地球科学进展, 2019, 34(5): 488-498 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.05.0488

综述与评述

岩溶关键带及其碳循环研究进展

吴泽燕,1,3, 章程,1, 蒋忠诚2, 罗为群2, 曾发明4

1. 中国地质科学院岩溶地质研究所,自然资源部/广西岩溶动力学重点实验室,广西 桂林 541004

2. 中国地质科学院岩溶地质研究所,自然资源部岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室,广西 桂林 541004

3. 中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430074

4. 佛山科学技术学院,广东 佛山 528000

Advance of Karst Critical Zone and Its Carbon Cycle

Wu Zeyan,1,3, Zhang Cheng,1, Jiang Zhongcheng2, Luo Weiqun2, Zeng Faming4

1. Key Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of Natural Resources & Guangxi Zhuang Autonomous Region, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China

2. Key Laboratory of Karst Ecosystem and Rocky Desertification Control, Ministry of Natural Resources, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China

3. China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China

4. FoShan University,Guangdong Foshan 528000, China

通讯作者: 章程(1965-),男,浙江诸暨人,研究员,主要从事岩溶与全球变化研究. E-mail:chzhang@karst.ac.cn

收稿日期: 2019-01-25   修回日期: 2019-03-29   网络出版日期: 2019-06-11

基金资助: 中国地质调查局中国地质科学院项目“典型岩溶关键带结构与监测技术研究”.  编号:JYYWF20182002
联合国教科文组织/国际地质科学联合会项目“岩溶系统关键带过程、循环与可持续性全球对比研究”.  编号:IGCP661

Corresponding authors: Zhang Cheng(1965-), male, Zhuji City, Zhejiang Province, Professor. Research areas include karst and global change research. E-mail:chzhang@karst.ac.cn

Received: 2019-01-25   Revised: 2019-03-29   Online: 2019-06-11

作者简介 About authors

吴泽燕(1990-),女,广东汕头人,博士研究生,主要从事岩溶碳循环与全球变化研究.E-mail:studywzy@126.com

WuZeyan(1990-),female,ShantouCity,GuangdongProvince,Ph.Dstudent.Researchareasincludekarstcarboncycleandglobalchange.E-mail:studywzy@126.com

摘要

岩溶关键带的范畴包含了大气—(降水)—植被—土壤—裂隙—基岩—水组成的“碳—水—钙”循环强烈的表层岩溶带以及岩溶管道—洞穴—地下河—隔水层组成的巨大岩溶地下空间,岩溶关键带碳循环是岩溶地球系统科学研究的前沿方向。总结概括了岩溶地球系统科学发展至今的岩溶关键带范畴内碳循环及其对大气CO2源汇效应的研究成果,包括早期碳运移模型、当前主流的区域岩溶碳汇量的计算方法和结果以及“生物碳泵”的新发现等,讨论了当前岩溶碳循环研究框架过于单一或不一致以及碳周转时间尺度等问题,提出应对岩溶关键带碳输入、赋存以及碳输出的各个环节做出系统化监测,通过联网在线高分辨率监测站点的建设以及“3S”技术实现点位到区域的研究,使岩溶碳汇在全球碳循环模型中的重要性更具说服力。

关键词: 地球系统科学 ; 岩溶关键带 ; 碳循环 ; 岩溶碳汇

Abstract

The category of karst critical zone includes surface karst zones with strong carbon-water-calcium cycle composed of atmosphere-precipitation-vegetation-soil-fissure-bedrock-water and huge karst underground space composed of karst pipeline/fissure-cave-underground river-aquifer, which is the frontier direction of karst earth system science research. This paper summarized the research results of carbon cycle and its effect on atmospheric CO2 source and sink from the scientific development of karst earth system up to now, including the early carbon migration model,the calculation methods and results of current mainstream regional carbon sink and the new discovery of bio-carbon pump, etc. It discussed the problems that the current research frameworks of karst carbon cycle are too single or inconsistent and time scales of carbon turnover are not the same. It was proposed that systematic monitoring of carbon input, storage and output in karst critical zone should be carried out. The importance of karst carbon sinks in the global carbon cycle model should be more convincing through the construction of online high-resolution monitoring sites and the "3S" technology to achieve point-to-area research.

Keywords: Earth system science ; Karst critical zone ; Carbon cycle ; Karst carbon sink.

