中國巖溶碳匯潛力研究

蔣忠誠,袁道先,曹建華,覃小群,何師意,章 程

1)中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,廣西桂林 541004;

2)國土資源部/廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室,廣西桂林 541004;

3)中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點實驗室,廣西桂林 541004

中國巖溶碳匯潛力研究

蔣忠誠1,2,3),袁道先1,2,3),曹建華1,2,3),覃小群1,2,3),何師意1,2,3),章 程1,2,3)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,廣西桂林 541004;

2)國土資源部/廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室,廣西桂林 541004;

3)中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點實驗室,廣西桂林 541004

為了應(yīng)對全球環(huán)境變化,中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所等單位在地質(zhì)調(diào)查項目的資助下,在中國典型巖溶流域開展了巖溶碳匯調(diào)查,建立了巖溶碳匯觀測網(wǎng)站,深化了巖溶碳匯過程、影響因素和形成機理研究,發(fā)現(xiàn)了巖溶區(qū)外源水、土地合理利用、植被恢復(fù)和水生光合作用等增加巖溶碳匯的途徑,取得了大量的科技創(chuàng)新進展。在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,將我國巖溶區(qū)劃分為南方巖溶區(qū)、北方巖溶區(qū)、青藏高原巖溶區(qū)和埋藏巖溶區(qū) 4種類型區(qū),利用 GIS技術(shù)計算各區(qū)的巖溶面積和巖溶碳匯量,獲得中國巖溶碳匯總量為3699.1萬tCO2/a,這是我國344萬km2巖溶區(qū)碳水鈣無機循環(huán)產(chǎn)生的大氣CO2匯。該項研究進展在2011年的《Science》通訊報道中獲得高度評價。

巖溶作用;全球變化;二氧化碳匯;中國

IGCP379“巖溶作用與碳循環(huán)”(1995—1999)項目執(zhí)行期間,對中國及全球進行了巖溶作用CO2碳匯量初步估算,其中,中國的巖溶碳匯量以定點觀察數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分別采用石灰?guī)r溶蝕試片法、水化學(xué)法和擴散邊界層理論進行計算,計算出我國90.7萬 km2裸露巖溶區(qū)的碳匯結(jié)果是1.774×107tCO2/a(徐勝友等,1997;Jiang et al.,1999)。全球巖溶碳匯的計算結(jié)果為6.08×108tCO2/a,約占全球“遺漏匯”的1/3(Yuan et al.,2002;劉再華等,2007)。該項研究不但推動了巖溶動力學(xué)的基礎(chǔ)研究,也拓寬了全球變化研究領(lǐng)域,在國內(nèi)外引起了很大的反響。然而,由于研究工作不夠深入,當時,對巖溶碳匯的很多科學(xué)問題沒有解決,如巖溶作用自然過程如何與人類活動結(jié)合的問題,巖溶碳匯的速率和穩(wěn)定性問題(袁道先,2011),我國 200多萬km2的覆蓋巖溶地區(qū)和埋藏巖溶地區(qū)的計算問題。此外,我國以前估算所用的水文資料主要是20世紀80年代以前1:20萬水文地質(zhì)調(diào)查的成果資料(李國芬等,1992),現(xiàn)在已經(jīng)過去30多年,水量和水質(zhì)都需要重新調(diào)查。為了科學(xué)應(yīng)對全球氣候變化,利用地質(zhì)碳匯潛力實施大氣二氧化碳減排,2010年,國土資源部安排了地質(zhì)調(diào)查計劃項目“中國地質(zhì)碳匯潛力研究”(2010—2012),旨在進一步開展巖溶碳匯、土壤碳匯和礦物碳匯的深入調(diào)查研究。

1 項目研究目標及2011年研究進展概述

1.1 項目的總體研究目標

以巖溶流域為單元,開展我國巖溶碳匯調(diào)查,建立與完善全國巖溶碳匯效應(yīng)的動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),監(jiān)測我國不同環(huán)境條件的巖溶作用與碳循環(huán)的過程與數(shù)據(jù),建立中國巖溶碳匯調(diào)查數(shù)據(jù)庫;深化巖溶碳匯的過程及機理研究,闡明巖溶作用對全球氣候變化的響應(yīng)過程與機理,科學(xué)測算我國巖溶碳匯對全球大氣CO2回收的貢獻;通過調(diào)查與試驗研究,發(fā)掘巖溶碳匯增匯途徑與技術(shù)方法,提出巖溶碳匯增匯對策;加強巖溶碳匯的國際學(xué)術(shù)交流與培訓(xùn),充分發(fā)揮聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心的作用,擴大我國在碳減排研究方面的國際影響。

