基于CO2 的岩溶区结晶固碳研究现状

樊海浪 FAN Hai-lang；饶军应 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贵州大学土木工程学院，贵阳 550025；②贵州大学空间结构研究中心，贵阳 550025）

0 引言

2020 年9 月22 日，习近平主席在第七十五届联合国大会上表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”。我国灰岩分布约占国土面积的1/3，岩溶广布，滇、黔、桂、川等地尤为突出，岩溶结晶固碳具有广阔前景。固碳的研究有利于更好地管理和利用土地资源，以达到土地资源利用的最优化。关于荒漠化和石漠化现象的治理，也提供了一条可研究的途径。同时，对于林区固碳后带来的新鲜空气，对地方人民的身体健康有所保障。岩溶区固碳研究对于西南地区，特别是喀斯特地貌地区工程的建设，也会起到一定的指导作用，例如使溶腔地层自然结晶后得以逐渐填充等。节省了改善岩溶不良地层结构的探测、加固等措施费，对于工程造价的降低也有一定的帮助。固碳可以有效的减少CO2的含量，对于温室效应的治理，有很大的帮助，将会为全球经济减少一笔支出，有利于全球经济的发展。

蒋忠诚[1]等根据中国岩溶碳汇计算的需要，将我国岩溶地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，各区的岩溶面积分别为56.48万平方公里、32.58 万平方公里、55.60 万平方公里和200.1万平方公里。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为1909.9 万吨CO2/a、600.5 万吨CO2/a、580.1 万吨CO2/a、608.6 万吨CO2/a，由此获得中国岩溶碳汇总量为3699.1 万吨CO2/a。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，碳汇在结晶固碳中起到了至关重要的作用。

碳汇是通过自然转化或人工将大气中CO2清除的过程、活动或机制。碳汇效应分为海洋碳汇和陆地碳汇两大类。其中，陆地碳汇包括陆地植被碳汇、自然地质碳汇和人工地质碳汇。而岩溶区结晶固碳主要与自然地质碳汇相关。自然地质碳汇主要由土壤碳汇和岩石风化碳汇组成，土壤碳汇受区域植被条件、气候条件、土壤利用等因素影响，而碳酸盐岩和硅酸盐岩风化作用吸收大气CO2的岩石风化碳汇主要受气温、降水、岩石类型、水文条件以及人类活动的影响。从气候环境、自然资源和社会经济等多种措施有机结合实现固碳增汇，是未来实现碳中和的有效途径。本文主要综述了关于岩溶地质碳汇中的固碳研究现状。

1 岩溶区土壤碳汇固碳研究

岩溶区土壤中的固碳主要与生物和水相关，在土壤的碳循环的过程中，就固碳这一环节，受到环境、气候、温度、生物和水等因素的影响。

1.1 生物固碳的研究现状

岩溶区植被是岩溶区的主要碳汇，岩溶区的植被可以通过植物的生长来保持碳。在岩溶碳循环过程中，由于水—CO2—碳酸盐岩—生物的交互作用，使岩溶碳循环活动十分活跃，而其中部分的碳汇以有机碳的形式存在于土壤中，微生物是土壤碳循环的主要驱动力，它直接影响着植物残体和微生物残体中的碳含量。有学者认为调控相关微生物酶的性质和表达，引入新的碳捕获途径可以提高碳固定效率[2]。

利用桂西北岩溶区5 年生苏木人工林中的碳蓄积和分布特征，李元强等分析发现，苏木林区的乔木层各器官碳含量无明显差别，以枝条为最小，苏木人工林分含量以土壤层为最大，苏木具有良好的岩溶区适应性和碳汇能力，可用于岩溶区的石漠化治理和碳汇[3]。杨慧等描述了西南岩溶区植被的特殊生理特性，并探讨了岩溶区植被碳储量、岩溶区植被时空变化格局与碳源汇效应、岩溶区植物对碳源的特殊利用、岩溶区的碳循环模式及碳汇潜力的预测，指出了未来岩溶区植被碳循环的相关指标体系测量与机制进程[4]。

