我国岩溶地区碳汇研究进展与展望

蒋忠诚 ，章 程 ，罗为群 ，肖 琼 ，吴泽燕

（1. 中国地质科学院岩溶地质研究所, 广西 桂林 541004；2. 自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室,广西 桂林 541004；3. 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）

0 引 言

20 世纪90 年代初，基于地球系统科学思想，袁道先[1]提出了从四大圈层相互作用角度来研究岩溶形成的思路，由此推动了IGCP299 “地质、气候、水文与岩溶形成”（1990-1994）项目的实施，并创建了岩溶动力学理论[2]。而岩溶动力系统的四大功能，明确揭示岩溶作用对碳循环具有驱动作用[3]，由此推动了IGCP379 “岩溶作用与碳循环”（1995-1999）项目实施及岩溶碳汇的持续研究[4-8]。中国岩溶面积346万km2,是世界上的岩溶大国，岩溶作用强烈、岩溶地貌典型,岩溶碳汇潜力巨大[9-10]。30 多年来，包括岩溶作用与碳循环在内的很多岩溶研究成果居国际领先水平[11-12]。究其原因，一是归功于新中国的快速发展，二是在岩溶动力学理论的指导下岩溶研究团队建设及研究能力迅速提升。

为实现“2030 年前碳达峰，2060 实现碳中和”总体发展目标，2021 年, 我国出台了《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《国务院2030 年前碳达峰行动方案》两个重要文件，岩溶碳汇被列入这两个文件中重要的汇项，为岩溶碳汇深入研究与固碳增汇工程实践带来巨大的机遇。但是，目前我国的岩溶碳汇评价主要反映的是碳-水-钙-生物四圈层自然循环过程的结果，全国年岩溶作用产生大气二氧化碳汇仅约5 000 万t,其中河流溶解无机碳约3 700 万t[13]，河流水生生物固定的内源有机碳为水体无机碳20%左右，水体沉积物的有机碳为水体无机碳10%左右[8，14]。而且，岩溶碳汇量随环境而变化，岩溶碳汇的稳定性被质疑[15]。岩溶碳汇与其他生态过程碳汇的相关性以及人类如何干预岩溶碳汇的研究成果较少,不足以支撑岩溶地区碳中和工程，需要进一步发掘岩溶碳汇潜力与增汇途径，才能有效服务国家“双碳”目标。为此，本文通过梳理前期岩溶地区碳汇调查研究进展，坚定人们对岩溶地区碳汇重要性的认识，提出发掘岩溶地区碳汇潜力及技术的新理念和研究方向，为拓展岩溶碳汇研究思路和固碳增汇途径提供借鉴。

1 岩溶碳汇的原理与机制

1.1 岩溶碳汇原理及过程模式

岩溶碳汇由岩溶动力系统的碳-水-钙-生物相互作用所产生并得到固定，由可溶岩（主要是碳酸盐岩）的岩石溶解过程驱动，使二氧化碳（来自大气圈和生物圈）向水圈迁移和转化[15-17]，具体表现为：碳酸钙在二氧化碳和水流作用下发生化学反应，形成重碳酸根和钙离子：CaCO3+H2O+CO2≒ Ca2++2HCO3-。

在碳-水-钙循环产生岩溶碳汇的基础上，刘再华等[18]提出了基于流域的二氧化碳-水-钙-水生光合生物相互作用的碳酸盐风化碳汇模式，拓展了通过水生光合作用的岩溶碳汇过程：Ca2++2HCO3-→CaCO3↓+x(H2O+CO2↑ +CO1-x)(CH2O↓+O2),揭示了流域系统岩溶碳汇的稳定性机制。 上述化学反应和生物过程可不断消耗大气中的二氧化碳并转化为水体中的重碳酸根离子，从而降低大气中的二氧化碳，以水中无机碳的形式进入到河流、湖泊和海洋，然后被水生植物所固定。由于碳酸盐岩的化学风化速率（岩溶作用）非常快，在1 h 内就能达到水流溶蚀饱和或过饱和状态[18]，而且，大气二氧化碳浓度越高，岩溶作用越强，产生的岩溶碳汇量越大[19]，所以岩溶碳汇对于调节大气二氧化碳浓度具有重要意义。

