巖溶動(dòng)力學(xué)理論與現(xiàn)代巖溶學(xué)發(fā)展

章 程

（1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/自然資源部、廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn), 廣西 桂林 541004；2. 聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際巖溶研究中心, 廣西 桂林 541004）

0 引 言

巖溶學(xué)研究?jī)?nèi)容主要包括碳酸鹽巖組成與結(jié)構(gòu)、巖溶水地質(zhì)、巖溶塌陷與工程地質(zhì)、巖溶地貌與洞穴及含水層探測(cè)技術(shù)方法等[1-6]。因碳酸鹽巖的可溶性特點(diǎn)，巖溶表層系統(tǒng)常表現(xiàn)為地上地下雙層結(jié)構(gòu)，地表水系缺乏或以季節(jié)性河流呈現(xiàn)，但地下水系統(tǒng)發(fā)育，巖溶含水層需要特殊的調(diào)查與探測(cè)技術(shù)方法，尤其強(qiáng)調(diào)地下水示蹤和洞穴探測(cè)[7]。近30 年來，隨著6 個(gè)巖溶IGCP 項(xiàng)目的連續(xù)成功執(zhí)行，已形成多個(gè)學(xué)科交叉生長(zhǎng)點(diǎn)，并取得了豐富的成果，其中比較重要的研究方向有巖溶碳循環(huán)與應(yīng)對(duì)氣候變化、巖溶記錄與全球變化、巖溶石漠化治理與生態(tài)修復(fù)[8-10]，這些成果的取得不僅拓展了巖溶學(xué)科研究領(lǐng)域，而且更加面向應(yīng)用與解決實(shí)際問題，進(jìn)而有力地推動(dòng)了現(xiàn)代巖溶學(xué)的形成與發(fā)展[11]，可以說，此階段在巖溶動(dòng)力學(xué)理論指導(dǎo)下提出的一系列新概念、模型和方法體系[12-14]，并由此產(chǎn)生的新的巖溶學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)代巖溶學(xué)形成與發(fā)展具有里程碑式的意義。本文企圖以巖溶IGCP 項(xiàng)目為主線，解讀巖溶動(dòng)力學(xué)理論的內(nèi)涵與外延，其核心碳水鈣循環(huán)在巖溶動(dòng)力系統(tǒng)中的運(yùn)行與動(dòng)力、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與功能、邊界與效應(yīng)等。以期在巖溶動(dòng)力學(xué)理論[15]與巖溶關(guān)鍵帶理念[16-17]的融合指導(dǎo)下，促進(jìn)現(xiàn)代巖溶學(xué)的不斷完善與發(fā)展。

1 巖溶動(dòng)力學(xué)理論的核心要義

巖溶動(dòng)力學(xué)理論的核心關(guān)鍵詞是碳水鈣循環(huán)（圖 1），強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)高度，即以地球系統(tǒng)科學(xué)為指導(dǎo)，和全球視野研究巖溶，提出了巖溶動(dòng)力系統(tǒng)概念模型、結(jié)構(gòu)與功能。通過IGCP299“地質(zhì)、氣候、水文與巖溶形成”（1990-1994）的執(zhí)行，巖溶動(dòng)力系統(tǒng)、巖溶形態(tài)組合等概念得到了國(guó)際同行的廣泛認(rèn)可，形成了捕作碳水鈣循環(huán)的一系列技術(shù)方法、巖溶類型與形成環(huán)境劃分的完整方法體系。為全球巖溶對(duì)比研究、巖溶不均一性研究和共同面臨的資源環(huán)境問題解決奠定了理論與方法基礎(chǔ)。作為巖溶領(lǐng)域開展的第一個(gè)國(guó)際地學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目，IGCP299 項(xiàng)目的執(zhí)行，不僅建立了巖溶學(xué)術(shù)圈科學(xué)家之間的密切交流，同時(shí)也加強(qiáng)了巖溶宏觀地貌、形態(tài)與形成環(huán)境之間的國(guó)際對(duì)比研究[18]。來自15 個(gè)國(guó)家的科學(xué)家聯(lián)合撰寫了IGCP299 項(xiàng)目“全球巖溶對(duì)比”成果專著，內(nèi)容涵蓋極地、溫帶、熱帶、地中海等氣候條件下不同地質(zhì)背景巖溶動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、演化與運(yùn)行規(guī)律[13]。

