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中国岩溶碳汇潜力研究

2012-12-14蒋忠诚袁道先曹建华覃小群何师意

地球学报 2012年2期
关键词:碳汇岩溶土壤

蒋忠诚,袁道先,曹建华,覃小群,何师意,章 程

1)中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004;

2)国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林 541004;

3)中国地质科学院岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室,广西桂林 541004

中国岩溶碳汇潜力研究

蒋忠诚1,2,3),袁道先1,2,3),曹建华1,2,3),覃小群1,2,3),何师意1,2,3),章 程1,2,3)

1)中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004;

2)国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林 541004;

3)中国地质科学院岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室,广西桂林 541004

为了应对全球环境变化,中国地质科学院岩溶地质研究所等单位在地质调查项目的资助下,在中国典型岩溶流域开展了岩溶碳汇调查,建立了岩溶碳汇观测网站,深化了岩溶碳汇过程、影响因素和形成机理研究,发现了岩溶区外源水、土地合理利用、植被恢复和水生光合作用等增加岩溶碳汇的途径,取得了大量的科技创新进展。在调查研究的基础上,将我国岩溶区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区 4种类型区,利用 GIS技术计算各区的岩溶面积和岩溶碳汇量,获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a,这是我国344万km2岩溶区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇。该项研究进展在2011年的《Science》通讯报道中获得高度评价。

岩溶作用;全球变化;二氧化碳汇;中国

IGCP379“岩溶作用与碳循环”(1995—1999)项目执行期间,对中国及全球进行了岩溶作用CO2碳汇量初步估算,其中,中国的岩溶碳汇量以定点观察数据为基础,分别采用石灰岩溶蚀试片法、水化学法和扩散边界层理论进行计算,计算出我国90.7万 km2裸露岩溶区的碳汇结果是1.774×107tCO2/a(徐胜友等,1997;Jiang et al.,1999)。全球岩溶碳汇的计算结果为6.08×108tCO2/a,约占全球“遗漏汇”的1/3(Yuan et al.,2002;刘再华等,2007)。该项研究不但推动了岩溶动力学的基础研究,也拓宽了全球变化研究领域,在国内外引起了很大的反响。然而,由于研究工作不够深入,当时,对岩溶碳汇的很多科学问题没有解决,如岩溶作用自然过程如何与人类活动结合的问题,岩溶碳汇的速率和稳定性问题(袁道先,2011),我国 200多万km2的覆盖岩溶地区和埋藏岩溶地区的计算问题。此外,我国以前估算所用的水文资料主要是20世纪80年代以前1:20万水文地质调查的成果资料(李国芬等,1992),现在已经过去30多年,水量和水质都需要重新调查。为了科学应对全球气候变化,利用地质碳汇潜力实施大气二氧化碳减排,2010年,国土资源部安排了地质调查计划项目“中国地质碳汇潜力研究”(2010—2012),旨在进一步开展岩溶碳汇、土壤碳汇和矿物碳汇的深入调查研究。

1 项目研究目标及2011年研究进展概述

1.1 项目的总体研究目标

以岩溶流域为单元,开展我国岩溶碳汇调查,建立与完善全国岩溶碳汇效应的动态监测网络,监测我国不同环境条件的岩溶作用与碳循环的过程与数据,建立中国岩溶碳汇调查数据库;深化岩溶碳汇的过程及机理研究,阐明岩溶作用对全球气候变化的响应过程与机理,科学测算我国岩溶碳汇对全球大气CO2回收的贡献;通过调查与试验研究,发掘岩溶碳汇增汇途径与技术方法,提出岩溶碳汇增汇对策;加强岩溶碳汇的国际学术交流与培训,充分发挥联合国教科文组织国际岩溶研究中心的作用,扩大我国在碳减排研究方面的国际影响。

1.2 2011年研究进展概述

2011年完成了1:5万碳汇调查面积1000多km2,典型线路调查 3000多km,揭示了不同岩溶环境的碳汇差异及影响因素。建立岩溶碳汇观测站 29处,新增远程监控观测站 3处,发现了岩溶水文和水化学的动态变化规律对岩溶碳汇影响的程度(何师意等,2011;康志强等,2011)。通过开展岩溶流域外源水碳汇效应和岩溶土壤固碳试验研究,计算了外源水对岩溶碳汇的贡献,深化了岩溶土壤固碳机理。通过开展土地利用、植被恢复、土地覆盖和水生光合作用与岩溶碳汇关系研究,发掘了增加岩溶碳汇的途径,并取得岩溶碳汇稳定性研究的突破。在调查研究的基础上,将我国岩溶区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,利用 GIS技术计算各区的岩溶面积和岩溶碳汇量,并求得了中国岩溶碳汇总量。