中国岩溶研究所从岩溶溶蚀动力的解构工程性质及资源开发等方面，逐步向岩溶生态系统生产力的综合等集成，喀斯特生态系统解构的冲刷基准面的自然演替与人类活动的规律等对于建立喀斯特田林湖草生态共同体、服务可持续发展、应对全球气候变化具有重要意义[5]。

1.2 水流促进固碳的研究现状

在研究全球碳循环过程中，尚且存在遗漏的碳汇，导致碳源汇失衡，使得碳汇估算容易失真，所以进行对水有关的固碳研究，有助于寻找遗失的碳汇。陆地水生系统是连接陆地碳库和海洋碳库的纽带，也是耦联水生光合作用碳酸盐岩风化产生的岩溶碳汇的重要场所。但耦联水生光合作用产生碳汇的大小和变化不明确，碳酸盐溶蚀能够吸收大气中的CO2，从而达到固碳的效果，但部分学者认为岩溶水存在CO2脱气现象，对岩溶碳汇尚存怀疑；但也有学者研究表明，一定条件下，CO2脱气对岩溶碳汇的影响有限，并且，存在的耦联水生光合固碳作用[6]，能够形成稳定的有机碳汇，巩固岩溶碳汇效应。通常认为，喀斯特地区河流以两种方式参与全球碳循环：①输送大量的总有机碳（TOC）和溶解无机碳（DIC）进入海洋参与海洋碳循环；②通过CO2交换的形式与大气直接进行交换，增加大气CO2浓度，因此，如何准确评价岩溶作用形成稳定的碳汇，不仅需要耦合CO2在岩石圈-水圈-大气圈-生物圈之间的迁移过程，同时更需要深入了解水-气界面CO2转换过程及影响机制并为定量评估碳汇通量提供基础数据[7]，因此展开了对岩溶地表水的水-气界面CO2交换过程的研究，有学者研究硫酸型酸雨沉降至地表经石灰土缓冲后，参与碳酸盐溶蚀以及对岩溶碳汇的影响，以求更好地厘清CO2在各圈层中循环过程，为评估气候变化，寻求有效固碳方法提供依据。广大学者对岩溶固碳展开了多方面的研究，如岩溶湿地的固碳作用研究，认为湿地与其他陆地生态系统最大的区别在于有大量适水生的植物，因而湿地系统的水生植物和藻类可以吸收固定岩溶中的HCO3－形成稳定的内源有机碳[8]。同样也有以典型岩溶溶丘洼（谷）地流域-石期河流域以及地质条件复杂，地形、气象气候条件多变的青藏高原东缘梯度带、岩溶水库等为研究对象进行深入研究的，以期寻求相关规律，为固碳提供依据。随着与水有关的固碳研究的深入，碳循环过程会更加明确，相关的固碳方法也会相应得到完善，从而更好地促进碳达峰，碳中和目标的实现。

1.3 土壤中固碳的研究现状

土壤中的CO2不仅是岩溶作用的重要驱动力，还是生态系统中的碳和岩溶中的碳进行循环的纽带。岩溶中的碳汇量不仅受土壤中CO2的浓度的影响，而且土壤中氮也影响土壤固碳量[9]，同时气候变化在一定的程度上也同时影响着岩溶的速率，雨季，随着降雨的增多，土壤中的CO2浓度较高，部分CO2被雨水脉冲运移向下，驱动溶蚀下伏碳酸盐岩，加快岩溶作用，从而使得固碳量增加。

