喀斯特關(guān)鍵帶的地質(zhì)碳匯及其影響因素研究進(jìn)展

呂小溪 顏翔琦 胡晨鵬

（1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001）

地球關(guān)鍵帶科學(xué)是當(dāng)前基礎(chǔ)科學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，在近10年來成為多個(gè)學(xué)科的關(guān)注焦點(diǎn)，截止2016年，全球?qū)ｉT針對關(guān)鍵帶研究的觀測站已達(dá)69處[1]?？λ固仃P(guān)鍵帶作為地球關(guān)鍵帶的重要組成部分，是指喀斯特地區(qū)(以碳酸鹽巖為主)各個(gè)圈層之間的相互作用帶，以地表和地下二元地質(zhì)結(jié)構(gòu)為主要特色?？λ固仃P(guān)鍵帶內(nèi)的重要過程——碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化(以下簡稱“碳酸鹽巖風(fēng)化”)，消耗大氣與土壤中的二氧化碳(CO2)，構(gòu)成重要的地質(zhì)碳匯，前人的估算結(jié)果表明我國碳酸鹽巖風(fēng)化產(chǎn)生的碳匯量約為1.8×107tC/a[2]，如果加上水生植物光合作用消耗的溶解無機(jī)碳(DIC)部分，其碳匯量可達(dá)4.2×107tC/a，超過我國陸地森林碳匯的一半[3]。隨著計(jì)算精度的提高與估算方法的優(yōu)化，有人認(rèn)為碳酸鹽巖風(fēng)化的碳匯總量為3.7×107t/a[4]，而Liu等人通過綜合評估碳酸鹽巖風(fēng)化、全球水循環(huán)以及水生生物光合作用，得出碳酸鹽巖風(fēng)化的碳匯量高達(dá)8.24×108t/a[5]，約為全球碳循環(huán)“遺失匯”的1/3。據(jù)此可知，碳酸鹽巖風(fēng)化過程有巨大的地質(zhì)碳匯潛力，對削弱全球變暖趨勢以及影響全球變化的意義不可忽視。

前人對碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的估算結(jié)果表現(xiàn)出較大差異，除了評估方法與計(jì)算精度的不同外，也與對喀斯特作用的認(rèn)識有密切關(guān)系?？λ固貏?dòng)力系統(tǒng)本身具有開放性、敏感性和生物參與性等多種特性，因此，喀斯特作用的穩(wěn)定性以及發(fā)生時(shí)間尺度等因素會制約碳酸鹽巖風(fēng)化的碳匯效應(yīng)[6～9]。傳統(tǒng)意義上通過水體DIC濃度估算碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的方法過于粗略，還有待在綜合識別碳酸鹽巖風(fēng)化過程的前提下開展研究，例如，隨著人類活動(dòng)的愈加頻繁，氣候變化、土地利用方式的改變以及不同來源酸性介質(zhì)的輸入等因素直接或間接地影響碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯量評估的確定性[10]。此外，水-巖-土-氣-生(人)不同圈層不同界面之間復(fù)雜的作用過程，導(dǎo)致這種地質(zhì)碳匯過程的影響因素以及流域、區(qū)域和全球等不同尺度的碳通量與遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制也不甚明晰。這些問題都嚴(yán)重制約了碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯量的精確評估，進(jìn)而對科學(xué)管理全球碳收支平衡構(gòu)成阻力。本文在地球關(guān)鍵帶科學(xué)概念體系的基礎(chǔ)上，對喀斯特關(guān)鍵帶的碳循環(huán)及碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的相關(guān)研究進(jìn)行了回顧，梳理了碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的影響因素，并對該領(lǐng)域的研究進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 地球關(guān)鍵帶與喀斯特關(guān)鍵帶

