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。      

中国草地碳收支研究与展望

如何提高生物圈固定大气CO2的能力是减缓气候变化的重要主题.中国草地面积约400×106hm2,占世界草地面积的12.5%,在吸收和固定大气CO2中具有重要作用.文章就气候变化和人类活动对草地碳收支的影响以及区域和国家尺度草地碳收支变化的研究进展进行了评述,提出未来中国草地碳收支研究应重点关注3个方面: 气候变化和人为干预对草地碳收支影响的驱动机制; 中国草地碳收支变化的时空特征与固碳潜力; 草地生态系统碳收支模型的开发.     

土壤碳及其在地球表层系统碳循环中的意义

本文回顾了近10年来国内外对土壤碳研究的主要进展,分析了土壤碳的移动性及其影响因素,着重针对陆地系统碳汇饱和问题介绍了土壤碳对大气CO2源汇效应的碳转移过程及其在地球表层系统碳循环中的作用,指出应加强对土壤碳转移及其对全球变化的响应、土壤碳固存对大气CO2调控的机制和动态的研究,以便为缓解陆地系统碳汇饱和提供科学依据。     

真菌在陆地生态系统碳循环中的作用

近年来,全球变暖趋势越来越明显,大气CO2浓度不断升高被认为是引起全球气候变化的主要原因之一.大气CO2来源主要有海洋释放、土壤呼吸、化石燃料燃烧、动植物呼吸和植被破坏等;而大气CO2的归宿被认为主要有海洋吸收和植物光合作用等.全球陆地生态系统中的碳有2126 Pg.其中46%储存在森林中.土壤真菌占地下总微生物量的8...     

气候变化对黄土碳库效应影响的敏感性研究

中国黄土分布广、厚度大,是古气候变化的良好记录载体,然而黄土在大气CO2循环中到底是源还是汇一直是困扰人们的一个问题.本文利用陆相生态系统中的生物地球化学模型,通过敏感性试验,模拟了土壤有机碳对气候变化的响应.结果表明:1)在各种稳定的气候条件下黄土的土壤有机质都是持续增加的,因此可以认为自然条件下黄土是大气CO2的一个汇;2)温度和降水对黄土中土壤有机质含量的影响正好相反,表明湿度是影响黄土地区生态环境的主要因素,温度和降水都是通过对湿度的影响来影响植被生态的;3)地表植被和土壤有机质是黄土碳库与大气CO2之间的重要媒介.黄土表层的生物地球化学过程是影响黄土碳汇效应的主要过程;4)黄土碳库的主要存在形式以次生碳酸盐为主,其次是土壤有机质,气态CO2只占很小比例.     

高压下深海碳循环的过程及其对生命活动的影响

目前约25%化石燃料来源的CO2被海洋吸收,缓解了人类活动对气候变化的影响。海洋通过多个概念的碳泵将大气中的CO2输送到深海。深海高压和低温的特点有利于CO2溶解,目前已经储存了相当于大气含量50倍的无机碳,另外,深海沉积物中还储存有大量甲烷水合物。认识深海中的碳循环过程,对于保护海洋固碳能力、开发固碳潜力有重要意义。总结了国内外在海洋碳库、碳输送研究方面的进展,重点讨论了深海C元素转化循环的过程以及高压对生命活动的影响。微生物驱动了深海碳循环,大部分浮游植物所包含的有机碳在沉降过程中被微生物矿化成CO2以及转化为难降解的有机碳,使深海成为巨大的、长周转时间的有机碳库; 高压能提高古菌甲烷厌氧氧化的活性,提升屏蔽海底甲烷释放的能力,同时,高压下氧化甲烷的过程中不仅产生碳酸氢盐,还产生可支持异养生物的乙酸,因此,全球甲烷厌氧氧化的通量可能被低估; 高压下细胞代谢额外产生的氨,可作为氨氧化古菌固定无机碳的潜在能量来源。总之,研究现在以及未来的人类活动对深海碳循环过程的影响以及环境效应,评估应用深海作为地球工程技术平台封存CO2的可能性,都迫切需要加深对碳循环在内的深海元素循环的认识。     