2 中国岩溶碳汇调查及监测研究新进展

2.1 我国南北方岩溶碳汇差异大

珠江上游的桂江流域、长江流域的湘西大龙洞地下河流域和黄河流域的山西马跑神泉域的调查研究表明,不同岩溶环境的岩溶碳汇差异很大(曹建华等,2011;黄奇波等,2011)。其中,山西马跑神泉域,代表温带半干旱北方岩溶流域,流域面积为212.06km2,多年泉流量均值为0.55 m3/s,地下水径流 模 数 为2.6 L/(km2·s),降 雨 量 平 均477.39mm(1956—2009年),降雨入渗系数为0.15。根据HCO3−含量及地下水径流模数估算碳汇通量为8.69 t/(km2·a)。湘西大龙洞地下河流域,代表中亚热带岩溶槽谷区,流域面积187km2,多年平均天然径流量1.049×108m3/a,地下河出口多年枯水期(当年11月至翌年2月)实测流量平均为2.12 m3/s。根据地下水的HCO3−含量及地下水径流模数(17.7 L/(km2·s))估算碳汇通量为35.6 t/(km2·a),为山西马跑泉流域的4倍。

2.2 土地覆盖条件对地下河碳汇的影响很大

广西打狗河东西两岸地下河流域的土地覆盖条件调查表明,打狗河东岸林地占 56.13%,耕地占15.15%;而西岸林地、耕地分别只占20.8%、12.95%。西岸的裸岩和荒地比例大,分别占29.57%和25.95%,而东岸分别占14.19%和10.98%(图1)。植被和土壤覆盖差异导致了东、西两岸地下河水地球化学指标的明显差异,东岸地下河水的HCO3-、Ca2+、Pco2(平均分别是233.71mg/L、85.5mg/L、909.46 Pa)明显高于西岸(分别为177.26mg/L、64.65mg/L、257.37 Pa),而东岸的SIC、pH值(分别为0.12和7.40)又低于西岸(分别是0.38和7.85)。因此,东岸有更强的岩溶动力条件,东岸地下河的平均碳汇强度比西岸高14%(覃小群等,2011)。

图1 打狗河东西两岸地下河流域土地覆盖类型分布Fig.1 Distribution of land cover types in ground river basins on both east and west banks of the Dagou River

2.3 岩溶土壤有机碳发生累积

桂林地区的监测表明,岩溶区石灰土的土壤呼吸排放CO2速率明显低于碎屑岩区红壤,岩溶区土壤呼吸速率的变化幅度为23.12~271.26mg C·m−2·h−1;碎屑岩土壤呼吸速率的变化幅度为51.60~326.28mg C·m−2·h−1,如以年平均值计算,则岩溶区土壤呼吸排放CO2量要比碎屑岩区红壤少 25.12%。岩溶区石灰土土壤呼吸排放CO2的δ13C值比碎屑岩区红壤的偏重,岩溶区土壤呼吸排放 CO2的δ13C 值平均为−22.68‰,碎屑岩为−26.21‰(图2)。岩溶区石灰土剖面中CO2浓度出现双向梯度,且水热条件良好的季节双向梯度表现越明显,而碎屑岩区红壤剖面中则出现随土壤层深部的增加,土壤CO2浓度增加的单向梯度;如以剖面中CO2浓度的平均值计算,则岩溶区石灰土中CO2浓度年平均 0.25%,而碎屑岩区红壤为0.57%。这意味着岩溶区土-岩界面石灰岩的溶解消耗吸收土壤下层CO2,即土壤中岩溶作用产生碳汇的过程。

图2 岩溶区石灰土与砂岩区红壤土壤呼吸排碳动态对比Fig.2 Comparison of dynamic change of soil carbon release between calciferous soil of karst area and red soil of sandstone area

3 岩溶碳汇机理及增汇途径研究进展

3.1 岩溶区不同土地利用方式对土壤有机碳碳库及周转时间影响大

广西马山弄拉和重庆金佛山典型岩溶泉域的研究结果表明,不同土地利用下的土下溶蚀速率差异较明显,耕地、灌丛、次生林、草地、原始林溶蚀速率平均值分别为4.02,7.0,40.0,20.0和63.5 t/(km2·a),因此,在土地利用变化进行区域尺度岩溶作用碳汇估算时,除了考虑气候、水文、地质等条件外,还必须考虑西南地区土地利用类型碳汇的差异.植被的正向演替对岩溶碳汇有显著的促进作用,原始林地土下岩溶作用碳汇量是次生林地的3倍,灌丛的9倍,也就是说,从耕地或灌丛演化到次生林地,由岩溶作用产生的碳汇可提高5.71~7.02 t/(km2·a),若演化到原始林地则达24.86~26.17 t/(km2·a)。岩溶区地表森林系统的增汇过程发生的同时,地下也同步发生着类似的增汇过程(章程等,2006;章程,2011a)。