近地表環(huán)境中從植被冠層到地下含水層之間的部分被稱作地球關(guān)鍵帶，這一復(fù)合圈層中自然地理環(huán)境與人類活動(dòng)之間的相互作用最為活躍，也與人類生產(chǎn)生活的聯(lián)系最為緊密[11]，是維系地球生態(tài)系統(tǒng)功能和人類生存的關(guān)鍵區(qū)域[12]。地球關(guān)鍵帶從定義上看屬于風(fēng)化殼的拓展，其本質(zhì)涵義是自然地理綜合體，橫向意義上的關(guān)鍵帶跨越了植被、風(fēng)化殼、河湖、海岸帶及淺海等多個(gè)地理單元，從縱向上看，不僅包括了上部的植被冠層，還包括了下覆的風(fēng)化層、土壤層、包氣帶以及含水層，直至含水層底部的巖石圈表面。其中，風(fēng)化殼是關(guān)鍵帶的核心部分，發(fā)生在其中的巖石風(fēng)化-成土過程在改變區(qū)域地貌形態(tài)和影響地表生態(tài)環(huán)境方面具有重要意義。關(guān)鍵帶體系內(nèi)的水-巖-土-氣-生等多個(gè)圈層之間相互作用發(fā)生頻繁，不同界面之間也持續(xù)發(fā)生著不同的物理、化學(xué)及生物過程，巖石化學(xué)風(fēng)化過程可以認(rèn)為是關(guān)鍵帶所有環(huán)節(jié)中最重要的過程，美國已知的6個(gè)關(guān)鍵帶觀測站中便有3個(gè)與巖石風(fēng)化有關(guān)(博爾德溪、薩斯奎漢納/西爾斯山地和盧基約觀測站)，而當(dāng)前國際關(guān)鍵帶觀測站同行交流的主要平臺——國際關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(Critical Zone Exploration Network，CZEN)也是由風(fēng)化系統(tǒng)科學(xué)聯(lián)合會演變而來的。

自20世紀(jì)末以來，隨著地球系統(tǒng)科學(xué)被引入到喀斯特學(xué)科領(lǐng)域，喀斯特動(dòng)力學(xué)理論逐漸確立并完善，其中對喀斯特關(guān)鍵帶的研究表現(xiàn)尤為顯著，例如，喀斯特關(guān)鍵帶的地質(zhì)地貌、物理化學(xué)與生物等過程及其之間的耦合關(guān)系、表層喀斯特帶的物質(zhì)遷移和能量轉(zhuǎn)換問題、喀斯特地區(qū)的資源環(huán)境問題以及氣候、地質(zhì)和人類活動(dòng)對喀斯特關(guān)鍵帶的影響及其響應(yīng)等[12]，上述問題也構(gòu)成了喀斯特關(guān)鍵帶和現(xiàn)代喀斯特科學(xué)研究的重要內(nèi)容?？λ固仃P(guān)鍵帶與傳統(tǒng)意義上的表層喀斯特帶不同，后者是陸地巖石圈中的強(qiáng)喀斯特化層，由地表和地下空間的各種形態(tài)組成并呈現(xiàn)不規(guī)則帶狀[13]，而前者則是水-巖-土-氣-生五個(gè)圈層之間緊密關(guān)聯(lián)的相互作用帶?？λ固仃P(guān)鍵帶科學(xué)在近些年取得長足發(fā)展，2013年8月在貴陽召開的生態(tài)系統(tǒng)野外站聯(lián)盟會議上，劉叢強(qiáng)院士做了題為《喀斯特關(guān)鍵帶研究進(jìn)展》的學(xué)術(shù)報(bào)告；2015年，由河海大學(xué)牽頭申報(bào)的重大國際合作研究計(jì)劃項(xiàng)目“喀斯特關(guān)鍵帶水文——生物地球化學(xué)耦合機(jī)理及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升機(jī)制”獲得批準(zhǔn)；2017年4月，中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所牽頭的國際地質(zhì)對比計(jì)劃項(xiàng)目“巖溶系統(tǒng)關(guān)鍵帶過程、循環(huán)與可持續(xù)性全球?qū)Ρ妊芯俊?IGCP661)成功獲批，等等。目前，中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測站已經(jīng)加入國際關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，成為中國喀斯特關(guān)鍵帶研究的典型代表。我國喀斯特地區(qū)的碳酸鹽巖沉積年代早、厚度大，含水層及關(guān)鍵帶的厚度也大，相比世界上其他喀斯特地區(qū)而言，我國在關(guān)鍵帶科學(xué)研究方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢[10]。