近年来的深入研究揭示，岩溶作用不但能够产生岩溶碳汇，而且可以通过形成特殊的岩溶生态系统,拓展碳循环途径[20-25],增加流域尺度岩溶碳汇通量[26]。由此,可提炼形成由六种碳循环过程构成的岩溶地区特有的碳循环过程模式（图1）。六种碳循环过程中均有源汇途径（表1），在目前条件下，岩溶空间、岩溶水系统、岩溶土壤系统、岩溶植物系统4 种碳循环过程均能够实现碳汇效应，岩溶沉积物及岩溶区人类活动2 种碳循环过程虽然是源大于汇，但通过岩溶技术研究，碳汇潜力也很大，因此，岩溶碳汇的潜力与稳定性机制可通过岩溶生态重建和岩溶生态技术的创新而得到大大加强。

表1 流域尺度岩溶系统碳循环过程及其碳源汇效应Table 1 Carbon cycle process and carbon source sink effect of karst system at watershed scale

1.2 岩溶碳汇的稳定性及对质疑者的答复

如果仅考虑岩溶作用过程的碳水钙循环，形成的水体无机碳的确存在不稳定性问题，主要原因有三：一是碳酸钙过饱和的水体，随着钙华沉积，导致二氧化碳释放[27-28]；三是随着水体中水温、pH 等物理化学条件的改变产生二氧化碳、甲烷等脱气作用[29-31]；三是水体生物或微生物活动导致水体无机碳的转化，包括促进水生生物光合作用，形成水体颗粒有机碳和惰性有机碳[32-36]。但是，水体无机碳的不稳定，不代表岩溶作用只造成碳转移，没有碳汇形成，这种错误认识，严重影响了社会各界对岩溶碳汇重要性的认可，必须加以澄清。第一种情况是造成错觉的主要根源，由于岩溶水会产生钙华沉积，就被人误认为岩溶作用在上游发生溶蚀吸收二氧化碳，在下游通过化学沉积就产生碳排放，岩溶作用就只促进碳转移，而不能形成碳汇[15]。实事上过饱和水体主要发生在植被土壤覆盖下有压状态的岩溶地下水中,当水流流至洞穴或岩溶泉口会排放过饱和的二氧化碳[37-39]，但在地表河流、湖泊甚至海洋中，水体中的无机碳量一直保持与大气二氧化碳平衡状态，不会发生二氧化碳完全释放，而岩溶无机碳汇的计算从来都是基于这部分与大气平衡的碳通量[40-44]。第二种情况是流域水系统碳-水-钙循环正常的表生地球化学过程，而且研究表明，水体最大的二氧化碳排放量不足无机碳的10%[45-46]，实际上也是碳-水-钙平衡的结果。第3 种情况，也反映了岩溶作用不仅促进碳转移，而且在碳转移过程中存在固定机制，这种水生生物将水体无机碳为有机碳的机制，不但存在于陆地水体中[17,32-36,47-48]，也发生于海洋。所有入海的陆地无机碳多数被海洋生物固定[49]。由此，岩溶作用不但能够促进碳转移，也产生碳汇，而且还有使岩溶碳汇稳定的系列机制[50-51]，岩溶碳汇作为大气二氧化碳去除的重要作用列入了IPCC 第五次报告[52]。

1.3 岩溶碳汇的内涵、拓展与外延

到目前为止，岩溶碳汇还没有明确的定义。20世纪末，岩溶碳汇主要是指碳酸盐岩化学风化碳汇，具体碳汇量计算主要考虑碳酸盐岩岩石化学风化吸收的大气二氧化碳产生的水体无机碳[2-10]。21 世纪岩溶碳汇有拓展，除了河流排泄的无机碳之外，还包括流域内通过生物（微生物+水生生物）使无机碳转化的有机碳[8,14,30-36]，但岩溶碳汇的计算主要以流域为单元，但仍然局限于水系统范围，而且还对外源酸及水化学成分的影响进行深入的研究[53-55]。近年来，研究发现，岩溶地区的植被恢复具有重大的碳汇效应[56-58]，但植物碳汇与岩溶过程有什么关系还没有开展系统的研究，但很多现象表明，如果没有岩溶作用，岩石很难长树，植物根系很难深展到地下深处。而且，岩溶地区还存在与岩溶作用密切相关的植物特殊的光合作用机制[59]，通过岩溶无机碳促进植物的生长和有机碳的积累。岩溶土壤内部有自己独特的水文地球化学和生物地球化学机制，不但可以产生碳酸钙沉积，还可以形成比非岩溶地区更高浓度的有机质和有机碳[60-63,22]。 此外，岩溶作用形成的洞穴、地下河岩溶管道等地下空间可以富集高浓度的CO2[64-66]， 并为二氧化碳的地质封存提供了有利空间条件。