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本文引用格式

吴泽燕, 章程, 蒋忠诚, 罗为群, 曾发明. 岩溶关键带及其碳循环研究进展. 地球科学进展[J], 2019, 34(5): 488-498 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.05.0488

Wu Zeyan, Zhang Cheng, Jiang Zhongcheng, Luo Weiqun, Zeng Faming. Advance of Karst Critical Zone and Its Carbon Cycle. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(5): 488-498 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.05.0488

1 引 言

美国国家理事会在2001年出版的《地球科学基础研究的机遇》一书中正式用地球关键带(Earth Critical Zone)表示包含地球几乎所有生命的地表和近地表的环境[1]。地球关键带是对地球系统科学进行深化的产物,它是一个具有明确上界和下界的空间范围的概念,在这个空间内发生的复杂的物理、化学、生物过程控制着地球各个圈层系统的稳定性和发展方向,与人类社会的可持续发展息息相关[2]。关键带研究发展迅速,美国、法国、德国和澳大利亚等相关研究机构和部门相继建立了21个不同主题的地球关键带监测站[3,4]

20世纪80年代末,我国岩溶学者开始认识到岩石圈、大气圈、水圈和生物圈耦合研究的重要性,主持完成的5个国际地学计划(International Geoscience Programme,IGCP)岩溶项目见证了地球系统科学思想指导下的岩溶生物地球化学碳循环研究从萌芽到成熟的过程,碳酸盐岩在短时间尺度内参与全球碳循环不断被发现和证实,估算了全球通过岩溶作用回收大气CO2的量为(0.22~0.608)Pg C/a,约占全球遗漏汇的1/3[5,6,7,8]。在国际上,中国岩溶研究成果十分丰硕[9]。但仍面临岩溶碳汇稳定性、转化机制和数量级等问题的挑战[10,11]。关键带科学为地球表层系统(包括岩溶表层系统)研究提供了更科学的方法论,它所强调的以解决问题为导向的尺度观(快速循环到缓慢沉积、阈值变化到渐变、过去到现在到未来)、全局观(根系土壤层与风化基岩层的联系、地面系统与地下系统的联系和系统整体性)、耦联观(生物地球化学循环与水文土壤过程的耦联、多学科与跨学科技术的耦联、全球关键带服务与管理)对岩溶碳循环研究来说无疑能更好地解决这些问题[3]

袁道先[12]在《我国岩溶资源环境领域的创新问题》一文中指出当前地球系统科学在岩溶学领域应用的最重要的表现就是对关键带的研究。中国地质科学院岩溶地质研究所牵头的IGCP661项目“岩溶系统关键带过程、循环与可持续性全球对比研究”(2017—2021年)的成功获批预示着未来岩溶研究在前20~30年的研究基础上,将在关键带科学的理念支撑下进入岩溶地球系统科学研究的新阶段。

目前,学术界对岩溶关键带及其碳循环还未有专门的、明确的定义以及概念模型,近年大部分以岩溶关键带为主题的研究是将岩溶垂直剖面大气—植被—土壤—岩石(基岩和洞穴)—水(土壤水、洞穴滴水、泉和地下河等)中的部分过程作为一个相对完整的系统,称之为岩溶关键带[13,14,15,16,17]。对区域碳汇效应的研究以碳的输出端为主,缺乏中间过程的研究。本文系统梳理了岩溶关键带范畴内的生物地球化学碳循环的研究进展、面临的挑战以及研究展望等,旨在为岩溶关键碳循环研究领域的深入拓展奠定一定的基础。

2 岩溶关键带的范畴

岩溶关键带是岩溶地质条件制约下的大气圈、生物圈(植物、微生物、动物和人类)、土壤圈、水圈和岩石圈的交汇地带,具有为人类生存服务和促进地球可持续发展的系统功能。岩溶关键带在垂向上由2个大的系统组成:大气—(降水)—植被—土壤—裂隙—基岩—水组成的“碳—水—钙”循环强烈的表层岩溶带;岩溶/管道—洞穴—地下河—隔水层组成的巨大岩溶地下空间(图1)。前者更关注物质的运移、能量的转换、动力机制以及子系统的状态;后者更关注岩溶地下水及其溶质的运动、赋存及其与上部关键带的内在联系。