2 喀斯特關(guān)鍵帶的碳循環(huán)及地質(zhì)碳匯

2.1 中國南方喀斯特的關(guān)鍵帶碳循環(huán)

全球喀斯特的分布面積約為2200萬km2，主要有東亞、地中海沿岸和北美三大集中分布區(qū)，總面積占地球陸地總面積的15%[14]，其中東亞片區(qū)在三大分區(qū)中發(fā)育最為成熟[15]。喀斯特地區(qū)在我國的分布面積達(dá)344.6萬km2[4]，其中出露地表的碳酸鹽巖總面積是我國陸地總面積的1/7。碳酸鹽巖是全球范圍內(nèi)目前已知的最大碳庫(6.1×107GtC)[16]，主要成分為Ca·Mg(CO3)2。碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化導(dǎo)致封存在巖石圈中的碳活化，會改變短時(shí)間尺度(<1Ma)上的全球碳循環(huán)模式，將對全球變化及人類社會的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不可估量的影響，尤其是氣候濕熱的中國南方喀斯特地區(qū)，雨熱同期的季風(fēng)氣候?yàn)樘妓猁}巖風(fēng)化提供了有利條件，強(qiáng)烈的喀斯特作用不僅消耗大氣中的CO2，同時(shí)又會通過方解石沉淀等逆反應(yīng)過程向系統(tǒng)外界釋放CO2。

自上世紀(jì)末，學(xué)者即對中國南方喀斯特地區(qū)的碳循環(huán)過程展開了系統(tǒng)研究，與其他地區(qū)顯著不同的是，喀斯特地區(qū)的巖石具有較強(qiáng)的可溶性，其地質(zhì)組成呈現(xiàn)出特殊的地上地下二元結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致關(guān)鍵帶的碳遷移路徑與轉(zhuǎn)化過程也表現(xiàn)出與其他非喀斯特地區(qū)不一致的典型特征。一方面，在碳酸鹽巖為主的背景環(huán)境中，濕熱的氣候加速巖石的化學(xué)風(fēng)化造成巖石碳庫活化，使原本封存的碳加入陸地表層碳循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)，水生植物通過吸收水體中的無機(jī)碳進(jìn)行光合作用而使一部分碳沉積埋藏在內(nèi)陸水體中(碳泵效應(yīng))[5]；另一方面，喀斯特關(guān)鍵帶內(nèi)廣泛發(fā)育的管道、洞穴與裂隙等地下空間中也充斥了大量的不同形態(tài)的碳，氣態(tài)的碳物質(zhì)如CO2、CH4等常隨著季節(jié)和氣候變遷而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化并參與區(qū)域碳循環(huán)，這也是其他地區(qū)的碳循環(huán)過程所不具備的[10]。

從涵蓋地表徑流、裂隙水、伏流、地表河的流域角度而言，喀斯特關(guān)鍵帶的碳循環(huán)過程往往比非喀斯特地區(qū)的要復(fù)雜的多，例如，有學(xué)者將一個(gè)完整喀斯特流域的碳循環(huán)過程分為三個(gè)部分：(1)碳酸鹽巖風(fēng)化及水體DIC的產(chǎn)生；(2)伴隨水文過程的DIC遷移及轉(zhuǎn)化；(3)水生光合生物通過碳泵效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對水體DIC和有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化[17]。然而，上述過程總結(jié)將流域碳循環(huán)誤認(rèn)為是河流碳循環(huán)，既忽視了陸地生態(tài)系統(tǒng)(植被、土壤)對碳循環(huán)的影響，也粗略地認(rèn)為地下水流攜帶的碳全部輸送至地表河流水體中，其實(shí)，來自地表過程的碳不僅會隨著各種水流進(jìn)入地下河-地表河系統(tǒng)，還有相當(dāng)一部分在水流作用下進(jìn)入喀斯特裂隙、管道及洞穴中，這一過程也即喀斯特關(guān)鍵帶中特殊的水土流失形式——水土漏失，進(jìn)入地下空間的碳形態(tài)不僅包括風(fēng)化過程產(chǎn)生的DIC，還包括了大量的土壤無機(jī)碳與有機(jī)碳。除此之外，上述過程僅考慮了自然條件下的河流碳循環(huán)過程，當(dāng)前全球的主要河流基本都受到諸如酸沉降、土地利用方式改變以及生產(chǎn)生活用水等人類活動(dòng)不同程度的影響，一方面，酸沉降會加速巖石碳庫活化卻不產(chǎn)生碳匯效應(yīng)，另一方面，人類活動(dòng)利用河水產(chǎn)生的耗水量會造成無機(jī)碳的流失，從而影響水化學(xué)-徑流法對喀斯特流域風(fēng)化碳匯強(qiáng)度的評價(jià)。因此，對流域碳循環(huán)過程的識別程度嚴(yán)重影響關(guān)鍵帶內(nèi)碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的準(zhǔn)確評估，至于流域碳酸鹽巖的風(fēng)化碳匯通量需要將沉積在內(nèi)陸水體底部以及輸出流域的有機(jī)碳納入考慮范圍的認(rèn)識[17]也依然是不全面的。