我国南方岩溶区和北方黄土区的大气CO2效应

我国南方岩溶区与北方黄土区都是巨大的碳库。碳酸盐的溶蚀及再结晶是两个碳库与大气CO2交换的重要过程。碳的区域平衡是评价化学风化消耗或逸散CO2的基础。岩溶区与黄土区在地球化学风化的环境背景、溶蚀过程、产物运移和归宿等差异很大。黄土区化学风化消耗大气CO2通量较岩溶区小。目前评价两类地区土壤与大气CO2的源汇关系尚不成熟,需要定量认识土壤CO2与下伏碳酸盐岩溶蚀或与下伏黄土次生碳酸盐化作用。岩溶区湖泊沉积物中有机质分解产生的HCO3-制约外源及内生碳酸盐溶解和自生碳酸盐形成。     

特约主编致读者

近年来,全球变化与碳循环问题越来越得到各国政府、科学界和公众的关注。土壤碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分,其碳储量占整个陆地生态系统的3／4,约是大气碳库的2倍。土壤碳库的微小变化能引起大气CO2等温室气体浓度的明显改变。研究土壤碳库转化机理,从而抑制土壤碳源,增加土壤碳汇,是应对全球变化的重要措施之一。此外,提高...     

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。      

古大气CO2浓度重建方法技术研究现状

温室气候引起的全球气候变暖越来越引起人们的关注,大气中不断上升的CO2浓度被认为是导致气候变暖的主要因素.地史时期大气CO2浓度变化与温室气候可能存在类似的关系,可提供参考,因而古大气CO2浓度重建是首要任务.总结近年来古大气CO2浓度重建的进展,重点介绍GEOCARB模型模拟、植物叶片气孔参数和同位素指针的方法和技术.GEOCARB模型是反映全球古大气CO2浓度长期变化的碳相关模型;气孔参数方法是使用气孔比例来估计古大气CO2浓度;同位素指针包括成壤碳酸盐、浮游植物有机质生物标记物、钙质浮游有孔虫、古苔藓植物等,其中成壤碳酸盐碳同位素方法使用最为广泛.国内只是在叶片参数研究方面有一些进展,古大气CO2浓度重建工作任重而道远.     

论大气微量气体增加的环境效应及地质记录研究

大气CO2浓度增加对陆地化学侵蚀的影响小于酸雨的影响。水土流失可能促进大气CO2浓度的增高;植被破坏又影响大气CO2的固定。虽然大气CO2的较高浓度可能促成初级生产力的提高,但海洋光合作用速率增加于环境系统不利。尽管大气微量气体可能产生温室效应,但CO2与地表升温的对应关系不清楚、增温幅度与自然脉动的关系尚需客观评定。地质记录具全息性特征。加强地质记录和现代地质过程研究是揭示大气微量气体环境效应之谜的关键;从燃料和植被两个系列着手是维护全球环境的重要途径。     

表层带岩溶作用:以土壤为媒介的地球表层生态系统过程— — 以桂林峰丛洼地岩溶系统为例

作者基于在桂林丫吉村岩溶试验场的长期、系统观测及有关实验研究进展,从影响岩溶作用的土壤化学因素、土壤CO2 及土壤有机碳行为等方面论证了土壤对于表层带岩溶作用的媒介及驱动意义,提出岩溶地球化学过程涉及到土壤中Ca2+ 的移出及交换释放,土壤CO2对系统空气CO2 浓度及HCO3- 排释的控制,并指出土壤有机碳是岩溶作用碳转移的重要媒介。作者认为表层带岩溶系统的发育演进为石质岩溶→生物岩溶→土壤岩溶→生态系统岩溶,因而表层带岩溶作用是以土壤为媒介的表层生态系统过程。      