图1

图1   岩溶关键带结构模型

Fig.1   Conceptual structure model of karst critical zone


“关键带”更加完整地表述了人类社会发展所在的资源环境带[13],实现岩溶资源环境与人类社会的可持续发展是岩溶地球系统科学研究的最终目标。岩溶裂隙、管道和洞穴的发育为岩溶水的快速入渗和溶质、颗粒的运移提供了通道,地表水可在数分钟至数小时内入渗到距离地表几百米,甚至几千米的深度而仍具有化学侵蚀性,再加上人可进入的洞穴、地下河管道系统等的广泛发育使岩溶关键带在垂向和水平方向均具有地球关键带过程研究的天然优势[14]

岩溶关键带与岩溶动力系统的研究范畴相比,首先,前者是将各个地球圈层都作为系统组成的一个部分,而后者是研究碳酸盐岩的溶解、沉积及其动力条件,核心是“碳—水—钙”的循环,但这个动力条件涉及各个圈层,包括生物圈,可以说更多研究的是系统发生的动力机制[8,18];其次,虽然两者涉及的空间范围几乎是一致的,但在潜水面以上、因基岩裂隙发育而形成的表层岩溶含水层和在一定条件下出露的表层岩溶泉才是岩溶动力系统最活跃、研究得最多的地带。

岩溶关键带与表层岩溶带研究范畴相比,表层岩溶带是一个空间范围的概念,专门用来指岩溶作用强烈、岩溶形态典型的以及“碳—水—钙”循环最为活跃的水平延展的地带,是岩溶动力系统研究最集中的场所[19,20]。垂直剖面上,从地表裸岩或覆被开始至岩溶形态发育的地方即为表层岩溶带发育的厚度。因此,岩溶关键带的范围比表层岩溶带更广,还应包括岩溶饱水带——地下河网系统。

岩溶关键带与岩溶生态系统研究范畴相比,岩溶生态系统在本质上还是一个生态学的概念,更多研究的是各个生态系统组成要素的特点,如植被的环境适应性、水土特征、资源特征以及系统的治理对策,如可持续发展模式、地下水开发模式和石漠化治理模式等[21,22,23]。两者涉及的空间范围都是生命最集中的地球表层地带,即从植被冠层到地下含水层,且研究的初衷和目的都是维持与人类相关的系统的稳定性和可持续发展。不同之处是岩溶生态系统更关注资源与环境问题,与全球变化科学,尤其是全球碳循环研究结合较少;岩溶生态系统更关注的是地质—生态的互为反馈机制和适应结果,对物质在系统内的生物地球化学循环动力与过程研究较少。

3 以土壤系统为核心的岩溶关键带碳循环研究

3.1 土壤碳对岩溶关键带碳运移的驱动力

岩溶土壤空气高浓度CO2的存在使入渗的雨水对碳酸盐岩具有侵蚀性,塑造了岩溶关键带的基岩裂隙、管道及巨大的地下空间,使碳运移过程更具复杂性,一直以来都是学术界倍加关注的问题。许多基于连续性、高分辨率的水化学动态监测、同位素监测结果已经表明生物成因的土壤空气CO2驱动岩溶作用发生,导致表层岩溶泉水化学具有显著的季节、昼夜和降雨等不同尺度的动态特征,是水中溶解无机碳(Dissolved Inorganic Carbon,DIC)的主要来源[24,25,26]。不仅如此,土壤呼吸作用产生的CO2通过雨水溶解入渗或直接通过裂隙进入地下洞穴[27],是洞穴内滴水、地下河水以及洞穴空气CO2的重要来源之一,因此明显受降雨和温度的季节性影响[28,29,30,31,32]。水—岩—气(包含生物成因)的系统概念必须引入岩溶水水化学研究中[33,34]

岩溶关键带不仅普遍土层较薄,而且土—岩的接触界面极不平整,基岩裂隙发育,在雨水冲刷下土壤易发生漏失,导致土壤在包气带基岩裂隙或管道中堆积[35]。与以往认识不同的是,有研究表明这部分堆积的土壤有机物质的分解、深扎进入的植物根系的呼吸等释放的CO2也是洞穴碳的一个非常重要的来源,当土壤层较薄时,甚至超过了上覆土壤空气CO2的贡献[36,37]。我们认为,在关键带的研究视角下,碳在连通的地下空间(土壤↔基岩裂隙↔洞穴)中的驱动力和运移路径还有很多问题值得深入研究。