2.2 喀斯特關(guān)鍵帶的碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯

中國南方喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖的厚度很大，典型的二元三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)會造成關(guān)鍵帶具有非常復(fù)雜的碳循環(huán)路徑及過程，并導(dǎo)致估算碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯時(shí)的不確定性。碳酸鹽巖風(fēng)化過程中的碳循環(huán)不僅涉及到巖石圈本身的碳遷移，還有大氣圈與土壤圈CO2的參與，這種由碳酸鹽巖-水-氣相互作用而形成的碳循環(huán)構(gòu)成喀斯特動(dòng)力系統(tǒng)的本質(zhì)。以石灰?guī)r和白云巖為主的碳酸鹽巖其化學(xué)風(fēng)化過程見公式(1)和公式(2)：

由上式可見，碳酸鹽巖風(fēng)化過程發(fā)生在碳酸鹽巖-水-CO2三相不平衡的開放系統(tǒng)中[18]，其中，1mol的CaCO3或CaMg(CO3)2發(fā)生化學(xué)風(fēng)化需要1mol的CO2來參與，也即在碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化過程消耗了1mol的CO2從而構(gòu)成地質(zhì)碳匯[19,20]，值得一提的是，這種過程是可逆的，也會因?yàn)橐恍┨囟ㄒ蛩匦纬商妓徕}沉淀而向大氣中釋放CO2，因此，這種碳匯效應(yīng)被認(rèn)為僅在小于1Ma的地質(zhì)時(shí)間尺度上是有效的。

碳酸鹽巖的風(fēng)化碳匯在得到肯定的同時(shí)也受到一些學(xué)者的質(zhì)疑，例如，關(guān)于碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的研究曾在Science上報(bào)道[21]，而有些學(xué)者認(rèn)為碳酸鹽巖風(fēng)化僅僅是一個(gè)碳的遷移過程[22]。Berner等人在早期的碳循環(huán)模型中提出地質(zhì)作用是一種無機(jī)過程，并進(jìn)一步認(rèn)為碳酸鹽巖風(fēng)化在地質(zhì)時(shí)間尺度上并不產(chǎn)生凈碳匯[23]，而在這之前即有學(xué)者認(rèn)為地質(zhì)過程發(fā)生的同時(shí)也可能存在有機(jī)物的參與[24]，例如，喀斯特地區(qū)以碳酸酐酶為代表的生物過程廣泛參與碳酸鹽巖風(fēng)化并加速喀斯特作用[25]，另一方面，水生光合生物的“碳泵效應(yīng)”消耗水體中的無機(jī)碳達(dá)到固碳的作用，并伴隨著有機(jī)體的沉積而埋藏在內(nèi)陸水體中[4,26,27]。這些過程對地質(zhì)時(shí)間尺度的碳循環(huán)具有重要意義，比如自從水生植物出現(xiàn)以來，有機(jī)碳在內(nèi)陸水體中的沉積埋藏必然影響地質(zhì)時(shí)期大氣CO2的濃度進(jìn)而改變氣候格局。進(jìn)一步講，喀斯特水體中的游離態(tài)CO2和HCO3-已被證實(shí)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性[28]，同時(shí)也說明碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯在自然界中是相對穩(wěn)定的。

