农业土地利用对岩溶地下水影响研究综述

地球表层系统最突出的景观标志是土地利用/土地覆被。人类通过土地利用改变天然土地覆被从而对脆弱敏感的岩溶水文系统产生了重大的影响。文章着重从农业土地利用出发综述了当前农业土地利用对岩溶水影响的研究。农业土地利用对岩溶地下水的影响主要围绕着水质和水量两个核心从以下几个方面展开:天然植被的清除,农业灌溉和排水,农业集约化所带来的化肥杀虫剂等的使用以及污染物质在岩溶含水层中的运移和影响。在此基础上作者从研究内容,理论方法和建立模型等方面都提出了自己的想法和建议。     

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。     

土地利用变化对岩溶地下水溶解无机碳及其稳定同位素组成的影响

土地利用变化对岩溶地下水溶解无机碳（DIC）的影响关系到岩溶作用强弱及其相关的全球碳循环的正确评价。对贵州茂兰原始森林内的板寨岩溶地下河流域和普定岩溶石漠化强烈的陈旗、灯盏河泉域三种不同的土地利用下的地下水的DIC及其稳定同位素进行了分析,结果表明,地下水的DIC表现形式主要为HCO3^-。对于缺少土壤覆盖的板寨和灯盏河岩溶地区,雨季主要因为稀释作用,HCO3^-含量出现年内最低值;而对于较多土壤覆盖的陈旗岩溶地区,雨季主要受土壤CO2效应控制。HCO3^-含量出现年内最高值,反映了土壤在岩溶作用及其碳循环中的特殊重要性。此外,夏季由于生物量的增加,δ^13DIC值较冬季偏轻1‰～2‰。而对于不同土地利用而言,石漠化影响下的地下水δ^13DIC较原始森林下的地下水偏重2．5‰-3．0‰,且随着石漠化的发展,土壤的进一步流失,地下水δ^13DIC进一步偏重,反映了石漠化后生物量比例减少和大气成因CO2比例增加对地下水δ^13DIC升高的影响。     

岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响

有资料显示陆地碳酸盐岩风化消耗大气CO2的碳通量与世界森林碳汇通量量级相当。但农业地区过量施用氮肥形成的硝酸对碳酸盐岩的溶解会减弱岩溶碳汇效应,其量可达到7%~38%,而适量施用氮肥在增加农作物产量的同时,能降低土壤C/N比,增加土壤微生物活性,促进有机物料分解,从而提高土壤CO2浓度,提高土下碳酸盐岩的溶解速率。因此,要从两方面分析岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇效应的影响。同时,岩溶区碳酸盐岩风化形成的土壤具有较高的pH值及盐基饱和度,对H+有较强的缓冲作用,可能是导致自然条件下,河流中溶解无机碳(DIC)与水体中钙、镁等离子并不守恒的原因之一,因此,运用端元法可能过高估算了硝酸对碳酸盐岩的溶解量。岩溶区土壤环境中硝化作用产生的硝酸到底多少能对碳酸盐岩产生溶蚀,并影响到岩溶碳汇效应还有待研究。应结合土壤本身的特性及河流生物地球化学过程,综合研究不同施氮水平、土壤硝化产酸及其影响下的土下碳酸盐岩溶解及碳汇效应过程,客观评价岩溶区土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响,并寻求适宜氮肥施用量及促进岩溶碳循环,提高岩溶碳汇效应的技术方法。      

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。     

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。      

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。     

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、...     

北京典型溶洞土壤中的CO2及其对岩溶作用的驱动

本文通过对北京万佛堂孔水洞观测站土壤ＣＯ２及泉水中ＨＣＯ＾－３等为期一年的观测资料的分析评价,得出结论：土壤中的ＣＯ２驱动着岩溶作用,表现在土壤中ＣＯ２含量的季节性变化－夏季土壤ＣＯ２含量和泉水中ＨＣＯ＾－３浓度也相应升高。     

北京典型溶洞区土壤中的CO2及其对岩溶作用的驱动

本文通过对北京万佛堂孔水洞观测站土壤CO2 及泉水中HCO-3 等为期一年的观测资料的分析评价,得出结论: 土壤中的CO2驱动着岩溶作用,表现在土壤中CO2 含量的季节性变化—— 夏季土壤CO2 含量升高和泉水中HCO-3 浓度也相应升高。      

