基于CO2 的巖溶區結晶固碳研究現狀

樊海浪 FAN Hai-lang；饒軍應 RAO Jun-ying；景志泉 JING Zhi-quan；林希豪 LIN Xi-hao；王玄林 WANG Xuan-lin；付青 FU Qing

（①貴州大學土木工程學院，貴陽 550025；②貴州大學空間結構研究中心，貴陽 550025）

0 引言

2020 年9 月22 日，習近平主席在第七十五屆聯合國大會上表示：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”。我國灰巖分布約占國土面積的1/3，巖溶廣布，滇、黔、桂、川等地尤為突出，巖溶結晶固碳具有廣闊前景。固碳的研究有利于更好地管理和利用土地資源，以達到土地資源利用的最優化。關于荒漠化和石漠化現象的治理，也提供了一條可研究的途徑。同時，對于林區固碳后帶來的新鮮空氣，對地方人民的身體健康有所保障。巖溶區固碳研究對于西南地區，特別是喀斯特地貌地區工程的建設，也會起到一定的指導作用，例如使溶腔地層自然結晶后得以逐漸填充等。節省了改善巖溶不良地層結構的探測、加固等措施費，對于工程造價的降低也有一定的幫助。固碳可以有效的減少CO2的含量，對于溫室效應的治理，有很大的幫助，將會為全球經濟減少一筆支出，有利于全球經濟的發展。

蔣忠誠[1]等根據中國巖溶碳匯計算的需要，將我國巖溶地區劃分為南方巖溶區、北方巖溶區、青藏高原巖溶區和埋藏巖溶區4 種類型區，各區的巖溶面積分別為56.48萬平方公里、32.58 萬平方公里、55.60 萬平方公里和200.1萬平方公里。以取得的調查監測和統計資料為依據，對4種類型區和中國的巖溶碳匯量進行了重新計算，南方巖溶區、北方巖溶區、青藏高原巖溶區和埋藏巖溶區巖溶碳匯量分別為1909.9 萬噸CO2/a、600.5 萬噸CO2/a、580.1 萬噸CO2/a、608.6 萬噸CO2/a，由此獲得中國巖溶碳匯總量為3699.1 萬噸CO2/a。該結果比前人的研究更全面地反映了當前我國巖溶地區碳水鈣無機循環產生的大氣CO2匯量，碳匯在結晶固碳中起到了至關重要的作用。

碳匯是通過自然轉化或人工將大氣中CO2清除的過程、活動或機制。碳匯效應分為海洋碳匯和陸地碳匯兩大類。其中，陸地碳匯包括陸地植被碳匯、自然地質碳匯和人工地質碳匯。而巖溶區結晶固碳主要與自然地質碳匯相關。自然地質碳匯主要由土壤碳匯和巖石風化碳匯組成，土壤碳匯受區域植被條件、氣候條件、土壤利用等因素影響，而碳酸鹽巖和硅酸鹽巖風化作用吸收大氣CO2的巖石風化碳匯主要受氣溫、降水、巖石類型、水文條件以及人類活動的影響。從氣候環境、自然資源和社會經濟等多種措施有機結合實現固碳增匯，是未來實現碳中和的有效途徑。本文主要綜述了關于巖溶地質碳匯中的固碳研究現狀。

1 巖溶區土壤碳匯固碳研究

巖溶區土壤中的固碳主要與生物和水相關，在土壤的碳循環的過程中，就固碳這一環節，受到環境、氣候、溫度、生物和水等因素的影響。

1.1 生物固碳的研究現狀

巖溶區植被是巖溶區的主要碳匯，巖溶區的植被可以通過植物的生長來保持碳。在巖溶碳循環過程中，由于水—CO2—碳酸鹽巖—生物的交互作用，使巖溶碳循環活動十分活躍，而其中部分的碳匯以有機碳的形式存在于土壤中，微生物是土壤碳循環的主要驅動力，它直接影響著植物殘體和微生物殘體中的碳含量。有學者認為調控相關微生物酶的性質和表達，引入新的碳捕獲途徑可以提高碳固定效率[2]。