1.2 2011年研究進展概述

2011年完成了1:5萬碳匯調(diào)查面積1000多km2,典型線路調(diào)查 3000多km,揭示了不同巖溶環(huán)境的碳匯差異及影響因素。建立巖溶碳匯觀測站 29處,新增遠程監(jiān)控觀測站 3處,發(fā)現(xiàn)了巖溶水文和水化學(xué)的動態(tài)變化規(guī)律對巖溶碳匯影響的程度(何師意等,2011;康志強等,2011)。通過開展巖溶流域外源水碳匯效應(yīng)和巖溶土壤固碳試驗研究,計算了外源水對巖溶碳匯的貢獻,深化了巖溶土壤固碳機理。通過開展土地利用、植被恢復(fù)、土地覆蓋和水生光合作用與巖溶碳匯關(guān)系研究,發(fā)掘了增加巖溶碳匯的途徑,并取得巖溶碳匯穩(wěn)定性研究的突破。在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,將我國巖溶區(qū)劃分為南方巖溶區(qū)、北方巖溶區(qū)、青藏高原巖溶區(qū)和埋藏巖溶區(qū)4種類型區(qū),利用 GIS技術(shù)計算各區(qū)的巖溶面積和巖溶碳匯量,并求得了中國巖溶碳匯總量。

2 中國巖溶碳匯調(diào)查及監(jiān)測研究新進展

2.1 我國南北方巖溶碳匯差異大

珠江上游的桂江流域、長江流域的湘西大龍洞地下河流域和黃河流域的山西馬跑神泉域的調(diào)查研究表明,不同巖溶環(huán)境的巖溶碳匯差異很大(曹建華等,2011;黃奇波等,2011)。其中,山西馬跑神泉域,代表溫帶半干旱北方巖溶流域,流域面積為212.06km2,多年泉流量均值為0.55 m3/s,地下水徑流 模 數(shù) 為2.6 L/(km2·s),降 雨 量 平 均477.39mm(1956—2009年),降雨入滲系數(shù)為0.15。根據(jù)HCO3?含量及地下水徑流模數(shù)估算碳匯通量為8.69 t/(km2·a)。湘西大龍洞地下河流域,代表中亞熱帶巖溶槽谷區(qū),流域面積187km2,多年平均天然徑流量1.049×108m3/a,地下河出口多年枯水期(當年11月至翌年2月)實測流量平均為2.12 m3/s。根據(jù)地下水的HCO3?含量及地下水徑流模數(shù)(17.7 L/(km2·s))估算碳匯通量為35.6 t/(km2·a),為山西馬跑泉流域的4倍。

2.2 土地覆蓋條件對地下河碳匯的影響很大

廣西打狗河?xùn)|西兩岸地下河流域的土地覆蓋條件調(diào)查表明,打狗河?xùn)|岸林地占 56.13%,耕地占15.15%;而西岸林地、耕地分別只占20.8%、12.95%。西岸的裸巖和荒地比例大,分別占29.57%和25.95%,而東岸分別占14.19%和10.98%(圖1)。植被和土壤覆蓋差異導(dǎo)致了東、西兩岸地下河水地球化學(xué)指標的明顯差異,東岸地下河水的HCO3-、Ca2+、Pco2(平均分別是233.71mg/L、85.5mg/L、909.46 Pa)明顯高于西岸(分別為177.26mg/L、64.65mg/L、257.37 Pa),而東岸的SIC、pH值(分別為0.12和7.40)又低于西岸(分別是0.38和7.85)。因此,東岸有更強的巖溶動力條件,東岸地下河的平均碳匯強度比西岸高14%(覃小群等,2011)。