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。     

我国岩溶地区碳汇研究进展与展望

20世纪90年代,我国率先开展了岩溶作用与碳循环研究。文章在系统总结相关研究进展的基础上,阐明岩溶碳汇的原理,提出基于地球系统科学理念的岩溶流域6种碳循环过程模式,揭示了岩溶碳汇的稳定性并回答有关学者对岩溶碳汇的质疑,从四大圈层的碳循环角度提出发掘岩溶地区碳汇潜力的新理念。在综述岩溶地区碳汇人工干预研究进展的基础上,分析了石漠化综合治理、岩溶土壤改良、水生生物固碳、加速岩溶过程等人工干预措施的碳汇潜力及研究应用方面的不足。提出了下一步岩溶流域碳汇调查研究监测和技术创新发展方向,以及固碳增汇试验示范工作思路。     

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。     

IGCP 379“岩溶作用与碳循环”在中国的研究进展

ＩＧＣＰ３７９项“岩溶作用与碳循环”是中国建议并组织实施的,于１９９５～１９９９年执行。作者对１９９５年以来项目的实施情况及其研究进展作了总结,并对每一科学的研究进展作了综述：（１）表夺溶系统碳循环与大气ＣＯ２源汇的主要进展有３方面：扩展了研究地区;揭示了秀层岩溶系统碳循环的运动机制;对表层岩溶作用回收大气ＣＯ２量进行了估算;（２）深部ＣＯ２释放问题的主要进展有;发现了更多的深部ＣＯ２释放带;揭示     

油气储层的深岩溶作用

碳酸盐岩和砂岩是重要的油气储层,埋藏期深岩溶作用形成的次生孔隙是油气运移和聚集的有效空间。笔者通过多个油田研究,总结了深岩溶发育特征,并且首次运用多种有机酸对碳酸盐岩和砂岩溶孔的形成进行了模拟试验研究,揭示了有机溶蚀化学机理和深溶作用的温度、压力效应      

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。      

土地利用影响下的岩溶地下水水化学变化特征

为了进一步探讨土地利用方式与地下水水质的关系,在湖南湘西峒河流域采集了包括地下水和地表水的131个样品,在室内进行简分析或全分析,并现场测量了水样的p H、温度和电导率。依据土地利用方式和污染来源将峒河流域的岩溶地下水划分为3种类型: 第一类,不受耕地和居民点影响的岩溶地下水;第二类,受耕地但不受居民点影响的岩溶地下水;第三类,受居民点影响的岩溶地下水。将三类岩溶地下水中K+ 、Na+ 、Cl- 、SO2-4 和NO-3 的浓度从大到小放在一个坐标系中比较,结果显示第三类岩溶地下水的5种离子浓度最大,第二类中等,第一类最低,表明土地利用方式对岩溶地下水水质影响明显。在空间分布上,岩溶地下水离子浓度具有东部和东南、西北较高的特点,表现为一些泉水遭到明显的污染,与这些地方土地利用类型以水田、旱地和农村居民点为主,即与农耕施肥和生活垃圾排放有关。虽然居民点或耕地等土地利用类型目前还没有致使地下水水质超过饮用水标准,但是流域内的饮水安全问题不容忽视。      

碳循环与岩溶土壤改良———原理与综述

中国南方亚热带裸露岩溶区土壤瘠薄, 又称石山土壤。受地带性(亚热带)和地域性(岩溶)发育因素制约,与地中海等岩溶区土壤不同,表现出显著的多样性、复合性和破碎性特点。低产土壤占土壤总面积60 %以上,土壤改良任务艰巨。由于障碍因子及其组合种类众多,以及土壤斑块小型分散的特点,决定了石山土壤改良与多数不良自然条件国土单元不同,不能期望简单地通过某一两种单一机制的改良措施统一治理。当前石山土壤改良工作基本尚处于经验性创新阶段。作为石山土壤改良的一个方向,提出运用碳循环理论指导工作。希望借此把改良措施研制提高到实验创新水平。