全球变化条件下的土壤呼吸效应

土壤呼吸是陆地植物固定CO₂尔后又释放CO₂返回大气的主要途径，是与全球变化有关的一个重要过程。综述了全球变化下CO₂浓度上升、全球增温、耕作方式的改变及氮沉降增加的土壤呼吸效应。大气CO₂浓度的上升将增加土壤中CO₂的释放通量，同时将促进土壤的碳吸存；在全球增温的情形下，土壤可能向大气中释放更多的CO₂，传统的土地利用方式可能是引发温室气体CO₂产生的重要原因，所有这些全球变化对土壤呼吸的作用具有不确定性。认为土壤碳库的碳储量增加并不能减缓21世纪大气CO₂浓度的上升。据此讨论了该问题的对策并提出了今后土壤呼吸的一些研究方向。其中强调，尽管森林土壤碳固定能力有限，但植树造林、森林保护是一项缓解大气CO₂上升的可行性对策；基于现有田间尺度CO₂通量测定在不确定性方面的进展，今后应继续朝大尺度田间和模拟程序方面努力；着重回答全球变化条件下的土壤呼吸过程机理；区分土壤呼吸的不同来源以及弄清土壤呼吸黑箱系统中土壤微生物及土壤动物的功能。当然，土壤呼吸的测定方法尚有待改善。     

土壤呼吸作用和全球碳循环

土壤呼吸作用是全球碳循环中一个主要的流通途径 ,导致土壤碳以CO2 形式流向大气圈。全球土壤中碳贮存量的增加有助于缓和人为CO2 的进一步释放 ,而土壤CO2 的流失则显著地加剧大气CO2 的升高和增强温室效应。文章简单评述了土壤呼吸作用、大气CO2 升高、全球温度升高三者之间的关系 ,并提出 :改进的管理实践能减少农业土壤中CO2 净流失 ,增加有机碳贮存。减缓土壤呼吸作用的一项简单措施是减少土壤耕作。土壤扰动最小的耕作实践称为免耕作。实践证明 ,当实施免耕作时 ,土壤有机质的流失明显降低。     

国际岩矿地球化学固碳技术研究进展

针对"全球变暖"问题, 为实现碳中和, 利用自然碳汇增速固碳的技术研发愈加受到国际社会的重视和增强的资金投入。地质增汇方案中, CO2的碳酸盐矿化固碳为通过矿物、岩石的化学风化反应, 将大气中CO2转化为碳酸盐矿物稳定封存。由于该方案在固碳后CO2返还回大气的风险小, 可达到永久固碳, 因此近年来国际上针对这一固碳方案开展了不少前瞻性研究和工业化运用。该类技术的实现及广泛运用面临的主要挑战和问题有如下几方面: 哪些地质过程可带来快速CO2的碳酸盐矿化, 如何人为利用相关的物理、化学因素以进一步增汇, 以及如若进行大规模工业化技术实施, 其可行性、安全性和成本将如何评估。首先简要归纳无机地质碳汇过程的岩石地球化学原理及控制矿物溶解、碳酸盐化反应速率的主要物理、化学因素; 随后在此理论基础上, 重点介绍地球化学固碳增汇技术的最新国际研究进展, 主要包括基性-超基性岩原位增温固碳技术和异地加速岩石化学风化固碳技术。当前国际上的此类地球化学矿化固碳增汇技术虽绝大多数仍处于探索阶段, 安全性、成本评估体系也尚未完善, 但该类方案的可用资源丰富, 具有巨大的固碳潜力, 而现有的方案也可随着能源结构的转型进一步降低成本。我国具备良好的地质条件, 本文希望国内同行能在这些国际研究进展的启发下, 根据我国国情研发创新性地质增汇工程, 充分挖掘我国的地质碳汇潜力, 解决国家对达成碳中和的紧迫需求, 服务我国2060年碳中和战略。     

碳酸盐岩岩溶作用对大气CO2沉降的贡献

精确预测大气CO2的未来变化对于预测全球气候变化是至关重要的.为此,需要确定大气CO2的源和汇及其随时间的变化.本文作者利用已发表和未发表的资料对一些实例进行了分析:首先讨论了碳酸盐岩岩溶作用(包括碳酸盐溶解及再沉积的共同影响)对土壤CO2和径流变化的敏感性;接着利用水化学-流量方法和碳酸盐岩石片试验方法得出了我国和世界碳酸盐岩地区因碳酸盐岩岩溶作用从大气中吸收的净CO2总量,即碳酸盐岩岩溶作用对大气CO2沉降的贡献.它们分别是:中国每年1800万tC,整个世界岩溶地区1.1亿tC;最后,文章据DBL理论模型计算得出世界碳酸盐岩地区碳酸盐岩溶解吸收CO2一项产生的大气CO2沉降量为每年4.1亿tC,继而得出全世界碳酸盐岩地区因碳酸盐再沉积而释放CO2产生的大气CO2源项为每年3亿tC.     