IGCP379“巖溶作用與碳循環(huán)”（1995-1999）執(zhí)行的意義在于將巖溶學(xué)研究成功引入全球變化領(lǐng)域，由此開辟了巖溶碳循環(huán)與碳匯效應(yīng)研究，認(rèn)識(shí)到巖溶作用的環(huán)境敏感性[19]，為重新認(rèn)識(shí)全球碳循環(huán)研究中地質(zhì)過程（含巖溶作用）時(shí)間尺度打開了窗口。2014 年政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第五次報(bào)告第一工作組報(bào)告，已將碳酸鹽風(fēng)化列為CO2移除四種方式之一，其CO2移除時(shí)間尺度屬于100-1 000年級(jí)[20-21]。2021 年巖溶碳匯被列入國(guó)家“雙碳”目標(biāo)行動(dòng)方案，意味著與生態(tài)系密切相關(guān)的巖溶碳循環(huán)將在巖溶碳匯列入大氣CO2源匯清單和服務(wù)“雙碳”目標(biāo)中繼續(xù)發(fā)揮更大作用。

IGCP448“巖溶生態(tài)系統(tǒng)”（2000-2004）的執(zhí)行進(jìn)一步拓展了巖溶學(xué)研究的邊界和應(yīng)用前景。將巖溶地球化學(xué)研究延伸至土壤圈和生物圈，無機(jī)與有機(jī)過程的融合研究為脆弱巖溶環(huán)境修復(fù)與保護(hù)、巖溶碳循環(huán)與土地利用及巖溶碳匯穩(wěn)定性提供了更加清晰的思路與方法（如IGCP598 項(xiàng)目的執(zhí)行）[22-23]，一方面充分體現(xiàn)地球系統(tǒng)科學(xué)思維觀，另一方面也為地球關(guān)鍵帶理念在巖溶領(lǐng)域的實(shí)踐與應(yīng)用，建立巖溶關(guān)鍵帶概念與監(jiān)測(cè)方法體系（IGCP661 項(xiàng)目的執(zhí)行）鋪平了道路（圖 1）。

2 巖溶碳循環(huán)與全球變化

IGCP379 項(xiàng)目執(zhí)行，標(biāo)志著碳酸鹽風(fēng)化與巖溶作用溶蝕速率全球?qū)Ρ妊芯康拈_始，進(jìn)入巖溶動(dòng)力學(xué)碳循環(huán)研究階段[24]，成功將巖溶作用引入全球變化研究[25-26]。巖溶碳循環(huán)研究在此后連續(xù)執(zhí)行的4個(gè)巖溶IGCP 項(xiàng)目中得到延續(xù)和加強(qiáng)。二十余年來，相關(guān)研究?jī)?nèi)容不斷擴(kuò)充與豐富，包括碳酸鹽巖風(fēng)化強(qiáng)度及區(qū)域?qū)Ρ萚26]、水文地球化學(xué)指標(biāo)的環(huán)境敏感性[6,27-28]、巖溶碳循環(huán)與土地利用的關(guān)系[29]、水生光合利用無機(jī)碳生成內(nèi)源有機(jī)碳及轉(zhuǎn)化效率[30-31]、水體惰性有機(jī)碳形成[32-33]，揭示了巖溶作用的短時(shí)間尺度效應(yīng)和碳匯穩(wěn)定性機(jī)制，暗示巖溶作用積極參與現(xiàn)今全球碳循環(huán)，其形成的碳匯可能是全球碳循環(huán)中“遺漏碳匯”的重要組成[26,34-35]。IPCC 發(fā)布的第五次評(píng)估報(bào)告將碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯時(shí)間尺度從原來的104-106年縮短為103-104年[20-21]。

全球碳酸鹽巖分布面積為2 200 萬km2，約占陸地總面積的12%[6]，巖溶作用消耗大氣與土壤CO2，對(duì)全球變化具有負(fù)反饋效應(yīng)（大氣CO2上升促進(jìn)碳酸鹽巖溶蝕吸收更多大氣CO2）[36]，同時(shí)受生態(tài)系統(tǒng)控制，即森林或草地增加溶蝕速率也增強(qiáng)，吸收更多土壤CO2，因而兼具有大氣CO2匯和土壤CO2匯效應(yīng)。目前，巖溶碳循環(huán)領(lǐng)域已發(fā)展到應(yīng)用地球關(guān)鍵帶理念研究其形成機(jī)理與碳匯效應(yīng)階段，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵帶三大過程，即水文過程、生物地球化學(xué)過程與生態(tài)過程的耦合研究，發(fā)現(xiàn)了巖溶碳循環(huán)的短時(shí)間尺度特征，且與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、土壤碳循環(huán)及土地利用變化密切相關(guān)，是全球碳循環(huán)的重要組成部分。碳酸鹽巖溶蝕消耗的CO2可來自大氣，也可來自土壤微生物或根系呼吸，成為區(qū)域和全球尺度大氣CO2匯或土壤生物成因CO2匯[37]。即：碳酸鹽巖風(fēng)化產(chǎn)生的碳匯可能是全球碳循環(huán)“遺漏碳匯”的貢獻(xiàn)者，同時(shí)具有緩解土壤CO2向大氣釋放的作用，進(jìn)而成為全球碳循環(huán)模型中“土地利用變化項(xiàng)”（ELUC）的重要調(diào)節(jié)者（減源效應(yīng)）[38]。