圖1 打狗河?xùn)|西兩岸地下河流域土地覆蓋類型分布Fig.1 Distribution of land cover types in ground river basins on both east and west banks of the Dagou River

2.3 巖溶土壤有機碳發(fā)生累積

桂林地區(qū)的監(jiān)測表明,巖溶區(qū)石灰土的土壤呼吸排放CO2速率明顯低于碎屑巖區(qū)紅壤,巖溶區(qū)土壤呼吸速率的變化幅度為23.12～271.26mg C·m?2·h?1;碎屑巖土壤呼吸速率的變化幅度為51.60～326.28mg C·m?2·h?1,如以年平均值計算,則巖溶區(qū)土壤呼吸排放CO2量要比碎屑巖區(qū)紅壤少 25.12%。巖溶區(qū)石灰土土壤呼吸排放CO2的δ13C值比碎屑巖區(qū)紅壤的偏重,巖溶區(qū)土壤呼吸排放 CO2的δ13C 值平均為?22.68‰,碎屑巖為?26.21‰(圖2)。巖溶區(qū)石灰土剖面中CO2濃度出現(xiàn)雙向梯度,且水熱條件良好的季節(jié)雙向梯度表現(xiàn)越明顯,而碎屑巖區(qū)紅壤剖面中則出現(xiàn)隨土壤層深部的增加,土壤CO2濃度增加的單向梯度;如以剖面中CO2濃度的平均值計算,則巖溶區(qū)石灰土中CO2濃度年平均 0.25%,而碎屑巖區(qū)紅壤為0.57%。這意味著巖溶區(qū)土-巖界面石灰?guī)r的溶解消耗吸收土壤下層CO2,即土壤中巖溶作用產(chǎn)生碳匯的過程。

圖2 巖溶區(qū)石灰土與砂巖區(qū)紅壤土壤呼吸排碳動態(tài)對比Fig.2 Comparison of dynamic change of soil carbon release between calciferous soil of karst area and red soil of sandstone area

3 巖溶碳匯機理及增匯途徑研究進展

3.1 巖溶區(qū)不同土地利用方式對土壤有機碳碳庫及周轉(zhuǎn)時間影響大

廣西馬山弄拉和重慶金佛山典型巖溶泉域的研究結(jié)果表明,不同土地利用下的土下溶蝕速率差異較明顯,耕地、灌叢、次生林、草地、原始林溶蝕速率平均值分別為4.02,7.0,40.0,20.0和63.5 t/(km2·a),因此,在土地利用變化進行區(qū)域尺度巖溶作用碳匯估算時,除了考慮氣候、水文、地質(zhì)等條件外,還必須考慮西南地區(qū)土地利用類型碳匯的差異.植被的正向演替對巖溶碳匯有顯著的促進作用,原始林地土下巖溶作用碳匯量是次生林地的3倍,灌叢的9倍,也就是說,從耕地或灌叢演化到次生林地,由巖溶作用產(chǎn)生的碳匯可提高5.71～7.02 t/(km2·a),若演化到原始林地則達24.86～26.17 t/(km2·a)。巖溶區(qū)地表森林系統(tǒng)的增匯過程發(fā)生的同時,地下也同步發(fā)生著類似的增匯過程(章程等,2006;章程,2011a)。

通過土壤樣品的室內(nèi)培養(yǎng),運用三庫一級動力學(xué)理論,分析了桂林毛村典型巖溶區(qū)旱地、灌叢、果園、林地四種不同土地利用類型下石灰土有機碳庫容大小、各碳庫平均周轉(zhuǎn)時間及其影響因素。結(jié)果表明,4種土地利用類型土壤有機碳含量分別為15.41～20.10 g/kg,13.07～?31.16 g/kg,9.38～?14.74 g/kg,30.82～?37.52 g/kg;活性有機碳占總有機碳的比例最小,分別為0.61%～?0.93%,0.95%～?1.24%,0.77%～?1.00%,1.49%～?1.66%;緩效性有機碳庫占總有機碳含量的21.13%～?30.18%,13.58%～?23.46%,29.54%～?46.58%,30.39%～?33.84%;平均周轉(zhuǎn)時間為7 a,8 a,7 a,12 a。惰性有機碳碳占總有機碳的比例最高,分別為69.18%～?78.26%,75.27%～?85.47%,56.63%～?69.70%,64.64%～?68.12%。延長緩效性碳庫駐留時間在一定程度上是提高土壤有機碳庫的關(guān)鍵因素。相關(guān)分析表明:土壤有機碳總量、土壤碳酸鈣含量、總鈣量、土壤pH值、全氮、C/N與土壤有機碳各庫庫容及周轉(zhuǎn)時間存在顯著的正相關(guān),腐殖質(zhì)含量與土壤有機碳庫及周轉(zhuǎn)時間呈極顯著正相關(guān),土壤過氧化氫酶及脲酶活性顯著影響土壤有機碳庫含量及周轉(zhuǎn)時間(楊慧等,2011)。