草地生态系统土壤有机碳库对人为干扰和全球变化的响应研究进展

草地土壤碳库碳储量及其变化与调控机制是草地碳循环研究的核心.草地生态系统正经受着越来越严重的人为与自然因素干扰,如土地利用变化、大气氮沉降增加、施肥及大气CO2浓度与温度升高.因此,加强人为干扰和全球变化背景下草地土壤有机碳库的响应研究有重要意义.总结了放牧、草地开垦及外来氮素输入等3种主要的人类活动对土壤有机碳总量和活性碳组分的影响及其对全球变化的响应与适应,在此基础上指出了目前草地生态系统土壤有机碳库研究的薄弱环节及今后的重点研究领域.     

添加有机物料对岩溶系统中碳转移及灰岩溶蚀的影响研究

以贵州茂兰一种灌丛土壤和一种农业用地土壤为研究对象,设置了添加和不添加有机物料处理,进行了岩溶作用与土壤碳转移的模拟试验。结果表明,土壤CO2 呼吸排放、土壤淋滤液HCO-3 排泄及灰岩溶蚀均响应于有机物料的添加。对于无机离子Ca2+ 、Mg2+来说,在不添加有机物料情况下,其淋出过程表现为一个较高的活跃可迁移库的释放过程及随后较低风化淋滤的稳定释放过程。在添加有机物料条件下,分解释放的Ca及CO2产生的HCO-3的排释滞后于土壤呼吸15天以上。添加有机物料下,灰岩溶蚀量均有一定幅度的提高,但Ca( Mg )及HCO-3的排释大大增强,这一方面表明生物可利用性的碳源的加入促进了系统中岩溶作用,并强烈驱动土壤中可交换Ca、Mg的排释;另一方面,由于土壤中因呼吸增强而形成的高CO2在湿润条件下溶解成为HCO-3 - C排泄,而大大促进土壤碳转移的汇效应。本文的研究结果说明,自然土壤因植被的破坏或林地转变为农地,可能使岩溶系统的汇效应减弱。      

南北极海区碳循环与全球变化研究

南北极是全球变化研究领域中十分重要的地区 ,也是世界大洋对全球变化反馈的一个重要窗口。文章论述了南北极海区碳循环研究的国内外研究动态 ,阐述了目前南大洋及北冰洋的生产力水平及碳收支平衡状态 ,讨论需要进一步研究的一些存在问题以及将来的发展方向。目前的研究表明 ,北极的生产力比历史上所认为的要高 ,在全球变化的作用下 ,其将成为越来越重要的碳汇区 ;南大洋主控着人为源CO2 的海气交换通量 ,而生产力所受到的限制也影响着其吸收CO2 的潜力。目前制约着对两极碳循环进一步认识所缺乏的资料包括 :极区碳汇的时空变异、南大洋的Fe限制及Fe假说、紫外增强对极区碳循环可能产生的影响等。今后研究的重点将集中在全球变化对两极碳循环的影响及其反馈 ,碳循环的机制及其动力学过程 ,以及通过碳循环人为干预全球变化的可行性。近年来 ,中国也十分重视极区碳循环的研究 ,取得了许多积极的成果。我们的研究结果表明 ,在 80°E～ 80°W之间 ,南大洋基本上是大气CO2 的汇 ,其中在 45°W～ 30°W及 10°W～ 10°E之间 ,是CO2 的强汇区。北冰洋的一些海区也表现为很强的碳汇区。计算得出 ,楚科奇海及其附近海区 7月到 9月CO2 吸收通量为 0 13g/ (m2 ·d) (碳 )。南大洋夏季CO2 吸收通量为 0 1g/ (m2 ·     

干旱半干旱区CO2浓度升高对生态系统的影响及碳氮耦合研究进展

大气CO2浓度升高已成为全球备受关注的环境问题.CO2排放量的增加加剧了地球表层的温室效应,也对生态系统的结构和功能产生了重要影响.生态系统对CO2浓度升高的响应是一个长期的过程.在干旱半干旱区,CO2浓度的升高对生态系统生产力、植物、土壤和微生物等都有影响,尤其改变了生态系统中的碳循环,并加剧了生态系统对氮的需求.碳...