3.2 岩溶关键带土壤系统“黑箱模型”碳通量

土壤碳运移的各个界面过程本身就具有对大气CO2的源汇效应[38],那么岩溶土壤碳主导的特殊碳运移过程最终会对大气CO2产生源效应还是汇效应?在岩溶碳循环研究的早期,潘根兴等[39]就充分考虑了岩溶动力条件影响下的系统碳的输入、赋存、输出以及各界面通量大小,基于室内模拟与野外试验提出了与岩溶关键带概念具有相同理念的表层岩溶系统碳运移的“黑箱”模型(图2)。

图2

图2   表层岩溶动力系统中碳转移模型[39]

Fig.2   Carbon transfer model in surface karst dynamic system[39]


碳素以“大气—植物—有机质—土壤空气CO2—岩溶水HCO3-”的路径运移,驱动表层岩溶作用发生,涉及岩—土—水—气—生界面[39,40,41]。其中,植物吸收同化CO2和土壤呼吸碳排放是表层岩溶系统中主导的碳流通过程,而随岩溶水排泄的碳通量仅占系统总碳输出的15%左右,但土壤空气CO2向水中运移是岩溶土壤对大气的特有汇效应[42]。考虑各个碳输入与输出路径,计算了岩溶土壤系统对大气CO2的吸收值为22~130 g/(m2·a),并在此基础上估算出中国岩溶土壤系统对大气的碳汇约为4×1013 g/a,其中南方岩溶区总大气CO2汇约为2×1013 g/a[43]

然而,当前国内一般是针对土壤系统的某一界面过程(如土壤呼吸、岩溶土壤有机碳库和岩溶植被碳库等)及其影响因子开展研究,较少进行整合研究。仅有曹建华等[44]研究表明因土下碳酸盐岩溶解消耗CO2,石灰土深部CO2浓度降低,剖面平均CO2浓度仅占碎屑岩区红壤的45%,土—气界面碳排放比红壤减少了25.12%,佐证了岩溶土壤系统的碳汇效应。

不过,国外学者近些年开展了不少整合研究,如Haryono等[45]将印度尼西亚的一座喀斯特锥形山(包括地下河)作为一个整体,研究其系统碳输入、运移和赋存,结果表明系统有机碳输入受土地利用和农业施肥主导,大部分碳输入以土壤有机碳和土壤空气CO2的形式存储,仅有20%的碳通过土壤呼吸释放到大气中,并有5%的碳以DIC、溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)的形式通过水文循环被运输到更深的地带。

4 以“岩石—流域”系统为核心的岩溶关键带碳循环研究

岩溶作用消耗大气或土壤中的CO2产生岩溶碳汇效应,使用一定的方法计算出这部分消耗的CO2量即为岩溶碳汇量,这是当前岩溶作用参与全球碳循环的基本研究思路和岩溶碳循环研究的主流思想,主要是以流域为单元进行研究。

4.1 估算方法

以流域为单元的岩溶碳汇估算已经积累了一些方法,主要是溶蚀试验法和水化学—流量法。溶蚀试验法是在土壤中埋放或在裸岩上放置标准溶蚀试片,根据埋放的时间、试片重量变化以及碳酸溶蚀的化学反应方程式计算由于岩溶作用消耗的大气CO2[46]。有学者提出,该方法测试的溶蚀量是一种人为规定条件下的潜在溶蚀能力,而非实际溶蚀量,原因是:试片溶蚀速率是基于规则小块岩石的计算结果,而目前对实际受到溶蚀的碳酸盐岩表面积的测算还没有有效的方法[47]雨水入渗溶解土壤空气中CO2具有侵蚀性,但首先会溶解试片上部土壤中的原生、次生碳酸盐岩,当到达试片位置时,水的侵蚀性已经大大减弱,使得使用溶蚀试片法计算的溶蚀速率和碳汇量大大减少,甚至成为负值(过饱和)[48,49]。另外,由于岩溶土壤破碎不连续,空间异质性较强,导致试片的区域代表性很难评价和实现[48]。但溶蚀试片法操作简单,可以不考虑流域边界,并在大范围内重复埋放。目前,溶蚀试片法在不同气候、水文和土地利用方式下的岩溶作用强度(源汇效应,不涉及源汇计算)对比研究中被广泛使用[50,51]