利用桂西北巖溶區5 年生蘇木人工林中的碳蓄積和分布特征，李元強等分析發現，蘇木林區的喬木層各器官碳含量無明顯差別，以枝條為最小，蘇木人工林分含量以土壤層為最大，蘇木具有良好的巖溶區適應性和碳匯能力，可用于巖溶區的石漠化治理和碳匯[3]。楊慧等描述了西南巖溶區植被的特殊生理特性，并探討了巖溶區植被碳儲量、巖溶區植被時空變化格局與碳源匯效應、巖溶區植物對碳源的特殊利用、巖溶區的碳循環模式及碳匯潛力的預測，指出了未來巖溶區植被碳循環的相關指標體系測量與機制進程[4]。

中國巖溶研究所從巖溶溶蝕動力的解構工程性質及資源開發等方面，逐步向巖溶生態系統生產力的綜合等集成，喀斯特生態系統解構的沖刷基準面的自然演替與人類活動的規律等對于建立喀斯特田林湖草生態共同體、服務可持續發展、應對全球氣候變化具有重要意義[5]。

1.2 水流促進固碳的研究現狀

在研究全球碳循環過程中，尚且存在遺漏的碳匯，導致碳源匯失衡，使得碳匯估算容易失真，所以進行對水有關的固碳研究，有助于尋找遺失的碳匯。陸地水生系統是連接陸地碳庫和海洋碳庫的紐帶，也是耦聯水生光合作用碳酸鹽巖風化產生的巖溶碳匯的重要場所。但耦聯水生光合作用產生碳匯的大小和變化不明確，碳酸鹽溶蝕能夠吸收大氣中的CO2，從而達到固碳的效果，但部分學者認為巖溶水存在CO2脫氣現象，對巖溶碳匯尚存懷疑；但也有學者研究表明，一定條件下，CO2脫氣對巖溶碳匯的影響有限，并且，存在的耦聯水生光合固碳作用[6]，能夠形成穩定的有機碳匯，鞏固巖溶碳匯效應。通常認為，喀斯特地區河流以兩種方式參與全球碳循環：①輸送大量的總有機碳（TOC）和溶解無機碳（DIC）進入海洋參與海洋碳循環；②通過CO2交換的形式與大氣直接進行交換，增加大氣CO2濃度，因此，如何準確評價巖溶作用形成穩定的碳匯，不僅需要耦合CO2在巖石圈-水圈-大氣圈-生物圈之間的遷移過程，同時更需要深入了解水-氣界面CO2轉換過程及影響機制并為定量評估碳匯通量提供基礎數據[7]，因此展開了對巖溶地表水的水-氣界面CO2交換過程的研究，有學者研究硫酸型酸雨沉降至地表經石灰土緩沖后，參與碳酸鹽溶蝕以及對巖溶碳匯的影響，以求更好地厘清CO2在各圈層中循環過程，為評估氣候變化，尋求有效固碳方法提供依據。廣大學者對巖溶固碳展開了多方面的研究，如巖溶濕地的固碳作用研究，認為濕地與其他陸地生態系統最大的區別在于有大量適水生的植物，因而濕地系統的水生植物和藻類可以吸收固定巖溶中的HCO3－形成穩定的內源有機碳[8]。同樣也有以典型巖溶溶丘洼（谷）地流域-石期河流域以及地質條件復雜，地形、氣象氣候條件多變的青藏高原東緣梯度帶、巖溶水庫等為研究對象進行深入研究的，以期尋求相關規律，為固碳提供依據。隨著與水有關的固碳研究的深入，碳循環過程會更加明確，相關的固碳方法也會相應得到完善，從而更好地促進碳達峰，碳中和目標的實現。

1.3 土壤中固碳的研究現狀

土壤中的CO2不僅是巖溶作用的重要驅動力，還是生態系統中的碳和巖溶中的碳進行循環的紐帶。巖溶中的碳匯量不僅受土壤中CO2的濃度的影響，而且土壤中氮也影響土壤固碳量[9]，同時氣候變化在一定的程度上也同時影響著巖溶的速率，雨季，隨著降雨的增多，土壤中的CO2濃度較高，部分CO2被雨水脈沖運移向下，驅動溶蝕下伏碳酸鹽巖，加快巖溶作用，從而使得固碳量增加。

