巖溶地質碳匯的穩定性
——以貴州草海地質碳匯為例

張 強

中國地質科學院巖溶地質研究所, 國土資源部/廣西壯族自治區巖溶動力學重點實驗室,聯合國教科文組織國際巖溶研究中心, 廣西桂林 541004

巖溶地質碳匯的穩定性
——以貴州草海地質碳匯為例

張 強

中國地質科學院巖溶地質研究所, 國土資源部/廣西壯族自治區巖溶動力學重點實驗室,聯合國教科文組織國際巖溶研究中心, 廣西桂林 541004

近幾年來對巖溶碳匯的爭論越來越多, 其關鍵問題是巖溶作用產生的重碳酸根是否穩定。本文以貴州草海流域為研究區, 基于前人研究基礎, 以碳同位素模型計算出巖溶作用產生的DIC((Dissolved Inorganic Carbon溶解無機碳)中58.8%為草海中為水生植物利用, 草海地質碳匯量達588.67 tC/a。以此推算長江中下游湖泊沉水植物每年固碳量370602 tC/a, 長江中下游湖泊中僅沉水植物穩定的地質風化CO2匯量約為75萬噸。從而證明巖溶碳匯的相對穩定性和巖溶動力系統新理論的合理性。

地質碳匯; 穩定性; 草海; 水生植物; 碳同位素

由于 CO2等溫室氣體對環境的影響, 地球系統的碳循環成為全球變化的核心問題之一。碳循環是指碳在巖石圈、水圈、氣圈和生物圈之間, 以(以CaCO3、MgCO3為主)、、CO2、CH4、(CH2O)n(有機碳)等形式相互轉換和運移的過程。當前的研究是基于地圈、生物圈的相互作用(稱為International Geosphere Biosphere Program, 縮寫IGBP), 而對于各種地質作用(如活動斷裂帶及火山活動釋放 CO2、陸地風化作用回收碳、碳酸鹽巖變質釋放碳等)對全球碳循環的影響, 則未予足夠重視,甚至有所忽略(袁道先, 2011)。

盡管如此, 最近十多年來, 人類對地質作用碳循環特別是巖溶地質碳匯的基礎研究和交叉學科研究獲得許多新的認識, 對傳統認識提出了挑戰。新的研究表明巖溶地質作用是一種快速的碳匯過程, Science在2011年11月18日對中國地質科學院巖溶地質研究所的研究做了報道(Christina, 2011), 但是很快2012年2月10日, 美國地球化學專家Curl R L在Science對巖溶碳匯提出了質疑, 他認為巖溶地質作用是一個碳遷移過程, 而不是碳匯(Curl, 2012)。這也代表了很大一部分人的觀點, 認為巖溶地質過程是一個可逆的過程, 不存在一個匯, 溶蝕作用吸收 CO2氣體產生的重碳酸根不穩定, 很快就會由于脫氣作用釋放出 CO2, 即巖溶作用的穩定性問題。巖溶作用是否如Rane所說, 是一個不穩定過程？本文試圖對其回答。

1 巖溶地質碳匯穩定性

傳統的碳循環模型中把地質作用當做一種純無機的過程, 追根溯源最早是Berner(1983)提出的, 在此基礎上, 人們做了大量研究, 從無機地質過程出發, 認為在地質時間尺度上, 碳酸鹽化學風化并不產生凈碳匯。在短時間尺度上, 雖然碳酸鹽化學風化速率較硅酸鹽快, 但對碳循環影響很小。其實在Berner(1983)的文章中也提到了他的模型的局限性,事實上自然界中純無機的地質作用幾乎不存在, 生物化學過程似乎是更加準確的表述。快速的有機參與的地質過程對于短時間地質碳循環而言是有重要影響的, 有機碳沉積碳庫量并不是微不足道的, 這種碳的轉換通過風化過程中的氧化和沉積過程中的流失可以影響地質歷史時間尺度大氣 CO2水平(Garrels et al., 1976), 同樣, 生物過程也廣泛參與巖溶作用, 例如碳酸酐酶可以加速巖溶作用(劉再華, 2001)。最近的研究表明, 水生植物光合作用可以吸收利用重碳酸根、把重碳酸根固定在水生植物中(劉再華, 2012; 蔣忠誠, 2012; 章程, 2011b; De Montety et al., 2011; 王華等, 2011), 也基于此, 劉再華(2012)改進了傳統的巖溶動力系統(圖1)。