3.2 外源水對巖溶碳匯的影響

桂林毛村地下河流域面積 10.5km2,其中上游的砂頁巖外源水面積占流域總面積的32%。研究結(jié)果表明,HCO3-濃度年平均值從非巖溶區(qū)小龍背、扁巖、社更巖、山灣向巖溶地區(qū)穿巖、大巖前、毛村、背地坪增加(圖3)。背地坪因沒有外源水補給的影響,其HCO3?濃度最大,變化范圍為3.5～5 mmol/L,而小龍背則全由大氣降水直接補給且位于碎屑巖區(qū),所以其HCO3?濃度最小,變化范圍為0.1～0.4 mmol/L,兩地 HCO3?濃度比較,前者是后者的近十倍。外源水進入巖溶區(qū)后,由于內(nèi)外源水相互混合,提高了巖溶水的溶蝕能力,以致 DIC含量不斷升高,其碳酸鹽飽和指數(shù)也逐漸增加,SIc由不飽和達到飽和,提高了巖溶碳匯的強度。即在外源水的參與作用下,2010年9月至2011年3月從位于地下河流域上游的小龍背到地下河出口,巖溶碳匯通量由 2.28×105g增加至 2.04×106g,增加了近10 倍。計算得出外源水對巖溶水的貢獻為34%(黃芬等,2011)。

圖3 桂林毛村地下河水HCO3-的動態(tài)變化特征Fig.3 Dynamic change of water HCO3- concentrations in Maocun ground river of Guilin

圖4 中國巖溶類型區(qū)分布Fig.4 Distribution of karst type regions in China

3.3 水生植物體光合作用固碳效應(yīng)研究

廣西融水官村地下河補給的地表溪流高分辨率監(jiān)測結(jié)果表明,沿途HCO3?、Ca含量顯著減少,存在DIC的丟失和Ca的原位沉降,水生植物體光合作用生物量的88%源于水體中DIC。一方面說明由于生物過程的參與,巖溶作用已不再是傳統(tǒng)意義上的純無機地質(zhì)作用過程,速率大大加快,另一方面也說明巖溶作用產(chǎn)生的Ca和HCO3?原位沉降是一種真正的碳匯,可為碳儲作貢獻,是一種潛在的碳減排途徑。官村地下河補給的地表溪流1.35km流程的每天HCO3?流 失 量 估 算 值 為94.9 kg,即1152 mmol/(m·d)(章程,2011b)。來自美國佛羅里達巖溶大泉補給的地表河流HCO?3沉降量為130 mmol/(m·d)(De Montety et al.,2011),表明在中國南方亞熱帶巖溶區(qū)地表河流由水生植物光合作用產(chǎn)生的碳匯量更高。2011年4—8月對重慶青木關(guān)姜家泉水出流后流動水的監(jiān)測表明,水流HCO?3濃度平均值 5.76 mmol/L,隨著泉水流程的增加,HCO?3濃度逐漸降低,到達距離姜家泉360 m的試驗點時,HCO?3濃度為5.53 mmol/L,下降0.23 mmol/L。水體中藻類等吸收HCO3?降低水中的HCO3?濃度再次得到驗證。