碳酸盐岩溶解消耗的CO2最终通过流域水文过程被排泄,因此,通过测量流域出口处流水所携带的溶质浓度(如HCO3-,Ca2+,Mg2+和K+等)以及径流量,可估算碳酸盐岩溶解消耗的大气CO2,这种方法被称为水化学—流量法或水化学径流法[52]。流域范围内的土壤、植被和岩性等决定了降雨的入渗系数以及土壤空气CO2浓度水平,导致不同流域径流量和水中HCO3-浓度的差异,进而导致岩溶碳汇量的差异[53]。使用这种方法的前提是流域边界、流域面积可清楚确定并且流量和溶质浓度可准确监测[48]

4.2 全球、中国、江河、小流域尺度的的岩溶(无机)碳汇量估算结果

袁道先[5]首次使用标准溶蚀试片法、水化学法和扩散边界法初步估算了中国表层岩溶作用回收大气CO2的量为17.74 Tg C/a(裸露岩溶区),而全球为(0.22~0.608)Pg C/a,若按0.608 Pg C/a计算,则占全球遗漏汇的1/3。Li等[54]利用2004—2014年的高精度生态、气象和水文栅格数据以及野外监测站点数据,估算了全球碳酸盐岩风化碳汇量为(0.89±0.23) Pg C/a,约占全球遗漏汇的一半,并绘制了首张全球高分辨率碳酸盐岩风化碳汇通量分布图,分别对全球 142个国家和地区的碳汇量进行了计算。

蒋忠诚等[55]考虑了我国的覆盖和埋藏岩溶分布,将我国岩溶区分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型,根据地区多年水文资料和水中无机碳浓度,估算了我国以上4种岩溶类型区的的岩溶碳汇量分别为1 909.9×104,600.5×104,580.1×104和608.6×104 t CO2/a,由此获得我国由岩溶作用产生的无机碳汇总量为3 699.1×104 t CO2/a(折合为10.09 Tg C/a)。Li等[56]同样基于生态、气象、水文以及监测数据,估算了我国石灰岩的岩溶碳汇量为7.07 Tg C/a,又依据白云岩与石灰岩岩溶碳汇通量之间的关系,估算了白云岩、石灰岩与白云岩混合岩的岩溶碳汇量分别为0.51和3.79 Tg C/a,则我国碳酸盐岩岩溶碳汇达到11.37 Tg C/a。

曹建华等[57]利用石灰岩溶蚀速率、降水量、土壤呼吸速率和净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)建立回归方程,并考虑了碳酸盐岩类型的分布,估算出珠江流域岩溶碳汇量为1.85 Tg C/a。覃小群等[58]通过水化学和同位素测试分析计算出珠江流域由岩石风化引起的大气CO2消耗量为620.36×103 mol/(km2·a)(根据碳酸盐岩面积17.49×104 km2,折合为1.30 Tg C/a)。安艳玲等[59]基于水体元素比值分析表明赤水河流域碳酸盐岩、硅酸盐岩对河流溶质的贡献率分别为70.77%和5.03%,岩石风化引起的大气CO2消耗量为548×103 mol/(km2·a)。裴建国等[60]利用地下河的流量和HCO3-监测数据,计算了广西桂林寨底地下河、广西环江大安地下河和重庆北碚青木关地下河的年碳汇通量分别为68.82,81.18和100.07 t CO2/(km2·a),根据流域面积分别折合为613,157和306 t C/a。

由此可见,不同学者对不同尺度范围的岩溶碳汇量的估算在研究方法和数据精度上有所差异,但估算结果相差不大,基本保持在一个数量级。全球、中国、江河和小流域的岩溶碳汇量的数量级分别为亿吨级、千万吨级、百万吨级和百吨级。

5 岩溶关键带“生物碳泵”新发现

5.1 岩溶植被、土壤中的碳酸酐酶的催化作用

1963年,碳酸酐酶(Carbonic Anhydrase,CA)在干燥奈瑟球菌(Neisseria Siccca)中被首次确定存在,这是一种广泛存在于自然界的金属酶,之后主要是在生命科学和医学领域开展研究。刘再华[61]实验表明CA能使灰岩在高CO2分压的条件下溶解速率达到10倍左右。余龙江等[62]的实验结果表明CA能使灰岩溶出的导电离子总量和钙离子浓度提高40%以上,从而对灰岩有显著的酶促溶蚀作用。