除了生物過程的影響，碳酸鹽巖風(fēng)化產(chǎn)生的地質(zhì)碳匯也在很大程度上受到氣候變化的制約，有學(xué)者認(rèn)為隨著全球氣候的變暖，碳酸鹽巖風(fēng)化的碳匯量到2100年將增加21%[5]，一方面表明碳酸鹽巖風(fēng)化對全球變化起到很好的緩沖作用同時(shí)削弱氣候變暖的趨勢，從另一個(gè)角度看，碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯也受制于地質(zhì)背景、氣候、生物過程等多種因素，如何準(zhǔn)確識別各方面因素的影響程度對于準(zhǔn)確評估喀斯特關(guān)鍵帶的地質(zhì)碳匯有重要意義。

3 碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的影響因素

碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化(即溶蝕作用)與沉積作用是喀斯特關(guān)鍵帶中的基本作用過程，在這一過程中，還伴隨著一些生物過程如生物的光合與呼吸作用，因此，喀斯特關(guān)鍵帶中的作用過程既包含了由碳酸鹽巖地質(zhì)背景控制的無機(jī)過程，也包括了受喀斯特自然地理環(huán)境制約的生命有機(jī)過程，而這些條件下形成的生態(tài)系統(tǒng)也受喀斯特環(huán)境所制約[29]，有機(jī)與無機(jī)部分依靠H2O和CO2發(fā)生相互作用，深刻影響著關(guān)鍵帶內(nèi)部的生物地球化學(xué)過程[30]，也必然影響碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化及其地質(zhì)碳匯效應(yīng)。

3.1 氣候與水文

氣候要素如氣溫與降雨量被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)碳酸鹽巖風(fēng)化過程的關(guān)鍵因子[31]，碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯在不同氣候帶之間表現(xiàn)出較大的數(shù)量差異，例如，根據(jù)地下河徑流模數(shù)與重碳酸鹽濃度估算得出山西半干旱喀斯特地區(qū)的碳匯通量為8.69tC/km2/a[32]，而位于南方濕潤喀斯特地區(qū)的地下河流域，其碳匯通量約是前者的4倍[33]，這是由于濕熱的氣候有利于碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化過程的進(jìn)行，這種趨勢也可從同一地區(qū)的年際變化特征看出，如在干旱年份，珠江流域碳酸鹽巖風(fēng)化的碳匯量為1.45×106tC/a，而濕潤年份則是干旱年份的3倍，為4.44×106tC/a[17]。氣溫的升高在促進(jìn)水-巖相互作用、加速重碳酸鹽產(chǎn)出構(gòu)成地質(zhì)碳匯的同時(shí)，也會增加喀斯特地下水的CO2分壓而具有潛在的碳源效應(yīng)，如美國Konza草原喀斯特地下水的CO2分壓在1991～2005年之間呈現(xiàn)與大氣CO2同步遞增的變化趨勢[34]。降雨量的動(dòng)態(tài)變化直接關(guān)系到流域的水文情勢，前人研究認(rèn)為流域的碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯量與流量之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系，例如，對法國喀斯特泉域的研究表明，在泉水流量增加一倍的條件下，流域的碳酸鹽巖風(fēng)化量可增加兩倍，其相應(yīng)的碳匯量也表現(xiàn)出增加[35]，中國南方喀斯特地區(qū)的研究成果也反映出類似的規(guī)律[36]。此外，桂林堯山地區(qū)的研究表明，流速增加也能加速碳酸鹽巖風(fēng)化[37]，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的碳匯效應(yīng)。