通过土壤样品的室内培养,运用三库一级动力学理论,分析了桂林毛村典型岩溶区旱地、灌丛、果园、林地四种不同土地利用类型下石灰土有机碳库容大小、各碳库平均周转时间及其影响因素。结果表明,4种土地利用类型土壤有机碳含量分别为15.41~20.10 g/kg,13.07~−31.16 g/kg,9.38~−14.74 g/kg,30.82~−37.52 g/kg;活性有机碳占总有机碳的比例最小,分别为0.61%~−0.93%,0.95%~−1.24%,0.77%~−1.00%,1.49%~−1.66%;缓效性有机碳库占总有机碳含量的21.13%~−30.18%,13.58%~−23.46%,29.54%~−46.58%,30.39%~−33.84%;平均周转时间为7 a,8 a,7 a,12 a。惰性有机碳碳占总有机碳的比例最高,分别为69.18%~−78.26%,75.27%~−85.47%,56.63%~−69.70%,64.64%~−68.12%。延长缓效性碳库驻留时间在一定程度上是提高土壤有机碳库的关键因素。相关分析表明:土壤有机碳总量、土壤碳酸钙含量、总钙量、土壤pH值、全氮、C/N与土壤有机碳各库库容及周转时间存在显著的正相关,腐殖质含量与土壤有机碳库及周转时间呈极显著正相关,土壤过氧化氢酶及脲酶活性显著影响土壤有机碳库含量及周转时间(杨慧等,2011)。

3.2 外源水对岩溶碳汇的影响

桂林毛村地下河流域面积 10.5km2,其中上游的砂页岩外源水面积占流域总面积的32%。研究结果表明,HCO3-浓度年平均值从非岩溶区小龙背、扁岩、社更岩、山湾向岩溶地区穿岩、大岩前、毛村、背地坪增加(图3)。背地坪因没有外源水补给的影响,其HCO3−浓度最大,变化范围为3.5~5 mmol/L,而小龙背则全由大气降水直接补给且位于碎屑岩区,所以其HCO3−浓度最小,变化范围为0.1~0.4 mmol/L,两地 HCO3−浓度比较,前者是后者的近十倍。外源水进入岩溶区后,由于内外源水相互混合,提高了岩溶水的溶蚀能力,以致 DIC含量不断升高,其碳酸盐饱和指数也逐渐增加,SIc由不饱和达到饱和,提高了岩溶碳汇的强度。即在外源水的参与作用下,2010年9月至2011年3月从位于地下河流域上游的小龙背到地下河出口,岩溶碳汇通量由 2.28×105g增加至 2.04×106g,增加了近10 倍。计算得出外源水对岩溶水的贡献为34%(黄芬等,2011)。

图3 桂林毛村地下河水HCO3-的动态变化特征Fig.3 Dynamic change of water HCO3- concentrations in Maocun ground river of Guilin

图4 中国岩溶类型区分布Fig.4 Distribution of karst type regions in China

3.3 水生植物体光合作用固碳效应研究

广西融水官村地下河补给的地表溪流高分辨率监测结果表明,沿途HCO3−、Ca含量显著减少,存在DIC的丢失和Ca的原位沉降,水生植物体光合作用生物量的88%源于水体中DIC。一方面说明由于生物过程的参与,岩溶作用已不再是传统意义上的纯无机地质作用过程,速率大大加快,另一方面也说明岩溶作用产生的Ca和HCO3−原位沉降是一种真正的碳汇,可为碳储作贡献,是一种潜在的碳减排途径。官村地下河补给的地表溪流1.35km流程的每天HCO3−流 失 量 估 算 值 为94.9 kg,即1152 mmol/(m·d)(章程,2011b)。来自美国佛罗里达岩溶大泉补给的地表河流HCO−3沉降量为130 mmol/(m·d)(De Montety et al.,2011),表明在中国南方亚热带岩溶区地表河流由水生植物光合作用产生的碳汇量更高。2011年4—8月对重庆青木关姜家泉水出流后流动水的监测表明,水流HCO−3浓度平均值 5.76 mmol/L,随着泉水流程的增加,HCO−3浓度逐渐降低,到达距离姜家泉360 m的试验点时,HCO−3浓度为5.53 mmol/L,下降0.23 mmol/L。水体中藻类等吸收HCO3−降低水中的HCO3−浓度再次得到验证。