因此，在双碳目标下，不能再局限于从水循环角度的调查研究岩溶碳汇，应当有更开阔的视野，从地球系统科学角度，至少是从地球关键带的尺度，从四大圈层的碳循环角度深入发掘岩溶作用产生的碳转移及其固碳增汇的潜力和途径[67-68]，尤其要重视碳汇潜力巨大的岩溶生态系统（包括地上和地下）和岩溶土壤系统的碳汇研究。

2 岩溶地区碳汇的人工干预

虽然自然条件下岩溶作用可以产生碳汇，但量级相对较低，离满足国家“双碳”目标的要求差距较大。但从上述分析讨论中可以看出，岩溶作用开拓了多个方面的碳循环路径，尤其是我国岩溶面积辽阔，岩溶作用强度大，为发掘岩溶地区固碳增汇的潜力提供了极为有利的条件。生态环境部发布的《中国应对气候变化的政策与行动2019 年报告》中提出，“自然资源部积极探索人工造林种草、土壤改良、外源水灌溉及水生植物培育等4 种增加岩溶碳汇的方法”，这对于开拓岩溶碳汇研究思路具有非常重要的积极意义[69]。然而，最近的研究表明，4 种措施中，人工造林种草措施需要进一步聚焦，才能取得更好的固碳增汇效果；土壤改良的目标和措施有待进一步明确，才能发挥更大的固碳增汇潜力；外源水灌溉措施必须有跨流域调水的理念或工程措施才能真正实现增汇效应，因为在一个流域内岩溶作用是全覆盖的，无论是岩溶地区还是非岩溶地区均有化学风化作用[70-71]，无论是上游的外源水还是下游的岩溶水，最后在流域出口水流均达到碳-水-钙平衡态，流域内区分外源水和内源水，有助于分析岩溶过程及其时空差异，而对于流域岩溶碳汇量的计算没有实际意义；水生植物培育措施如何快速形成显著的固碳增汇效应还有待进一步研究。因此，岩溶碳汇的人工干预措施和技术需要进一步研究，而且，为了国家“双碳”目标的实现，岩溶碳汇必须拓展到岩溶地区的碳汇，加强岩溶碳汇与岩溶地区其他碳汇潜力的结合研究，进一步开辟岩溶地区固碳增汇的人工干预技术途径。

2.1 石漠化综合治理

石漠化综合治理是岩溶地区重要的国家生态工程,自本世纪初石漠化治理工程实施以来,不但有效推动了西南岩溶地区的石漠化治理与生态修复,同时也取得了巨大的固碳增汇效应,西南岩溶地区的固碳增汇贡献在全球具有领先地位[58]。石漠化综合治理的碳汇效应包括三个方面,植被碳汇、土壤碳汇和岩溶碳汇[71-72]。虽然西南岩溶石漠化治理区植被碳汇的研究已经形成较多成果和较大影响[56-58,73-74]，但石漠化治理产生的地下植物根系碳汇效应还缺乏研究。石漠化治理的土壤碳汇和岩溶碳汇的研究还处于探索阶段，但典型地区的研究结果表明，石漠化治理的土壤碳汇量远大于植被碳汇[75-77]，可是没有在整个西南岩溶地区开展研究。石漠化治理的岩溶碳汇也是明显的,如打狗河流域两岸,植被覆盖率好的地区，其地下河的岩溶碳汇比石漠化地区的地下河高十倍以上[78]。岩溶地区碳循环地质调查表明，西南地区“十一五”期间的石漠化治理工程，增加当地流域1 000万t CO2的岩溶碳汇[79],但这部分岩溶碳汇如何有效固定和利用目前还缺乏研究。由此可见, 西南岩溶石漠化治理在植被碳汇、土壤碳汇和岩溶碳汇三方面均取得了显著效果，但研究程度还不够，具有巨大碳汇潜力的固碳增汇示范工程亟需开展试验示范。