但有研究表明在降雨量丰富，以及气候条件相似的南方的部分喀斯特地区，控制径流量的主要原因并不是降雨量，而是入渗系数。有关岩溶地区地下溶洞富含CO2有关的固碳研究表明，溶洞作为岩溶地下空间的特有窗口，溶洞中不仅富含CO2，而且补给过程复杂，试图通过研究不同季节下岩溶洞穴各层CO2变化特征及其迁移路径，以求探明岩溶系统CO2三相运移过程，寻找遗漏碳汇方式，进而寻求新的固碳方式[10]。溶洞内部空气环境相对稳定，外部空气环境相对多变，研究两者的相互作用机制进而为岩溶地区的固碳研究必不可少的“碳源汇”研究提供理论基础以及参考的依据[11]。土壤中的碳还包括有机碳，有关土壤中的有机碳的研究也同样能为固碳提供新的思路。岩溶地区地形地貌复杂，地质背景特殊，土壤中的有机碳含量存在着显著的空间异质性，并且人类的活动以及土壤的理化性质同样对土壤中的有机碳含量有着显著的影响。通过对土壤有机碳的研究，可以更好地了解大气环境、洞穴环境和土壤环境之间碳迁移路径，可以更好地理解生态系统的碳循环路径，为固碳研究提供重要思路。深入探讨土壤理化性质与土壤有机碳含量之间的耦合关系，有助于提高我们对土壤有机碳含量的影响机理、区域土壤演化、土壤侵蚀过程中土壤有机质的生物地球化学循环方面的理解，从而弄清楚土壤的发生、发展和变化规律，为进一步研究该区域土壤作为碳源还是碳汇提供参考依据[12]。有关石漠化地区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会降低，这也就说明随着石漠化的增加，在一定程度上导致土下岩溶作用会减弱[13]。因此加强石漠化的治理，种植人工经济树种，不仅能够增加地表森林系统的固碳量，还能促进地下岩溶区汇碳固碳。因此可以说，岩溶作用对岩溶地区固碳有着积极作用[14]。

岩溶地区的可溶性岩石主要为石灰岩和白云岩，但不同岩性的岩溶区的固碳能力也存在着差异。岩溶地区的可溶性岩石以碳酸盐为主，研究表明岩溶过程的碳汇有利于大气中CO2的固定，对未来全球气候变化有着负反馈作用，非岩溶区撒播碳酸盐粉的巨大碳增汇潜力有助于实现我国未来的碳中和目标。因此进行与土壤有关的固碳研究有着巨大的潜力，随着研究的深入相信会找到许多固碳的思路和有效的方法促进我国碳中和目标的实现。

2 岩溶区岩石风化固碳研究

近年来，全球碳循环面临着CO2收支不平衡的挑战，碳酸盐溶解产生的岩溶碳汇，是不平衡碳汇产生的重要去向之一，岩溶碳汇是指岩溶作用过程中所产生的的碳汇，碳酸盐岩在水的参与下可以与CO2发生化学形成各种独特的岩溶地貌，并生成HCO3-，这一过程可以直接吸收大气或土壤中的CO2形成碳汇，岩溶碳汇对碳循环有着重要的意义，是全球碳循环的重要组成部分。碳酸盐岩风化具有大气与土壤CO2汇效应，受生态系统因子驱动与全球变化影响，岩溶地区碳汇具有地表和地下双碳汇特征。岩溶碳循环作为一种表生低温地球化学过程，积极参与全球碳循环，不仅对环境变化极其敏感，而且与陆地生态系统碳循环、土壤碳循环及土地利用变化密切相关。碳酸盐岩溶蚀消耗的CO2可来自大气，也可来自土壤微生物或根系呼吸，成为区域和全球尺度大气CO2汇（地表碳汇）或土壤生物成因CO2汇（地下碳汇）。碳酸盐溶蚀的过程中将空气或土壤中的CO2消耗形成结晶，以达到固碳的目的。同时，碳酸盐的风化受到诸多因素的影响。

2.1 硫酸盐风化固碳结晶的影响因素[15]

吴庆等将影响风化结晶固碳的主要因素归结为：

2.1.1 自然因素 中国大陆岩溶分为3 种类型。①干旱半干旱型岩溶（北方），水循环慢，碳酸盐易饱和，洞穴碳酸盐沉积物较少。②亚热带潮湿型岩溶（南方），雨量充沛、雨热同期、四季分明，碳酸盐岩风化强烈，洞穴具有大量沉积物。③高山或高原型岩溶（西藏），碳酸盐岩风化以机械风化为主，岩溶形态以灰岩峰、墙和石拱为特征。