岩溶生态系统土壤和植被中CA活性比非岩溶区更高。李为等[63]在不同岩溶生态系统的土壤样品中都检测到了CA的活性,且具有明显差异性,植被生长好的生态系统的土壤CA活性高,同一个生态系统中根际土CA活性较高。李强等[64]研究表明岩溶生态系统中植物的CA活性差异较大,并在植物的生长期发生变动,植物根系CA活性大于成熟叶片,因而在水分充足的条件下,根系分泌的CA能催化CO2在水中溶解,促进石灰岩溶解,加快成土速率,并通过固定根呼吸和土壤微生物分解释放的CO2产生岩溶碳汇效应;非岩溶生态系统植物的根系CA表达活性较低。张楷燕等[65]研究发现裸岩上生长的苔藓的CA活性大,对石灰岩溶蚀有促进作用。吴沿友等[66]的研究发现岩溶植物叶片能交替利用体内储存的HCO3-和空气中CO2作为无机碳源进行光合作用,其利用HCO3-的能力与CA活性以及植物的岩溶适应性有关。最新的研究成果[67,68]也表明岩溶植被、土壤的真菌和细菌中的CA对岩溶动力系统碳循环具有明显的促进作用,是岩溶碳循环重要的研究内容之一。

5.2 水生植物光合作用对岩溶水无机碳的利用

最近几年研究发现岩溶水(地下河和水库)中水生植物也能利用水中高浓度HCO3-作为碳源进行光合作用,最后随植物残体的固化沉积而被埋藏,形成“生物碳泵”效应[69,70,71]

水生植物可同时利用CO2和HCO3-进行光合作用,二者的利用率取决于CA的活性和环境中无机碳存在的形式,在高HCO3-浓度的水体中,水生植物光合作用更多地利用了HCO3-[71]。使用高分辨率自动监测仪器的昼夜监测还表明,溪流无机碳浓度变化过程受到太阳辐射、水温、生物呼吸作用和光合作用等的共同影响,水体水化学特征明显受到水生植物生理作用的影响[72]。昼夜生物地球化学循环及效应研究有助于全面认识岩溶区碳循环特征及岩溶含水层源汇关系[73]

章程等[74]和李瑞等[75]研究表明约47%岩溶地下河补给的HCO3-被水生植物光合作用固定。水生植物利用岩溶水无机碳进行光合作用的发现意味着找到了岩溶水体无机碳向有机碳转移的途径,不仅是证明岩溶碳汇稳定性的有力证据之一,更影响了岩溶关键带碳循环模型中参数的确定[76]

6 研究的挑战

当前主流的以“岩石—流域”为核心的岩溶碳循环的研究其实是对系统碳输出端的研究,忽略了复杂的中间过程,存在一些质疑的声音。有学者提出被溶蚀消耗的土壤空气CO2不足土壤呼吸量的1%~2%,岩溶碳汇似乎不会成为重要的“遗漏汇”[47];但也有学者提出基于流域出口溶解性碳计算的岩溶关键带碳汇量严重偏低,不足实际总碳汇量的10%,因为大部分碳输入以土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)的形式赋存在土壤碳库中[45];还有人类活动造成的外源酸的问题,如蒋勇军[77]的研究表明居民区和农业区的硫酸、硝酸溶蚀碳酸盐岩对岩溶地下水中DIC的平均贡献率为38%;黄奇波等[78]的研究表明考虑硫酸参与碳酸盐岩溶蚀时,4条地下河的碳汇通量需扣除4.84%~9.36%;孙平安等[79]的研究表明酸雨对岩溶碳汇有显著影响,酸雨减汇比例随酸雨pH值的降低而呈指数增加。

这些问题的存在都是研究框架过于单一或不一致导致的。在全球碳循环模型中,陆地生态系统净碳汇2.6 Pg C/a,其中,光合作用和呼吸作用碳吸收量和碳释放量分别为14.1和11.6 Pg C/a。相比之下,全球岩溶碳汇量(0.608~0.89 Pg C/a)确实是小得多。但是,一方面岩溶碳汇具有解决全球遗漏汇(1.4 Pg C/a)难题的重要意义,另一方面当前岩溶碳汇量核算的本身就是全球碳收支核算以外的部分,是不考虑土壤—植被生态系统碳源和碳汇过程的。