3.2 巖性條件

巖性差異如巖石類型及純度是制約關(guān)鍵帶巖石風(fēng)化速率及風(fēng)化碳匯的基礎(chǔ)性因素，純灰?guī)r的化學(xué)風(fēng)化速率約為白云巖的兩倍，相反，若巖層中存在石膏夾層時(shí)，灰?guī)r的風(fēng)化過程則會受到抑制，而白云巖風(fēng)化則會得到促進(jìn)[38]。前人研究發(fā)現(xiàn)，桂林地區(qū)石灰土中的CO2濃度低于碎屑巖區(qū)紅壤的濃度，是由于喀斯特關(guān)鍵帶的土下溶蝕作用消耗了石灰土底層的CO2從而具有碳匯效應(yīng)，而碎屑巖區(qū)則不存在這一現(xiàn)象[39]，這就要求在研究關(guān)鍵帶的地質(zhì)碳匯時(shí)，要同時(shí)考慮巖石的化學(xué)成分及關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)，即巖石類型與地層構(gòu)造的分布。此外，一個(gè)完整的喀斯特流域一般都會分布有硅酸鹽巖或非碳酸鹽巖夾層，大氣降雨在經(jīng)過這些巖層時(shí)會形成具有較強(qiáng)侵蝕能力的外源水，其pH值和方解石飽和指數(shù)均較低。外源水輸入喀斯特地區(qū)后與喀斯特水流混合，會提高喀斯特水的溶蝕能力并加速碳酸鹽巖的溶蝕，這也可從漓江峰林地貌的形成得到佐證。外源水的不斷輸入在加速碳酸鹽巖風(fēng)化的同時(shí)也提高了關(guān)鍵帶的地質(zhì)碳匯潛力，如前人對桂林堯山地區(qū)外源水的研究即證實(shí)了這一點(diǎn)[37]。

3.3 土壤環(huán)境

土壤是喀斯特關(guān)鍵帶各個(gè)圈層相互作用體系中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，土壤環(huán)境對喀斯特作用及碳循環(huán)有重要影響[40]，目前國內(nèi)外對喀斯特作用與土壤環(huán)境關(guān)系的研究一般體現(xiàn)在土壤CO2促進(jìn)喀斯特作用、生物介導(dǎo)土壤碳循環(huán)、微生物風(fēng)化成土等，并且往往局限于土壤表層以及淋溶層的研究[41-45]。土壤CO2的增加會加劇碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化過程并導(dǎo)致重碳酸鹽含量的相應(yīng)增加，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯過程受到土壤碳酸酐酶的顯著促進(jìn)，其中，石灰?guī)r與白云巖的風(fēng)化速率分別可增加十倍和三倍左右[46]。此外，土壤厚度對喀斯特關(guān)鍵帶的巖石風(fēng)化及碳匯強(qiáng)度也有不可忽視的重要影響，例如，前人的淋溶模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，土壤淋出液中的重碳酸鹽濃度隨著土層厚度的增加而不斷增大[47]，以上均表明土壤因素對喀斯特關(guān)鍵帶碳酸鹽礦物風(fēng)化碳匯的重要作用，這相比其他類型的關(guān)鍵帶而言也是極具特殊性的。

3.4 生物活動(dòng)

喀斯特關(guān)鍵帶的土壤分布不連續(xù)，水土資源配套空間分布不均衡，這是由于喀斯特地區(qū)具有獨(dú)特的二元三維地質(zhì)構(gòu)造[48]，這種結(jié)構(gòu)造成了空間異質(zhì)性強(qiáng)、呈“島嶼狀”鑲嵌的獨(dú)特生態(tài)環(huán)境?？λ固氐貐^(qū)的植物多扎根于巖石裂隙中，前人研究表明，生物與基巖之間發(fā)生相互作用會加速巖石的化學(xué)風(fēng)化并加快生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)，如黃楊根系呼吸作用及根部微生物活性的提高會加速土下基巖的化學(xué)風(fēng)化[49]，而桂林喀斯特地區(qū)的監(jiān)測結(jié)果也表明植被恢復(fù)導(dǎo)致碳酸鹽巖風(fēng)化的地質(zhì)碳匯量在不斷增加[20]。此外，喀斯特關(guān)鍵帶巖石表面的一些低等植物如苔蘚和地衣等的生長不僅會增加巖石表面的持水量、延長水分的滯留時(shí)間，還會加劇雨水對碳酸鹽巖的溶蝕[50]，成為驅(qū)動(dòng)碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的重要因素。