水生植物專家的研究也表明重碳酸根可以作為大型水生植物和藻類的無機碳源,可以經過載體蛋白主動進入藻體細胞內(的直接轉運),或者經膜外CA催化作用, 加快CO2的形成和提供速度(HCO3-的間接吸收)(岳國峰等, 2003)。

水生植物可以同時利用CO2或者參與光合作用, 二者的比例取決于 CA的活性和環境中無機碳存在的形式。在巖溶地區, 水體偏堿性、水體中無機碳以為主要形式, 巖溶區地下河中濃度可以常常高達 3～5 mmol/L, 巖溶區地表河流中濃度也達1～3 mmol/L, 在這種環境下水生植物光合作用更多地選擇利用, 而不是大氣中的 CO2。水生植物固定已經得到大多數專家的公認, 但是其利用率有多少還需要進一步研究, 如果有較高的利用率, 那么一方面可以進一步證明劉再華(2012)的改進模型、另一方面也可以說明巖溶碳匯的穩定性。

圖1 考慮水-巖-氣-生相互作用的巖溶動力系統(據劉再華, 2012)Fig.1 Karst dynamic system in consideration of water-rock-air-organisms (after LIU Zai-hua, 2012)

2 草海地質碳匯

草海位于貴州西部威縣境, 地理座標東經104°10′—104°25′, 北緯26°45′—27°00′。該區地處云貴高原海拔2170～2300 m的河源地帶。地質構造上位于北東向與北西向斷裂、褶皺的交接復合部位,區域地層巖性以下石炭統(C1)炭質頁巖和灰巖及上石炭統(C2)碳酸鹽巖為主。湖區外圍喀斯特地形廣泛分布, 高原地面起伏平緩。區內氣候屬山地溫暖帶濕潤季風氣候, 年平均氣溫10.2℃, 7月平均氣溫最高為17.7℃, 1月最低為1.9℃, 冬季長, 無夏季。年平均降雨量950.9 mm, 干濕季節明顯。5—10月為雨季, 其降雨量占全年的88%; 12月至次年3月為旱季, 降雨量僅占年降雨總量的5%。

圖2 草海流域水文簡圖Fig.2 Hhydrologic diagram of the Caohai Lake

根據草海自然保護區 1992年規劃調查資料(貴州省地質礦產勘查開發局, 2008), 現代草海湖沼面積枯水期為19.8 km2, 豐水期為26 km2, 湖盆匯水面積98.5 km2。湖沼盆底巖層傾角平緩, 以下石炭統(C1)下部炭質頁巖及灰巖為主的隔水巖層廣泛分布。但在草海盆緣斜坡及上游地區形成含水比較豐富的喀斯特裂隙含水層。地下水沿盆地邊緣及低洼地帶流出地表, 形成眾多的喀斯特泉。湖沼盆底為地下水的地方性排泄基準面, 是草海盆地水文地質單元中地下水集中排出地表的場所。根據1994年8月中旬久旱不雨時調查的泉流量概算, 每天總共有近似枯季流量的1.1萬m3地下水排入草海, 換句話說, 草海每年可獲得約 400萬 m3基流量補給(貴州地質礦產勘查開發局, 2008)。按該區多年平均降雨量 950.9 mm, 年徑流深 550 mm等參數綜合考慮,全區 98.5 km2年產水量為5417萬m3。草海豐水期水域面積26 km2, 按平均水深1.5 m計算, 其蓄水量為3900萬 m3; 枯水期水域面積 19.8 km2, 水深 1.2 m,蓄水量2376萬m3。

據保護區網站公布資料(劉國柱, 2010), 草海水體水化學性質見表1。

草海湖水具有巖溶水特點, 重碳酸根為主要陰離子, 濃度約108 mg/L, 以產水量5417萬m3計算,草海輸入溶解無機碳總量為1151 tC/a, 其中大氣輸入量僅35.6 tC(陳毅鳳, 2001), 草海湖泊系統中的無機碳主體為碳酸鹽風化產生的重碳酸根。