2.1.2 土地因素 不同土地利用模式下的碳酸盐岩风化速率：原始林地＞次生林地＞灌丛。

2.1.3 水动力条件 岩溶水循环过程是碳酸盐岩风化的驱动力。岩溶地下水赋存在岩溶含水介质中，岩溶地下水的补、径、排特征通过改变水化学、水文地质结构、流域边界影响碳酸盐岩风化特征。暴雨条件下，岩溶水文过程加速碳酸盐岩溶蚀，形成新的结晶及碳汇量。

2.1.4 微生物 地球表层系统中微生物是最活跃的地质营力之一。微生物对岩溶作用的影响是一个复杂的过程，有些可加速碳酸盐岩的风化，有些可利用CO2诱导形成碳酸盐岩，有些改变碳循环周期产生有机碳埋藏（碳汇效应）。碳酸盐岩是地球上最大的碳库，通过岩溶作用参与全球碳循环。碳酸盐岩－水－CO2（气）－土－生构成岩溶碳循环过程（岩溶动力系统），主要发生在浅表层岩溶带。碳酸盐岩具有快速溶解反应动力学过程，岩溶作用对环境变化具有高度敏感性。碳酸盐岩风化是岩溶碳循环的驱动力，通过消耗大气/土壤CO2，在地质时间尺度上调节大气CO2浓度，默默地参与全球碳循环和碳中和，具有显著的碳汇效应，在我国碳汇系统中发挥着重要作用。

2.2 溶洞中碳循环及固碳的研究现状

在岩溶区，喀斯特溶洞内的碳循环研究具有重要意义。近年来洞穴系统碳循环的研究成果，包括CO2迁移和以同位素为媒介来揭示碳循环过程的经典案例研究，将洞穴系统碳循环路径分为4 个部分：垂直黑箱的碳循环、水气交换中的碳循环、通风效应（烟肉效应）中的碳循环与其他碳源。但是实验证明喀斯特关键带洞穴系统碳循环研究仍存在不足之处，由于洞穴上覆基岩中的CO2并不能直接观测，使洞穴上覆表层岩溶CO2难以估算。目前对于利用水中CO2和SIC 计算的方法也存在很大的不确定性。喀斯特不同发育阶段关键带类型、结构特征、气候特征、地表覆被、土壤结构、岩石特征以及水化学性质差异特征需要构建一套定量的监测技术方法。

目前，溶洞中的结晶固碳形成的主要过程是，碳酸盐岩风化形成的无机碳（HCO3-）随水流在岩溶介质中迁移，在地下洞穴中，CaCO3饱和、过饱和岩溶水的滴落，水体中CO2逸出到洞穴大气中，随着不饱和的岩溶水继续与碳酸盐岩反应，重新溶解碳酸盐岩并吸收周围环境中CO2，地下岩溶水出露地表，水环境的改变，水－气界面CO2逸出释放到大气中。韦延兰等研究表明，岩溶碳汇潜力巨大，人为活动可以增加岩溶固碳增汇效果，下一步，以地球系统科学和岩溶动力学理论为指导，通过开展岩溶碳汇机理研究、本底调查、典型岩溶流域碳通量监测、人为干预增汇技术试验示范，掌握岩溶固碳的过程，构建自然状态下岩溶碳汇通量计算、测算与监测方法，提高岩溶固碳效率，以推动岩溶碳汇的开发利用[16]。

3 结语

碳达峰和碳中和作为当今生态的重要研究课题，2021年10 月，《2030 年前碳达峰行动方案》（国发[2021]23 号）指出十四五是碳达峰的关键期、窗口期，要提升生态碳汇能力，有效发挥森林、土壤、岩溶等的固碳作用，提升生态系统碳汇增量。中国是岩溶大国，开展岩溶碳汇研究是应对气候变化和中国实现双碳目标的基础支撑，因此碳循环中固碳的研究自然也就必不可少。但是目前岩溶区的固碳研究还缺少系统的方法，固碳量的计算方法也不精准。因此未来应该致力于将岩溶动力学理论作为指导，配合地球系统科学研究出一套适合固碳研究的方法。