近幾年來，一些學(xué)者在研究喀斯特地區(qū)陸表水體的過程中發(fā)現(xiàn)，湖泊、水庫、河流中的水生植物尤其是沉水植物能直接捕獲并利用水體中的無機(jī)碳如HCO3-進(jìn)行光合作用[26,51,52]，也即水生植物的“碳泵效應(yīng)”，這一生物過程意味著碳酸鹽巖風(fēng)化產(chǎn)生的一部分無機(jī)碳將被陸地水生植物截留進(jìn)入生物圈并最終形成相對穩(wěn)定的有機(jī)碳埋藏在沉積物中，這與傳統(tǒng)意義上水生植物僅通過吸收大氣中CO2進(jìn)行光合過程的傳統(tǒng)認(rèn)識有所不同，在一定程度上豐富了喀斯特關(guān)鍵帶碳循環(huán)的理論體系，同時(shí)也印證了碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的穩(wěn)定性。例如，關(guān)于陸地水域中小球藻的對比研究發(fā)現(xiàn)，非碳酸鹽巖地區(qū)的小球藻將水體無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的比例可達(dá)30%，并且能夠利用11%的無機(jī)碳形成碳酸鈣成為巖石圈的一部分，而喀斯特水體中的小球藻對無機(jī)碳的轉(zhuǎn)化率則高達(dá)40.62%[53]。美國佛羅里達(dá)州喀斯特地區(qū)的相關(guān)研究也表明，泉水補(bǔ)給的Ichetucknee河水生植物光合作用消耗的DIC占水體DIC沿程損失量的比例可達(dá)到80%以上[26]，此外，有人通過估算全球陸地水生植物的碳泵效應(yīng)得出，水生植物將水體無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的通量可達(dá)2×108～3×108tC/a[54-56]，以上不僅說明喀斯特水中的無機(jī)碳通過光合作用被水生植物吸收的原位沉降過程是一種真正的碳匯，也表明生物因素對維系碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯穩(wěn)定性的重要作用。

除了藻類等水生植物能有效地通過光合作用固定水體的無機(jī)碳以外，廣泛分布于陸地水域及海洋的一些微生物也能夠通過特殊的不產(chǎn)氧光合途徑來吸收無機(jī)碳，該類微生物由于這種特殊的光合作用方式而被命名為“好氧不產(chǎn)氧光合異養(yǎng)細(xì)菌”[57]，其生物量在不同水域環(huán)境中所占微生物群落的比例不同，在海洋中僅為10%左右，而在一些湖泊中則可以達(dá)到50%以上[58]。這類微生物對深化生物參與關(guān)鍵帶碳循環(huán)的認(rèn)知有重要意義，例如，對西歐及北美湖泊的研究表明，由于夏季微型藍(lán)細(xì)菌生長旺盛，湖泊水體會發(fā)生明顯的季節(jié)性碳酸鈣沉淀現(xiàn)象(即“泛白事件”)，而這種現(xiàn)象卻并不一致于藻類生長的高峰時(shí)段[59]。此外，美國學(xué)者Bristow等人在研究猶他州Uinta盆地始新世湖相沉積剖面時(shí)也發(fā)現(xiàn)微生物對碳酸鹽沉積起著不可忽視的重要作用[60]。

3.5 人類活動(dòng)的影響

人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用變化是土壤、植被碳匯重要驅(qū)動(dòng)力的觀點(diǎn)已被廣泛認(rèn)可，然而，土地利用方式及其變化與碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯效應(yīng)之間的關(guān)系尚不明晰，一些研究認(rèn)為，碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯量對土地利用的正向變化具有積極的反饋，在喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)生的增匯過程表現(xiàn)尤為明顯，例如，有學(xué)者通過對比原始林地、次生林地和灌木林地的土下溶蝕碳匯量發(fā)現(xiàn)，次生林地和灌木林地的地質(zhì)碳匯量僅占原始林地的1/3和1/9[61]。然而，植被正向演替的同時(shí)也會減少地表徑流的產(chǎn)生，全球五百余條河流的監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出植被的恢復(fù)造成徑流的損失量超過了一半，這在林地比例增加的流域體現(xiàn)的更為明顯[62]，此外，近50年來由于植被覆蓋度的降低，密西西比河的無機(jī)碳通量增加了46%[63]。在一些喀斯特地區(qū)，碳酸鹽巖風(fēng)化的碳匯強(qiáng)度隨著土地利用正向變化呈現(xiàn)出減弱趨勢，在貴州普定開展的水-碳通量模擬實(shí)驗(yàn)即反映了這種規(guī)律[64]?？梢钥闯?，土地利用的變化對于碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的影響存在正反兩個(gè)方面，其機(jī)理仍需深入研究。