2.2 岩溶土壤改良

岩溶地区的森林土壤有机质和有机碳非常丰富，表层土壤有机质含量可达20%，下部土壤也可达2%～8%，均为非岩溶地区的2 倍左右[80-81]。但在岩溶石漠化区，土壤层瘠薄，厚度多在50cm 以下，且经常为裸岩所间隔呈不连续状分布，而土壤有机碳含量很低，常在2%以下[75-76]。除了岩溶土壤退耕和通过植被恢复可增加土壤有机碳含量措施外[82], 岩溶区土壤改良也可大幅度增加土壤有机质，形成土壤碳汇，同时还可促进岩溶碳汇。研究表明，秸秆还田、施有机肥和免耕措施，可增加土壤有机碳 50 t·km-2a-1以上[83]。在广西平果县果化生态修复示范区通过使用淤泥、有机肥、秸秆等方式进行的土壤改良试验结果表明，利用池塘淤泥进行岩溶土壤改良的效果较好,不但增加土壤有机碳80 t·km-2a-1，而且增加岩溶碳汇1.93～2.70 t·km-2a-1[84]。但是，岩溶土壤改良增汇研究与试验工作还很薄弱，岩溶土壤增汇的机理、土壤碳汇评价方法和土壤管理及改良技术均有待深入研究。业也证明，土地利用方式调整及土壤改良能够产生可观的岩溶碳汇潜力[85-87]，但这部分岩溶碳汇如何固定和有效利用？有待进一步深入研究和技术创新。

2.3 水生生物固碳

近年来对岩溶区溪流、河流、湖泊、水库水体的物理化学指标和稳定同位素高分辨率的监测结果表明，这些岩溶水体的水生生物通过光合作用形成生物碳泵效应[31-36,88-90]，而岩溶水的高浓度溶解无机碳对水生生物生长起着施肥作用[14,91]。水生植物的生物碳泵作用不仅促进无机碳向有机碳的转化，而且减少了水气界面的CO2向大气排放[45-46,92]。通过水体生物碳泵作用,不但能够产生相当于水体无机碳30%左右的内源有机碳[8,14,93],而且为水体沉积物提供有机碳源，产生水体沉积物碳汇[14,94]。进一步研究表明,通过水体好氧不产氧细菌等微生物作用可使水体有机碳固定为惰性有机碳，增强碳汇的稳定性。

作为水生生物固碳的人工干预措施还没有实施。目前的相关研究主要聚焦于水生植物的选择，以提高水体无机碳（HCO3-）向有机碳转化的效率[8,95]。调查发现,岩溶地下河出口的水生植物种类非常丰富，具有海菜花、黑藻、苦草、竹叶眼子菜、狐尾藻等优势种,其中竹叶眼子菜的固碳能力相对较大[96-97]。而岩溶湿地以华克拉沙的固碳能力最大[8]。但这些研究结果如何用于人工干预工程,在可操作性与经济可行性等方面缺乏论证，有待进一步探索。总体说来，水生生物培育和繁殖应与水环境污染治理结合起来，既有利于净化水体环境，又有利于水生生物固碳，以增强经济上的可行性。此外，水生生物固碳增汇速率和效率如何提高？则是需要解决的关键技术问题。

2.4 加速岩溶过程的碳酸酐酶增汇技术

研究发现，作为一种生物酶，碳酸酐酶（CA）广泛存在于岩溶区植物、土壤和水环境中，将其收集利用，进行碳酸酐酶施肥可加速岩溶作用及生物固碳作用[98-99]。试验研究表明，利用碳酸酐酶施肥增汇效果可提高1 个数量级[100-102]。因此,碳酸酐酶技术通过加速岩溶过程在石漠化治理、土壤改良、水生生物培育的固碳增汇中有广阔的应用前景。目前,如何实施工厂烟尘的碳减排成为新的研究热点,如何利用岩溶过程于碳减排是前沿技术研发领域，其中的技术难点是在烟尘排放过程中加速碳-水-钙反应过程，以更大程度捕捉烟尘中的二氧化碳成分，对此，利用碳酸酐酶技术可发挥重要作用。