但有研究表明在降雨量豐富，以及氣候條件相似的南方的部分喀斯特地區，控制徑流量的主要原因并不是降雨量，而是入滲系數。有關巖溶地區地下溶洞富含CO2有關的固碳研究表明，溶洞作為巖溶地下空間的特有窗口，溶洞中不僅富含CO2，而且補給過程復雜，試圖通過研究不同季節下巖溶洞穴各層CO2變化特征及其遷移路徑，以求探明巖溶系統CO2三相運移過程，尋找遺漏碳匯方式，進而尋求新的固碳方式[10]。溶洞內部空氣環境相對穩定，外部空氣環境相對多變，研究兩者的相互作用機制進而為巖溶地區的固碳研究必不可少的“碳源匯”研究提供理論基礎以及參考的依據[11]。土壤中的碳還包括有機碳，有關土壤中的有機碳的研究也同樣能為固碳提供新的思路。巖溶地區地形地貌復雜，地質背景特殊，土壤中的有機碳含量存在著顯著的空間異質性，并且人類的活動以及土壤的理化性質同樣對土壤中的有機碳含量有著顯著的影響。通過對土壤有機碳的研究，可以更好地了解大氣環境、洞穴環境和土壤環境之間碳遷移路徑，可以更好地理解生態系統的碳循環路徑，為固碳研究提供重要思路。深入探討土壤理化性質與土壤有機碳含量之間的耦合關系，有助于提高我們對土壤有機碳含量的影響機理、區域土壤演化、土壤侵蝕過程中土壤有機質的生物地球化學循環方面的理解，從而弄清楚土壤的發生、發展和變化規律，為進一步研究該區域土壤作為碳源還是碳匯提供參考依據[12]。有關石漠化地區增加固碳的研究表明，石漠化程度增加，土壤粘粒含量和土壤孔隙度均會降低，這也就說明隨著石漠化的增加，在一定程度上導致土下巖溶作用會減弱[13]。因此加強石漠化的治理，種植人工經濟樹種，不僅能夠增加地表森林系統的固碳量，還能促進地下巖溶區匯碳固碳。因此可以說，巖溶作用對巖溶地區固碳有著積極作用[14]。

巖溶地區的可溶性巖石主要為石灰巖和白云巖，但不同巖性的巖溶區的固碳能力也存在著差異。巖溶地區的可溶性巖石以碳酸鹽為主，研究表明巖溶過程的碳匯有利于大氣中CO2的固定，對未來全球氣候變化有著負反饋作用，非巖溶區撒播碳酸鹽粉的巨大碳增匯潛力有助于實現我國未來的碳中和目標。因此進行與土壤有關的固碳研究有著巨大的潛力，隨著研究的深入相信會找到許多固碳的思路和有效的方法促進我國碳中和目標的實現。

2 巖溶區巖石風化固碳研究

近年來，全球碳循環面臨著CO2收支不平衡的挑戰，碳酸鹽溶解產生的巖溶碳匯，是不平衡碳匯產生的重要去向之一，巖溶碳匯是指巖溶作用過程中所產生的的碳匯，碳酸鹽巖在水的參與下可以與CO2發生化學形成各種獨特的巖溶地貌，并生成HCO3-，這一過程可以直接吸收大氣或土壤中的CO2形成碳匯，巖溶碳匯對碳循環有著重要的意義，是全球碳循環的重要組成部分。碳酸鹽巖風化具有大氣與土壤CO2匯效應，受生態系統因子驅動與全球變化影響，巖溶地區碳匯具有地表和地下雙碳匯特征。巖溶碳循環作為一種表生低溫地球化學過程，積極參與全球碳循環，不僅對環境變化極其敏感，而且與陸地生態系統碳循環、土壤碳循環及土地利用變化密切相關。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，成為區域和全球尺度大氣CO2匯（地表碳匯）或土壤生物成因CO2匯（地下碳匯）。碳酸鹽溶蝕的過程中將空氣或土壤中的CO2消耗形成結晶，以達到固碳的目的。同時，碳酸鹽的風化受到諸多因素的影響。

2.1 硫酸鹽風化固碳結晶的影響因素[15]

吳慶等將影響風化結晶固碳的主要因素歸結為：

2.1.1 自然因素 中國大陸巖溶分為3 種類型。①干旱半干旱型巖溶（北方），水循環慢，碳酸鹽易飽和，洞穴碳酸鹽沉積物較少。②亞熱帶潮濕型巖溶（南方），雨量充沛、雨熱同期、四季分明，碳酸鹽巖風化強烈，洞穴具有大量沉積物。③高山或高原型巖溶（西藏），碳酸鹽巖風化以機械風化為主，巖溶形態以灰巖峰、墻和石拱為特征。

