流域尺度巖溶碳循環過程
——“巖溶作用與碳中和”專欄特邀主編寄語

李 強

中國地質科學院巖溶地質研究所, 自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室,自然資源部巖溶生態系統與石漠化治理重點實驗室, 廣西桂林 541004;聯合國教科文組織國際巖溶研究中心, 廣西桂林 541004

1 流域尺度巖溶碳匯效應

巖溶作用是在碳循環及與其相耦聯的水循環、鈣循環系統中發生的碳酸鹽巖溶蝕或沉積(袁道先,1999)。傳統觀念認為, 巖溶作用耦聯的碳循環是中長時間尺度作用的結果, 對人類歷史的碳減排意義不大, 并且只導致碳轉移, 沒有固碳效果(Curl,2012)。然而, 在具有明顯邊界的流域內, 通過追蹤碳酸鹽巖風化, 大氣二氧化碳在遷移過程中的輸入、輸出和形態轉化, 可闡明巖溶流域中碳元素由無機碳變為有機碳, 再變為惰性有機碳的遷移轉化過程, 進而回應國際上針對“碳酸鹽巖化學風化碳匯穩定性”的質疑(黃芬等, 2014; Liu et al., 2018)。

本專欄中, 張勇等(2022)通過測定西江主要干、支流豐水期及枯水期水體主要離子和鍶及其同位素比值, 結合Galy模型計算了西江流域化學風化特征及CO2消耗通量, 認為碳酸風化碳酸鹽巖在豐水期和枯水期所消耗的 CO2通量分別為(0.78～244.25)×106mol/km2/yr 和 (0.10～49.16)×106mol/km2/yr。然而, 自然界除了碳酸外, 人類活動產生的硫酸及硝酸也廣泛參與流域碳酸鹽巖的風化并顯著增加水體中(Zhang et al., 2020)。這些外源酸溶蝕碳酸鹽巖增加含量的過程并不消耗大氣或土壤 CO2。杜文越等(2022)發現在漓江流域,硫酸和硝酸的參與可提高巖石風化速率, 以至于各支流碳酸鹽巖風化速率比僅有碳酸風化時提高約13%, 但硫酸和硝酸風化產生的不作為碳匯項, 因此估算流域碳匯通量時需扣除。浮游光合生物可以利用巖溶水體中的作為碳源進行光合作用, 并將其轉化為顆粒有機碳沉降。除顆粒有機碳外, 溶解有機碳也是水體有機碳存在的主要形式,其中 95%是“生物難以降解”的惰性溶解有機碳(RDOC, Recalcitrant Dissolved Organic Carbon), 可以在深層水體中保存數千年, 形成長期碳儲, 在全球碳循環中起到重要作用(李強等, 2018)。何若雪等(2022)的研究結果表明流域內RDOC受生物效應和水體理化性質共同影響, 異養細菌是流域內 RDOC的主要貢獻者, 同時浮游生物產生的內源有機碳對RDOC形成具有促進作用。

2 巖溶碳匯的穩定性機制

針對一個特定的流域, 巖溶碳循環的驅動力主要為CO2和H2O, 其碳循環的強度及碳匯效應還受到流域內氣候要素和生物要素等要素的影響(黃芬等, 2014; Liu et al., 2018)。

降雨是氣候要素中影響碳酸鹽巖溶蝕過程中最為重要的因素。pH小于5.6的雨水即為酸雨, 但酸雨在碳酸鹽巖溶蝕中的作用與碳循環的關系并不明確(Lang et al., 2011)。黃奇波等(2022)通過定位觀測發現石灰土壤對大氣酸沉降具有較好的緩沖能力,這是因為酸雨成分并沒有穿透土壤層進入巖溶含水層, 進而沒有產生減碳匯效應, 以至于前期的研究高估了酸雨的減匯效應。

生物對碳酸鹽巖溶蝕起到強烈的促進作用。在半干旱區, 碳酸鹽溶蝕率與土壤CO2濃度、土壤溫度和土壤含水量任何單一因素無相關性, 而與三者匹配性有較好的對應關系, 與濕潤區明顯不同(侯滿福等, 2022)。此外, 植被演替通過增強對溶蝕環境因子匹配性的調控能力, 進一步促進碳酸鹽巖的溶蝕。

在水-二氧化碳-碳酸鹽巖-生物的相互作用下形成的巖溶碳匯, 部分能夠以土壤有機碳的形式固存(李強, 2022)。凋落物是土壤有機碳形成、穩定和周轉的重要影響因子, 因此森林凋落物分解對森林土壤生態系統的物質循環和養分平衡具有重要的作用。李雨菲等(2022)利用弄崗國家級自然保護區建立的15 ha森林動態監測樣地發現桂西南巖溶季節性雨林凋落葉分解速率低于亞熱帶常綠落葉闊葉混交林。凋落葉的分解受微環境因子影響, 其中海拔引起的溫度和濕度的差異是影響巖溶季節性雨林凋落葉分解速率和C、N含量變化的主要因素。

鑒于微生物是影響巖溶土壤碳庫分配、更新及其維持的驅動者, 沈育伊等(2022)發現土壤叢枝菌根真菌分泌的球囊霉素相關土壤蛋白在會仙巖溶濕地不同土層中的含量為1.08～3.35 mg/g, 占土壤有機碳的 12.33%～19.73%, 進而對巖溶濕地土壤碳封存有重要的貢獻。生態系統碳、氮循環是地球系統物質循環和能量流動中最核心的生態系統過程,因此, 氮對陸地碳儲量變化有重要的控制作用(美國科學院國家科學研究理事會, 2014)。添加生物炭可降低巖溶區臍橙園土壤 N2O的平均排放速率和累積排放量(岳鵬鵬等, 2022), 進而影響巖溶土壤碳庫的動態變化和巖溶碳匯能力的提升。由此可見,為支持國家碳中和政策戰略, 揭示碳酸鹽巖風化碳匯機理, 開展流域尺度上的“巖溶作用與碳中和”研究工作十分必要。

3 感謝

本專欄的出版得到了《地球學報》編輯部和評審專家的大力支持, 并且編輯部和評審專家付出了大量的辛勤勞動。在此表示衷心感謝。

二〇二二年四月二十九日于桂林