流域尺度岩溶碳循环过程——“岩溶作用与碳中和”专栏特邀主编寄语

李 强

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,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;联合国教科文组织国际岩溶研究中心, 广西桂林 541004

1 流域尺度岩溶碳汇效应

岩溶作用是在碳循环及与其相耦联的水循环、钙循环系统中发生的碳酸盐岩溶蚀或沉积(袁道先,1999)。传统观念认为, 岩溶作用耦联的碳循环是中长时间尺度作用的结果, 对人类历史的碳减排意义不大, 并且只导致碳转移, 没有固碳效果(Curl,2012)。然而, 在具有明显边界的流域内, 通过追踪碳酸盐岩风化, 大气二氧化碳在迁移过程中的输入、输出和形态转化, 可阐明岩溶流域中碳元素由无机碳变为有机碳, 再变为惰性有机碳的迁移转化过程, 进而回应国际上针对“碳酸盐岩化学风化碳汇稳定性”的质疑(黄芬等, 2014; Liu et al., 2018)。

本专栏中, 张勇等(2022)通过测定西江主要干、支流丰水期及枯水期水体主要离子和锶及其同位素比值, 结合Galy模型计算了西江流域化学风化特征及CO2消耗通量, 认为碳酸风化碳酸盐岩在丰水期和枯水期所消耗的 CO2通量分别为(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, 人类活动产生的硫酸及硝酸也广泛参与流域碳酸盐岩的风化并显著增加水体中(Zhang et al., 2020)。这些外源酸溶蚀碳酸盐岩增加含量的过程并不消耗大气或土壤 CO2。杜文越等(2022)发现在漓江流域,硫酸和硝酸的参与可提高岩石风化速率, 以至于各支流碳酸盐岩风化速率比仅有碳酸风化时提高约13%, 但硫酸和硝酸风化产生的不作为碳汇项, 因此估算流域碳汇通量时需扣除。浮游光合生物可以利用岩溶水体中的作为碳源进行光合作用, 并将其转化为颗粒有机碳沉降。除颗粒有机碳外, 溶解有机碳也是水体有机碳存在的主要形式,其中 95%是“生物难以降解”的惰性溶解有机碳(RDOC, Recalcitrant Dissolved Organic Carbon), 可以在深层水体中保存数千年, 形成长期碳储, 在全球碳循环中起到重要作用(李强等, 2018)。何若雪等(2022)的研究结果表明流域内RDOC受生物效应和水体理化性质共同影响, 异养细菌是流域内 RDOC的主要贡献者, 同时浮游生物产生的内源有机碳对RDOC形成具有促进作用。

2 岩溶碳汇的稳定性机制

针对一个特定的流域, 岩溶碳循环的驱动力主要为CO2和H2O, 其碳循环的强度及碳汇效应还受到流域内气候要素和生物要素等要素的影响(黄芬等, 2014; Liu et al., 2018)。

降雨是气候要素中影响碳酸盐岩溶蚀过程中最为重要的因素。pH小于5.6的雨水即为酸雨, 但酸雨在碳酸盐岩溶蚀中的作用与碳循环的关系并不明确(Lang et al., 2011)。黄奇波等(2022)通过定位观测发现石灰土壤对大气酸沉降具有较好的缓冲能力,这是因为酸雨成分并没有穿透土壤层进入岩溶含水层, 进而没有产生减碳汇效应, 以至于前期的研究高估了酸雨的减汇效应。

生物对碳酸盐岩溶蚀起到强烈的促进作用。在半干旱区, 碳酸盐溶蚀率与土壤CO2浓度、土壤温度和土壤含水量任何单一因素无相关性, 而与三者匹配性有较好的对应关系, 与湿润区明显不同(侯满福等, 2022)。此外, 植被演替通过增强对溶蚀环境因子匹配性的调控能力, 进一步促进碳酸盐岩的溶蚀。

在水-二氧化碳-碳酸盐岩-生物的相互作用下形成的岩溶碳汇, 部分能够以土壤有机碳的形式固存(李强, 2022)。凋落物是土壤有机碳形成、稳定和周转的重要影响因子, 因此森林凋落物分解对森林土壤生态系统的物质循环和养分平衡具有重要的作用。李雨菲等(2022)利用弄岗国家级自然保护区建立的15 ha森林动态监测样地发现桂西南岩溶季节性雨林凋落叶分解速率低于亚热带常绿落叶阔叶混交林。凋落叶的分解受微环境因子影响, 其中海拔引起的温度和湿度的差异是影响岩溶季节性雨林凋落叶分解速率和C、N含量变化的主要因素。

鉴于微生物是影响岩溶土壤碳库分配、更新及其维持的驱动者, 沈育伊等(2022)发现土壤丛枝菌根真菌分泌的球囊霉素相关土壤蛋白在会仙岩溶湿地不同土层中的含量为1.08～3.35 mg/g, 占土壤有机碳的 12.33%～19.73%, 进而对岩溶湿地土壤碳封存有重要的贡献。生态系统碳、氮循环是地球系统物质循环和能量流动中最核心的生态系统过程,因此, 氮对陆地碳储量变化有重要的控制作用(美国科学院国家科学研究理事会, 2014)。添加生物炭可降低岩溶区脐橙园土壤 N2O的平均排放速率和累积排放量(岳鹏鹏等, 2022), 进而影响岩溶土壤碳库的动态变化和岩溶碳汇能力的提升。由此可见,为支持国家碳中和政策战略, 揭示碳酸盐岩风化碳汇机理, 开展流域尺度上的“岩溶作用与碳中和”研究工作十分必要。

3 感谢

本专栏的出版得到了《地球学报》编辑部和评审专家的大力支持, 并且编辑部和评审专家付出了大量的辛勤劳动。在此表示衷心感谢。

二〇二二年四月二十九日于桂林