4 中國巖溶碳匯分區(qū)計算取得新進展

我國巖溶地區(qū)可分為南方巖溶區(qū)、北方巖溶區(qū)、青藏高原巖溶區(qū)和埋藏巖溶區(qū)4種類型區(qū)(圖4),利用GIS技術(shù)計算各區(qū)的巖溶面積分別為56.48萬km2、32.58萬km2、55.60萬km2和200.1萬km2,全國巖溶總面積為344.6萬km2。 以取得的調(diào)查監(jiān)測和統(tǒng)計資料為依據(jù),對 4種類型區(qū)和中國的巖溶碳匯量進行了重新計算,南方巖溶區(qū)、北方巖溶區(qū)、青藏高原巖溶區(qū)和埋藏巖溶區(qū)巖溶碳匯量分別1909.9萬 tCO2/a、600.5萬 tCO2/a、580.1萬 tCO2/a、608.6萬 tCO2/a,由此獲得中國巖溶碳匯總量為3699.1萬tCO2/a(蔣忠誠等,2011)。該結(jié)果比前人的研究更全面地反映了當前我國巖溶地區(qū)碳水鈣無機循環(huán)產(chǎn)生的大氣CO2匯量。

5 社會影響和效果

以本項目研究成果為核心,2011年在《科學(xué)通報》雜志組織發(fā)表了“地質(zhì)作用與碳循環(huán)”專輯中英文版,在《中國巖溶》雜志組織發(fā)表了“巖溶作用與碳循環(huán)”專輯,加上其他刊物論文,本項目全年累計發(fā)表論文24篇,在國內(nèi)外引起較大反響。本研究團隊在巖溶碳匯方面的研究進展在《Science》雜志的通訊報道中獲得高度評價(Larson,2011)。

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A Study of Carbon Sink Capacity of Karst Processes in China

JIANG Zhong-cheng1,2,3),YUAN Dao-xian1,2,3),CAO Jian-hua1,2,3),QIN Xiao-qun1,2,3),HE Shi-yi1,2,3),ZHANG Cheng1,2,3)
1)Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Guilin,Guangxi541004;
2)Key Laboratory of Karst Dynamics,Ministry of Land and Resources &Guangxi,Guilin,Guangxi541004;
3)Key Open Laboratory of Karst Ecosystem and Rocky Desertification Control,Chinese Academy of Geological Sciences,Guilin,Guangxi541004

In order to tackle global climate changes,a research team from the Institute of Karst Geology in Guilin has been conducting the karst carbon sink study for three yeas under the auspices of the geological survey projects.Until now,29 karst carbon sink monitoring stations in China and 3 stations in other countries have been established.In order to explore the capacity of atmosphericCO2sink in karst progresses of China,the authors investigated all relative factors of karst carbon sink such as rock chemical contents,soil gasCO2,land and vegetation coverage and discharge and bicarbonate concentrations of water flow in some typical karst basins,carried out some special researches such as karst carbon sink in different land uses,karst carbon sink from autogenic water,karst carbon sink of vegetation rehabilitations of the rock desertification environments,soil organic carbon solidification in karst area and carbon sink from photosynthesis of hydrophytes in karst water and,as a result,achieved a lot of new scientific progresses.In order to calculate the atmosphericCO2sink in karst progresses of China,the authors divided karst districts in China into four types of karst regions,i.e.,the karst region in south China,the karst region in northern China,the Tibet plateau karst region and the buried karst region,with their areas being 564,800km2,325,800km2,556,000km2and 2,001,000km2respectively.The total new atmosphericCO2sink formed in karst regions of China is 3699.1×104tCO2/a,which is the atmosphericCO2sink quantity of all 3,440,000km2karst areas in China.The importance of the karst carbon sink study was reported in the journal “Science” in 2011.

karst action;global changes;atmosphericCO2sink;China

P931.5;X16

A

10.3975/cagsb.2012.02.01

本文由中國地質(zhì)調(diào)查項目“中國地質(zhì)碳匯潛力研究”(編號:1212011087121)資助。獲中國地質(zhì)科學(xué)院2011年度十大科技進展第四名。

2012-02-23;改回日期:2012-03-09。責(zé)任編輯:魏樂軍。

蔣忠誠,男,1962年生。研究員,博士生導(dǎo)師。長期從事巖溶研究,近年來重點探討石漠化治理和巖溶碳匯問題。通訊地址:541004,廣西桂林市七星路50號。電話:0773-5837342。E-mail:zhjiang@karst.ac.cn。