposed at the surface, carbon-rich karst water stimulated the growth of aquatic plants. The values of carbon stable isotopes in the same species of submerged plants gradually becomes heavier and heavier, and the 512 m flow process has a maximum range of 15.46‰. The calculation results showed that 12.52% of inorganic carbon is converted into organic carbon. According to the data that has been published, the global karst carbon sink flux was estimated to be 0.53-0.58 PgC/a, equivalent to 31.18%-34.41% of the global forest carbon sink flux. In the meanwhile, the karst carbon sink flux in China was calculated to be 0.051 PgC/a, accounting for 68% of its forest carbon sink flux.     

基于碳酸盐岩风化的碳源分析及土壤的影响作用机制

在CO2 - H2O- 岩石系统中由于碳酸盐岩的可溶性,使其回收土壤/大气CO2 的通量比硅酸盐岩更大。通过大陆河流湖泊HCO-3 来源和海洋碳来源两种计算方式得出,碳酸盐岩溶解回收大气CO2 的量是其它岩类的3倍以上。与同纬度地带性土壤相比,岩溶地区土壤通过促进土下碳酸盐岩的溶解与固碳作用对大气CO2 产生更为强烈的汇效应: 土壤的覆盖使土下碳酸盐岩的溶蚀速率平均提高4.35倍,从而加快了对土壤/大气CO2 的回收速率;富钙的土壤地球化学背景使石灰土富含胡敏酸钙,胡敏酸在土壤中的存留时间长达780～ 3 000年,是其它类型土壤有机质如富里酸的4～ 5倍,稳定的胡敏酸钙使土壤有机碳稳定性增加、周转周期延长而得以累积,固碳作用将减少土壤CO2 向大气的排放。石灰土的平均有机质含量比同纬度红壤、黄壤分别提高了44%、33% ,固碳作用十分明显。