另外,水系统的碳流通、水生光合作用和CA的催化作用等都是与生物生命活动直接关联的快速碳周转过程[80]。而土壤、水底沉积物和植被有机碳是相对缓慢的沉积或分解过程[81]。即使是文中提及的无机碳向有机碳转移的途径(“生物碳泵”)其实也还没有从埋藏有机质本身直接说明问题。岩溶碳汇稳定性的证明一个很关键的点在于从岩溶土壤或者水底沉积物埋藏有机质中找到现代大气中的碳(“新碳”)被封存的证据。可能结合有机地球化学的一些技术和方法能找到现代碳酸盐岩溶解消耗大气CO2的直接证据。

归根到底有几个关键问题需要解答:随着岩溶植被、土壤和水体等特有的“生物碳泵”效应不断被发现和证实,岩溶生态系统对全球陆地生态系统净碳汇的突出贡献是怎样的?即“岩溶碳汇”中的“岩溶”除“岩溶作用”,是不是还应有“岩溶生态系统”的意味?怎样将碳输入、赋存以及碳输出(包括时空尺度、量级、稳定性等)整合到一个完整的系统中?怎样尽可能考虑系统的影响因子和时空差异,克服岩溶区的异质性大的难题,将点位的研究成果应用到大区域范围的研究上?

7 研究展望

7.1 建立基于关键带理念的岩溶碳循环研究框架

作者认为只有贯以岩溶关键带研究的理念和框架才能逐步回答上述问题。只有对碳在岩溶关键中的运移路径、界面通量和子系统赋存量做出系统化监测、模拟和定量化计算,同时考虑人类对系统的干扰和影响,才能使岩溶碳汇在全球碳循环模型中的重要性更具说服力。具体来说,以岩石—流域系统为核心的岩溶碳循环研究在关注水平延展的闭合流域的基础上应该更加关注垂向上的大气—(降水)—植被—土壤—裂隙—基岩—水的碳运移过程、通量变化,研究多界面、多尺度的相互制约、相互转换机制。最为明显的,土—气的土壤呼吸碳排放、气—生的光合作用碳吸收、土壤有机碳—无机碳转换等应该纳入系统研究,参与源汇计算;而以岩溶土壤系统为核心的碳循环研究在“黑箱模型”的基础上应注意到岩溶土壤下界发育的裂隙/管道—洞穴以及地下河的开放性、连通性和特殊性。

7.2 生物地球化学过程的高分辨监测

岩溶关键带碳循环是短时间尺度与长时间尺度耦合的生物地球化学过程,生物过程在碳循环中发挥了重要作用,因此,对岩溶关键带碳循环的研究必须捕捉到短时间尺度的变化过程才能说明问题。在查明岩溶关键带空间结构以及水文过程的基础上,利用先进的自动化监测仪器,建立典型岩溶关键带大气、植被、土壤、土壤水、泉水、洞穴空气、洞穴滴水和地下河出口等子系统的高分辨率在线监测体系,捕捉岩溶碳运移的昼夜、季节一般规律以及对降雨、气候、人类活动事件的响应规律。基于长期观测与研究的结果逐步揭示岩溶关键带“黑箱模型”对大气CO2浓度源汇效应的机理、过程和通量。

7.3 借助“3S”技术克服点位研究的局限

通过典型岩溶关键带站点的长期联网监测,同时借助陆地遥感卫星的动态监测结果,研究大区域尺度岩溶关键带对大气CO2浓度的源汇效应。我国于2016年12月成功发射了“全球二氧化碳监测科学试验卫星”(简称碳卫星),获得首幅全球CO2浓度分布图,明显反映了全球大气CO2浓度的区域以及气候差异[82]。除此之外,丰富的国内外多光谱高分辨率遥感数据,如高分一号、高分二号、Landsat和MODIS等可用来反演历史时期及当下的植被生长、土地利用状况、大气温度、大气水分、土壤条件和水文动态等[83,84]。总之,我们认为应在多个具有代表性的地区建立岩溶关键带监测站点,并在GIS的支持下以区域岩溶关键带生物地球化学过程及其对大气CO2的源汇机制作为长期研究目标。

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