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巖溶碳匯

來源: 中國礦業報 發布時間:2021-04-16 瀏覽量: 字號:T|T

摘要:全球巖溶分布面積為2200萬平方千米,占陸地面積的15%,全球碳酸鹽巖風化溶解產生的碳匯通量為5.5億噸/年,相當于全球森林碳匯通量的33%、土壤碳匯通量的70%。

2019年11月,生態環境部發布《中國應對氣候變化的政策與行動2019年報告》,在“增加碳匯”部分,將“自然資源部積極探索人工造林種草、土壤改良、外源水灌溉及水生植物培育等4種增加巖溶碳匯的方法”納入其中。這意味著巖溶碳匯在實現應對氣候變化、努力增加碳匯等目標中將發揮重要作用。

一、巖溶碳匯來源于碳酸鹽巖的風化溶解

很少有人意識到,碳酸鹽巖的風化溶解會像植物光合作用一樣,產生相對于大氣圈的碳匯效應。碳酸鹽巖是可溶巖,其風化溶解速率是花崗巖的幾十倍到百倍。通常情況下,雨水溶解大氣和土壤中的CO2,生成碳酸,隨后碳酸溶解碳酸鹽巖,生成含HCO3-和Ca2+的巖溶水體。在此過程中,大氣圈的CO2被不斷移出,以HCO3-的形式進入到水圈中,起到了相應的碳匯效果。

那么,碳酸鹽巖風化與植物光合作用產生碳匯存在哪些差異?一是光合作用為有機過程,風化過程為無機過程;二是植物生長形成樹木是看得見的,風化過程則是看不見的。

二、靜悄悄的巖溶碳循環

碳酸鹽巖風化驅動無機碳循環產生的碳匯十分隱蔽,根本原因是碳酸鹽巖在地質歷史時期形成于溫暖、見光、清潔的淺海環境中,其溶解過程也是通過清澈、透明的巖溶水展現的。因此,碳酸鹽巖風化溶解產生的碳循環過程是靜悄悄的。

流域尺度巖溶碳循環通常包括三部分:發生、遷移和轉化,70%~80%的巖溶碳循環發生在淺表層的巖溶表層帶,只有少部分發生在地下河和地下洞穴中。富含HCO3-的巖溶水在遷移過程中,少部分HCO3-轉化為CO2逃逸到洞穴空氣中;更多的HCO3-隨地下水的流動,以泉、地下河的形式流出地表,成為地表河,這些高濃度無機碳含量的巖溶水,刺激水生植物進行光合作用,使部分無機碳轉化為有機碳。

三、巖溶碳匯是碳匯重要的組成部分

中國的巖溶分布面積(包括裸露、覆蓋和埋藏)達344萬平方千米,約占國土面積的1/3。據估算,中國碳酸鹽巖風化溶解產生的碳匯通量為0.3億噸/年~0.72億噸/年,取中間值0.51億噸/年。根據1981~2000年間的統計,森林碳匯通量年均碳匯為0.75億噸/年,灌草叢年均碳匯通量為0.19億噸/年,陸地植被年均總碳匯通量為1.01億噸/年。也就是說,碳酸鹽巖風化溶解的碳匯通量是陸地植被的50.5%、森林的68%、灌草叢的2.68倍。

針對全球而言,每年陸地森林生態系統可產生17.1億噸的碳匯通量,土壤有機碳庫可產生凈碳匯通量8億噸。全球巖溶分布面積為2200萬平方千米,占陸地面積的15%,全球碳酸鹽巖風化溶解產生的碳匯通量為5.5億噸/年,相當于全球森林碳匯通量的33%、土壤碳匯通量的70%。需要指出的是,巖溶碳循環發生的驅動力是水和二氧化碳,在不同氣候類型下,碳匯發生的強度存在差異性。

四、人為干預可增加巖溶碳匯通量和穩定性

根據流域巖溶碳循環過程,可以通過以下4種技術途徑提高巖溶碳匯通量及其穩定性。

一是植樹造林。鑒于植物光合作用和碳酸鹽巖風化溶解的驅動力均為CO2+H2O,因此,植樹造林不僅能使地表生物碳匯通量增加,也能使地下巖溶碳匯通量增加。從灌叢到次生林地再到原始林地,巖溶作用產生的碳匯通量可增加2~8倍。

二是改良土壤。巖溶碳匯的碳主要來自土壤CO2,土壤CO2濃度比大氣高1~2個數量級,通過改良土壤增加土壤CO2循環即可強化巖溶碳匯效應。

三是重視外源水的作用。來源于硅酸鹽巖區的外源水具有很強的侵蝕力。典型流域監測結果顯示,桂林毛村地下河流域,上游32%的砂巖補給區流入的外源水,進入下游巖溶區,會增加34%的碳匯通量;漓江流域的監測結果顯示,當小流域中碳酸鹽巖分布面積在50%左右時,外源水對巖溶碳匯影響最大。

四是增強水生植物的光合作用。水體中高濃度的HCO3-極不穩定,當水文條件發生改變時,容易轉化為CO2,逸出到大氣中。如果通過水生植物的光合作用,消耗部分HCO3-、降低其濃度,將無機碳轉化為有機碳,可極大提高巖溶水體中碳遷移過程的穩定性。

五、中國特色的巖溶碳匯方案

全球有130個國家有巖溶分布。傳統地質觀念認為,地質物質循環的時間周期是百萬年尺度,而生物物質循環的時間尺度是百年-千年-萬年,因此,現代地球碳循環研究認為,地質過程無法產生短時間尺度的碳匯效應。

但自我國科學家牽頭開展IGCP379“巖溶作用于碳循環”(1995~1999)以來,經過30多年的努力,闡明了流域尺度巖溶碳循環過程,監測了碳循環過程中的源和匯。據預測,1999~2025年,中國森林碳匯通量為1.4億噸/年~1.5億噸/年,如果取1/2作為中國巖溶碳匯通量,則每年巖溶碳匯通量可達到0.70億噸~0.75億噸。中國巖溶碳循環調查研究的理論和技術可在巖溶分布廣泛的其他國家進行推廣,以便共同應對全球氣候變化。

(作者單位:中國地質調查局巖溶地質研究所 聯合國教科文組織國際巖溶研究中心)

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