4 中国岩溶碳汇分区计算取得新进展

我国岩溶地区可分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区(图4),利用GIS技术计算各区的岩溶面积分别为56.48万km2、32.58万km2、55.60万km2和200.1万km2,全国岩溶总面积为344.6万km2。 以取得的调查监测和统计资料为依据,对 4种类型区和中国的岩溶碳汇量进行了重新计算,南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区岩溶碳汇量分别1909.9万 tCO2/a、600.5万 tCO2/a、580.1万 tCO2/a、608.6万 tCO2/a,由此获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a(蒋忠诚等,2011)。该结果比前人的研究更全面地反映了当前我国岩溶地区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇量。

5 社会影响和效果

以本项目研究成果为核心,2011年在《科学通报》杂志组织发表了“地质作用与碳循环”专辑中英文版,在《中国岩溶》杂志组织发表了“岩溶作用与碳循环”专辑,加上其他刊物论文,本项目全年累计发表论文24篇,在国内外引起较大反响。本研究团队在岩溶碳汇方面的研究进展在《Science》杂志的通讯报道中获得高度评价(Larson,2011)。

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黄芬,唐伟,汪进良,曹建华,殷建军.2011.外源水对岩溶碳汇的影响——以桂林毛村地下河为例[J].中国岩溶,30(4):417-421.

黄奇波,刘朋雨,覃小群,孔祥胜.2011.桂江流域岩溶碳汇特征[J].中国岩溶,30(4):437-442.

蒋忠诚,覃小群,曹建华,蒋小珍,何师意,罗为群.2011.中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇的分区计算[J].中国岩溶,30(4):363-367.

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A Study of Carbon Sink Capacity of Karst Processes in China

JIANG Zhong-cheng1,2,3),YUAN Dao-xian1,2,3),CAO Jian-hua1,2,3),QIN Xiao-qun1,2,3),HE Shi-yi1,2,3),ZHANG Cheng1,2,3)
1)Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Guilin,Guangxi541004;
2)Key Laboratory of Karst Dynamics,Ministry of Land and Resources &Guangxi,Guilin,Guangxi541004;
3)Key Open Laboratory of Karst Ecosystem and Rocky Desertification Control,Chinese Academy of Geological Sciences,Guilin,Guangxi541004

In order to tackle global climate changes,a research team from the Institute of Karst Geology in Guilin has been conducting the karst carbon sink study for three yeas under the auspices of the geological survey projects.Until now,29 karst carbon sink monitoring stations in China and 3 stations in other countries have been established.In order to explore the capacity of atmosphericCO2sink in karst progresses of China,the authors investigated all relative factors of karst carbon sink such as rock chemical contents,soil gasCO2,land and vegetation coverage and discharge and bicarbonate concentrations of water flow in some typical karst basins,carried out some special researches such as karst carbon sink in different land uses,karst carbon sink from autogenic water,karst carbon sink of vegetation rehabilitations of the rock desertification environments,soil organic carbon solidification in karst area and carbon sink from photosynthesis of hydrophytes in karst water and,as a result,achieved a lot of new scientific progresses.In order to calculate the atmosphericCO2sink in karst progresses of China,the authors divided karst districts in China into four types of karst regions,i.e.,the karst region in south China,the karst region in northern China,the Tibet plateau karst region and the buried karst region,with their areas being 564,800km2,325,800km2,556,000km2and 2,001,000km2respectively.The total new atmosphericCO2sink formed in karst regions of China is 3699.1×104tCO2/a,which is the atmosphericCO2sink quantity of all 3,440,000km2karst areas in China.The importance of the karst carbon sink study was reported in the journal “Science” in 2011.

karst action;global changes;atmosphericCO2sink;China

P931.5;X16

A

10.3975/cagsb.2012.02.01

本文由中国地质调查项目“中国地质碳汇潜力研究”(编号:1212011087121)资助。获中国地质科学院2011年度十大科技进展第四名。

2012-02-23;改回日期:2012-03-09。责任编辑:魏乐军。

蒋忠诚,男,1962年生。研究员,博士生导师。长期从事岩溶研究,近年来重点探讨石漠化治理和岩溶碳汇问题。通讯地址:541004,广西桂林市七星路50号。电话:0773-5837342。E-mail:zhjiang@karst.ac.cn。

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