3 展 望

3.1 岩溶流域的碳循环调查研究与监测

岩溶流域的6 种碳循环过程还没有展开，因此，必须加强岩溶流域的碳循环基础研究。首先，开展不同生态类型岩溶流域碳循环调查，以岩溶地区碳汇潜力大和碳排放问题比较突出的流域重点，以“地质作用-生态过程-人类活动”耦合系统碳收支现状和潜力为目标，查明流域内在岩溶地质系统、不同类型生态系统、人类生产生活活动过程的二氧化碳释放项和吸收项及其影响因素，查明碳排放条件下流域无机-有机碳的循环过程及碳汇潜力。其次，开展流域尺度6 种碳循环过程研究，在建立不同类型岩溶流域大气-降水-植被-土壤-洞穴及管道-岩溶水全链条碳循环过程模型的基础上，深化四大圈层界面碳循环过程研究，尤其是大气-岩溶水-植被系统碳循环、大气-植物-土壤系统碳循环、大气-岩溶水-水生植物系统碳循环过程及其影响因素研究，为发掘岩溶地区碳汇潜力和固碳增汇技术提供科学依据。第三，利用先进的自动化监测仪器，开展6 种碳循环过程及其影响因素监测，在我国重点岩溶区面上遥感监测及前期碳循环监测站建设的基础上，建立完善我国典型岩溶流域碳循环长期监测网，监测岩溶流域6 种碳循环过程及其影响因素的野外高分辨率在线监测体系，监测碳排放条件下6 种碳循环过程的不同碳形态的时空动态及其生态环境变化，揭示不同碳排放强度下的岩溶地区碳循环过程响应过程、源汇动态变化规律及其对生态环境的影响。第四，利用信息技术，建立岩溶流域碳循环及碳收支数据库及信息系统，融合国土空间基本单元信息，构建服务国土空间规划和生态修复的岩溶流域碳中和调控决策大数据和管控平台。

3.2 岩溶流域碳汇评估体系构建

通过流域大气二氧化碳浓度、岩溶作用强度、有效降雨量等区域指标，探索流域碳-水-钙平衡的岩溶碳汇评价方法，以增强岩溶碳汇评估模型的普适性和可考核性。在调查监测的基础上，探索不同类型岩溶流域植被（地上、地下）碳汇、土壤（无机、有机）碳汇、水体有机碳碳汇、洞穴空气二氧化碳汇的评价方法，取得岩溶碳汇评价的科技创新，为全面把握岩溶流域的碳汇和进一步发掘岩溶碳汇潜力提供科技支撑。岩溶流域类型多样、地表地下空间结构复杂，碳循环过程交叉重复，建立公认的岩溶流域碳汇评价模型难度较大，因此，虽然岩溶流域碳汇评估体系构建前景广阔，但任重道远，需要国家和社会的大力支持，设立多学科交叉研究专项，才能尽快取新得技术突破。

3.3 固碳增汇颠覆性技术研发与试验示范

岩溶地区碳汇潜力巨大，但人工干预措施尚未展开实施，需要加大力度开展岩溶地区固碳增汇技术的探索和研发。其中，有的技术已有研究基础，如石漠化生态修复固碳技术、岩溶植被筛选固碳技术、岩溶土壤改良固碳技术、岩溶水生植物选择和培育技术等；而有些方面的技术还没有开展研究，但他们可能是颠覆性技术，如烟尘二氧化碳的岩溶作用快速固定技术，岩溶碳汇的土壤和植被固定与转化技术，岩溶空间地下植物根系培植固碳技术等。

固碳增汇技术研发应当与试验示范有机结合。选择我国碳排放严重且岩溶碳汇潜力大的地区，以流域为单元，建立典型岩溶流域固碳增汇试验示范区，通过石漠化治理、岩溶森林重建、土地利用调整、岩溶土壤改良、水生植物培育、烟尘碳回收固定等措施的固碳增汇试验，形成流域“可测量、可报告、可核实”的岩溶流域固碳增汇技术体系，并通过流域自然-人工二元系统的综合调控，构建典型岩溶流域碳中和示范样板。