2.1.2 土地因素 不同土地利用模式下的碳酸鹽巖風化速率：原始林地＞次生林地＞灌叢。

2.1.3 水動力條件 巖溶水循環過程是碳酸鹽巖風化的驅動力。巖溶地下水賦存在巖溶含水介質中，巖溶地下水的補、徑、排特征通過改變水化學、水文地質結構、流域邊界影響碳酸鹽巖風化特征。暴雨條件下，巖溶水文過程加速碳酸鹽巖溶蝕，形成新的結晶及碳匯量。

2.1.4 微生物 地球表層系統中微生物是最活躍的地質營力之一。微生物對巖溶作用的影響是一個復雜的過程，有些可加速碳酸鹽巖的風化，有些可利用CO2誘導形成碳酸鹽巖，有些改變碳循環周期產生有機碳埋藏（碳匯效應）。碳酸鹽巖是地球上最大的碳庫，通過巖溶作用參與全球碳循環。碳酸鹽巖－水－CO2（氣）－土－生構成巖溶碳循環過程（巖溶動力系統），主要發生在淺表層巖溶帶。碳酸鹽巖具有快速溶解反應動力學過程，巖溶作用對環境變化具有高度敏感性。碳酸鹽巖風化是巖溶碳循環的驅動力，通過消耗大氣/土壤CO2，在地質時間尺度上調節大氣CO2濃度，默默地參與全球碳循環和碳中和，具有顯著的碳匯效應，在我國碳匯系統中發揮著重要作用。

2.2 溶洞中碳循環及固碳的研究現狀

在巖溶區，喀斯特溶洞內的碳循環研究具有重要意義。近年來洞穴系統碳循環的研究成果，包括CO2遷移和以同位素為媒介來揭示碳循環過程的經典案例研究，將洞穴系統碳循環路徑分為4 個部分：垂直黑箱的碳循環、水氣交換中的碳循環、通風效應（煙肉效應）中的碳循環與其他碳源。但是實驗證明喀斯特關鍵帶洞穴系統碳循環研究仍存在不足之處，由于洞穴上覆基巖中的CO2并不能直接觀測，使洞穴上覆表層巖溶CO2難以估算。目前對于利用水中CO2和SIC 計算的方法也存在很大的不確定性。喀斯特不同發育階段關鍵帶類型、結構特征、氣候特征、地表覆被、土壤結構、巖石特征以及水化學性質差異特征需要構建一套定量的監測技術方法。

目前，溶洞中的結晶固碳形成的主要過程是，碳酸鹽巖風化形成的無機碳（HCO3-）隨水流在巖溶介質中遷移，在地下洞穴中，CaCO3飽和、過飽和巖溶水的滴落，水體中CO2逸出到洞穴大氣中，隨著不飽和的巖溶水繼續與碳酸鹽巖反應，重新溶解碳酸鹽巖并吸收周圍環境中CO2，地下巖溶水出露地表，水環境的改變，水－氣界面CO2逸出釋放到大氣中。韋延蘭等研究表明，巖溶碳匯潛力巨大，人為活動可以增加巖溶固碳增匯效果，下一步，以地球系統科學和巖溶動力學理論為指導，通過開展巖溶碳匯機理研究、本底調查、典型巖溶流域碳通量監測、人為干預增匯技術試驗示范，掌握巖溶固碳的過程，構建自然狀態下巖溶碳匯通量計算、測算與監測方法，提高巖溶固碳效率，以推動巖溶碳匯的開發利用[16]。

3 結語

碳達峰和碳中和作為當今生態的重要研究課題，2021年10 月，《2030 年前碳達峰行動方案》（國發[2021]23 號）指出十四五是碳達峰的關鍵期、窗口期，要提升生態碳匯能力，有效發揮森林、土壤、巖溶等的固碳作用，提升生態系統碳匯增量。中國是巖溶大國，開展巖溶碳匯研究是應對氣候變化和中國實現雙碳目標的基礎支撐，因此碳循環中固碳的研究自然也就必不可少。但是目前巖溶區的固碳研究還缺少系統的方法，固碳量的計算方法也不精準。因此未來應該致力于將巖溶動力學理論作為指導，配合地球系統科學研究出一套適合固碳研究的方法。