確切地說，現(xiàn)代水體普遍受到人類活動(dòng)的干擾，喀斯特河流水體中的無機(jī)碳并不完全來自于碳酸鹽巖的自然風(fēng)化，工礦業(yè)活動(dòng)以及農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的硫酸和硝酸等外源酸都不可避免地參與碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化，外源酸參與巖石風(fēng)化這一過程并不消耗大氣或土壤中的CO2，因此并不產(chǎn)生碳匯效應(yīng)，反而會成為潛在的碳源(見下式)。

前人在外源酸參與碳酸鹽巖風(fēng)化方面已得出大量研究成果，如法國東南部農(nóng)業(yè)區(qū)因?yàn)槭┯玫蕦?dǎo)致碳酸鹽巖風(fēng)化過程中消耗的CO2量減少了7%～17%[65,66]，而酸沉降(硝酸、硫酸)對南洞流域碳酸鹽巖的風(fēng)化貢獻(xiàn)比例高達(dá)38%[67]，由此造成的碳匯損失量不可低估，例如，考慮硫酸參與風(fēng)化的西江流域研究中地質(zhì)碳匯比原來的估算值低15%[68]，而在烏江流域考慮硫酸參與巖石風(fēng)化產(chǎn)生的無機(jī)碳通量比原估值低33%[69]，此外，礦山開采過程中含硫礦物如黃鐵礦等的氧化反應(yīng)產(chǎn)物硫酸也能溶蝕碳酸鹽巖進(jìn)而削弱碳酸鹽巖的風(fēng)化碳匯強(qiáng)度[70]。由此可見，區(qū)域外源酸會導(dǎo)致以前通過簡易水化學(xué)-徑流法估算得到的碳匯量減少[71-73]，因此在實(shí)際估算碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯時(shí)必須剔除外源酸所產(chǎn)生的無機(jī)碳。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，喀斯特關(guān)鍵帶具有與其他關(guān)鍵帶不同的碳循環(huán)模式，由于二元三維的特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及多圈層因素的復(fù)雜影響，使喀斯特關(guān)鍵帶的地質(zhì)碳匯存在很大的不確定性，為深入了解喀斯特關(guān)鍵帶的碳循環(huán)及碳匯過程，本文認(rèn)為以下幾個(gè)方面是今后研究中有必要給予關(guān)注的。

4.1 地球關(guān)鍵帶的科學(xué)理念以綜合性、整體性和系統(tǒng)性為核心內(nèi)容[74]，目前在掌握了喀斯特關(guān)鍵帶碳循環(huán)路徑及主要過程的基礎(chǔ)上，已經(jīng)對碳酸鹽巖的風(fēng)化碳匯有了深刻了解，然而，關(guān)鍵帶內(nèi)部“水-巖-土-氣-生(人)”等復(fù)雜的界面過程與相互作用深刻制約著關(guān)鍵帶地質(zhì)碳匯的準(zhǔn)確評估，這些問題有待于在關(guān)鍵帶的框架下做深入研究。

4.2 由于地球關(guān)鍵帶與人類活動(dòng)關(guān)系密切，開展碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯研究有必要綜合考慮工農(nóng)業(yè)等人類活動(dòng)與自然過程的耦合機(jī)制[10]，亟待引入地球關(guān)鍵帶的科學(xué)方法，利用多種技術(shù)方法和模型手段針對喀斯特關(guān)鍵帶的地質(zhì)碳匯進(jìn)行高分辨率監(jiān)測和多尺度計(jì)算并進(jìn)行對比分析[75]，這可能成為評估碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯的重要方向。

4.3 受特殊地質(zhì)背景的制約，喀斯特關(guān)鍵帶內(nèi)的界面過程往往變得更為復(fù)雜，有必要開展長期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測才能真正揭示界面之間碳轉(zhuǎn)移的變化規(guī)律及其控制因素[10]，而目前僅通過水化學(xué)-徑流法和溶蝕試片法來評估和判斷碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯潛力的途徑需要在明確關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)特征及其影響要素的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步完善。