目前，“碳匯能力鞏固提升”已列為中國(guó)2030 年前碳達(dá)峰十大行動(dòng)（重點(diǎn)任務(wù)）之一[39]，其中就包括“巖溶的固碳作用”。 中國(guó)是巖溶大國(guó)，開展巖溶碳匯研究是應(yīng)對(duì)氣候變化和中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的基礎(chǔ)支撐。隨著巖溶碳循環(huán)過程監(jiān)測(cè)、機(jī)理與碳匯效應(yīng)研究的滲入，流域碳匯測(cè)量與區(qū)域增匯評(píng)價(jià)方法的完善，巖溶碳匯有望在不久的將來列入全球碳收支大氣CO2源匯清單，助推“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 巖溶動(dòng)力學(xué)理論對(duì)現(xiàn)代巖溶學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)

巖溶動(dòng)力學(xué)理論的形成與實(shí)踐是地球系統(tǒng)科學(xué)思想在巖溶研究領(lǐng)域的成功體現(xiàn)與應(yīng)用[40]。巖溶動(dòng)力學(xué)理論強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)高度和全球視野來研究巖溶形成過程、產(chǎn)物表現(xiàn)形式及區(qū)域差異，更加有利于理解其動(dòng)力及作用方式、效應(yīng)變化的控制機(jī)理、變化邊界對(duì)系統(tǒng)過程產(chǎn)生的反饋機(jī)制，更好理解不同時(shí)間尺度過程之間的有機(jī)聯(lián)系，加強(qiáng)了巖溶形成、過程、環(huán)境因子、全球變化、土地利用等之間的邏輯關(guān)系（圖1），大大拓展了巖溶學(xué)研究領(lǐng)域，通過理論創(chuàng)新和IGCP 國(guó)際平臺(tái)，推動(dòng)國(guó)際認(rèn)同與廣泛合作，更加有利于解決全球巖溶區(qū)共同面臨的類似環(huán)境問題，如巖溶碳匯在全球碳循環(huán)中的作用與地位，巖溶生態(tài)環(huán)境脆弱性與保護(hù)，巖溶含水層水資源利用與水環(huán)境保護(hù)等。也為我們自覺融入國(guó)家“一帶一路”倡議、生態(tài)文明發(fā)展戰(zhàn)略和“雙碳”目標(biāo)等奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和支撐條件，如在巖溶動(dòng)力學(xué)理論指導(dǎo)和IGCP延伸的雙邊與多邊合作推動(dòng)下，“巖溶動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)與全球變化”國(guó)家級(jí)國(guó)際聯(lián)合研究中心和巖溶地質(zhì)“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)先后獲科技部批準(zhǔn)。

4 IGCP 對(duì)巖溶動(dòng)力學(xué)研究的推動(dòng)作用

IGCP 作為UNESCO 五大科學(xué)計(jì)劃之一，在地學(xué)界有著廣泛而深刻的影響，從第一個(gè)IGCP 項(xiàng)目開始執(zhí)行，就有中國(guó)科學(xué)家的身影，是中國(guó)地學(xué)走向全球的重要舞臺(tái)，也是國(guó)際同行了解中國(guó)地質(zhì)的重要窗口。巖溶IGCP 項(xiàng)目的連續(xù)執(zhí)行，成功將中國(guó)巖溶的地域優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為學(xué)術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成廣泛且穩(wěn)定的國(guó)際合作研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)而又為持續(xù)提升巖溶動(dòng)力學(xué)的學(xué)術(shù)引領(lǐng)地位提供了有利條件。

得益于巖溶IGCP 的成功執(zhí)行和廣泛影響，2007 年10 月，聯(lián)合國(guó)教科文組織第三十四屆會(huì)議（第34 C/32 號(hào)決議）決定，在中國(guó)桂林建立由教科文組織贊助的國(guó)際巖溶研究中心”（以下簡(jiǎn)稱“中心”）。這是地學(xué)領(lǐng)域建立的第一個(gè)由教科文組織贊助的研究中心，中心能為教科文組織國(guó)際地球科學(xué)計(jì)劃(IGCP)和國(guó)際水文計(jì)劃(IHP)的實(shí)施發(fā)揮重要作用。在中國(guó)政府與教科文組織簽訂的關(guān)于中心建立與運(yùn)行的協(xié)定中，明確指出中心主要目標(biāo)為通過科學(xué)研究、出版和國(guó)際合作，推動(dòng)巖溶動(dòng)力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與建模，促進(jìn)巖溶動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，中心職能第一條為開展現(xiàn)代巖溶學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)與理論科學(xué)研究。協(xié)定一方面肯定了巖溶動(dòng)力學(xué)理論在中心建立過程中的指導(dǎo)意義和作用，同時(shí)中心的建立也為該理論的應(yīng)用和發(fā)展提供了更為廣闊的國(guó)際合作交流平臺(tái)。

2012 年在巴黎召開慶祝IGCP 成立40 周年暨學(xué)術(shù)研討會(huì)，系列巖溶IGCP 項(xiàng)目作為水文地質(zhì)領(lǐng)域的代表性成果在四十周年專著中作了雙倍篇幅介紹[18]，自然資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室代表獲邀參會(huì)并作“氣候變化、水資源與水環(huán)境”大會(huì)報(bào)告。后續(xù) “巖溶動(dòng)力系統(tǒng)與全球變化”國(guó)家級(jí)國(guó)際聯(lián)合研究中心成立、IGCP661 項(xiàng)目獲批執(zhí)行和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織巖溶技術(shù)委員會(huì)的成立，巖溶動(dòng)力學(xué)國(guó)際合作深度與廣度不斷加強(qiáng)，更可喜的是，在各地政府支持與巖溶國(guó)際團(tuán)隊(duì)科學(xué)家的共同努力下，巖溶IGCP 項(xiàng)目執(zhí)行期間國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)對(duì)比研究或考察站點(diǎn)先后被列入U(xiǎn)NESCO 自然遺產(chǎn)地名錄，如桂林、石林、金佛山、茂蘭等，充分說明全球巖溶界對(duì)中國(guó)南方喀斯特發(fā)育和演化完整性與典型性的認(rèn)可，進(jìn)一步提升和鞏固了中國(guó)巖溶的學(xué)術(shù)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 語

巖溶動(dòng)力學(xué)理論的形成和發(fā)展軌跡，是與近30年來6 個(gè)巖溶IGCP 項(xiàng)目的成功執(zhí)行密切關(guān)聯(lián)的。提出的一系列概念與模型，不僅使巖溶研究領(lǐng)域不斷拓寬，形成新興交叉學(xué)科，并服務(wù)于全球變化與應(yīng)對(duì)氣候變化、石漠化治理與生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境修復(fù)與水資源可持續(xù)利用。成功把中國(guó)巖溶的地域優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為學(xué)術(shù)優(yōu)勢(shì)，并得到了國(guó)內(nèi)外同行的認(rèn)可，目前，巖溶碳匯已列入國(guó)家“雙碳”目標(biāo)行動(dòng)計(jì)劃，巖溶記錄已成為全球變化研究中核心介質(zhì)，隨著技術(shù)方法的完善，眾多指標(biāo)被用于不同時(shí)間尺度環(huán)境信息的替代指標(biāo)。不僅揭示了巖溶含水層的不均性、系統(tǒng)的環(huán)境敏感性、區(qū)域差異性的內(nèi)在機(jī)制，也揭示了其邊界和效應(yīng)。體現(xiàn)了理論創(chuàng)新的生命力和先導(dǎo)作用，也是一個(gè)學(xué)科發(fā)展和行業(yè)保持長(zhǎng)盛不衰的源泉。巖溶動(dòng)力學(xué)理論為巖溶石漠化治理中自然恢復(fù)為主，人工干預(yù)為輔原則的提出奠定了科學(xué)支撐，為回答巖溶碳循環(huán)時(shí)間尺度與穩(wěn)定性問題提供了科學(xué)依據(jù)，為全球變化研究找到一種記錄時(shí)間跨度長(zhǎng)、分辨率高的天然載體（時(shí)鐘）。IGCP 是中國(guó)巖溶學(xué)研究走向國(guó)際的重要途徑，是中國(guó)科學(xué)家引領(lǐng)巖溶研究前沿的重要抓手，也是培養(yǎng)具有全球視野領(lǐng)軍科技人才的重要舞臺(tái)。

致謝：僅以此文獻(xiàn)給恩師袁道先院士九十華誕！祝愿先生福如東海，壽比南山！感謝恩師袁道先院士在學(xué)術(shù)道路上的不倦指導(dǎo)。我慶幸在桂林，一座以巖溶景觀著稱于世的美麗城市，幸遇名師。先生是現(xiàn)代巖溶學(xué)和巖溶動(dòng)力學(xué)理論的奠基人，九十春秋，織巖溶錦繡，道傳七十歲月；香遠(yuǎn)益清，書峰林文章，先生教澤綿長(zhǎng)。