表1 草海水體基本水化學特征Table 1 Basic water chemical characteristics of the Caohai Lake

表2 草海水生植物生物量及同位素特征(據陳毅鳳, 2001; 張軍, 1995)Table 2 Aquatic plant biomass and isotope characteristics of the Caohai Lake (after CHEN, 2001; ZHANG, 1995)

陳毅鳳(2001)調查草海水生植物生物量以及張軍(1995)研究草海水生植物碳同位素特征見表2。

在草海水生植物光合作用中, 固定的無機碳一部分來源于 CO2, 一部分來源于 HCO3–, 兩者的比例多少可以利用簡單的二端元模型來計算:

其中 δT為被考察植物葉片的碳同位素值, δA為基本不利于碳酸氫根離子作無機碳源、碳酸酐酶活性極低的植物的葉片的δ13C值, δB為極少利用二氧化碳作碳源以碳酸氫根離子為主要無機碳源的微藻的δ13C值, fB為植物利用碳酸氫根離子占無機碳源比例。

該方法為吳沿友2011年的專利, 基本原理為重碳酸根參與光合作用的比例取決于碳酸酐酶活性,碳酸酐酶活性與環境相關, 碳酸酐酶活性與植物碳同位素值顯著正相關。在其文章中, 兩個端元分別為: 不利于碳酸氫根的懸鈴木葉片為–31.56‰, 極少利用二氧化碳的小球藻為–22.74‰, 碳酸酐酶對植物同位素分餾作用在8.82‰左右(吳沿友, 2011)。

在本研究區, 周圍植物多喀斯特植被, 貴州喀斯特山區植物葉片碳同位素變化范圍為–26.98‰ ～–29.15‰平均值為–28.14‰(楊成, 2007; 劉占成等, 2010; 楊濤等, 2005; 寧有豐等, 2005)。取兩個端元為–28.14‰ ～ –19.32‰, 據此計算水生植物吸收利用碳酸氫根離子占無機碳源的比重(表3)。

由數據可以看出, 沉水植物比值大于100%, 其原因是端元的選擇是存在偏差, 本研究擬定大于100%的視為100%, 小于0的視為0。由此計算草海水 生 植 物 吸 收 利 用 重 碳 酸 根 碳 總 量 達到677.33 tC/a(見表4), 占草海輸入的無機碳總量為1151 tC/a的58.8%。其余溶解無機碳則存留于湖水中(約500 tC/a)或者脫氣。該結果與前人的計算結果類似: 桂林丫吉泉碳酸氫根 70%以上被水生藻類光合作用固定(Liu et al., 2008), 增江懸移質中的有機碳以水生藻類(內源碳)的貢獻為主(＞70%)(陶貞, 2004)。由此可見地質風化作用產生的重碳酸根并沒有人們想象中的那么不穩定。60%～70%的重碳酸根可以被水生植物光合作用固定下來, 再加上水體中存留的溶解態無機碳, 由于脫氣作用造成的不穩定性碳酸氫根離子所占比重可能不大。

表3 草海水生植物利用碳酸氫根離子占無機碳源的比重Table 3 Bicarbonate utilization capacity among some plants species in the Caohai Lake

表4 草海水生植物固定重碳酸根碳量Table 4 Aquatic plants fixed carbon from bicarbonate in the Caohai Lake

草海流域補給區多為巖溶區, 其水體中碳酸氫根主要來源于巖溶作用。假設重碳酸根中碳一半源于大氣, 一半源于碳酸鹽。據此可以計算出草海流域每年地質碳匯量(溶蝕回收大氣 CO2碳量)中固定于水生植物中的碳可以達到 338.67 tC/a, 存留于水體中的碳達到 250 tC/a, 則草海流域比較穩定的巖溶碳匯量可以達到588.67 tC/a。

3 長江流域中下游湖泊地質碳匯

長江是我國第一大河, 流域面積180萬km2, 約占中國國土面積的1/5, 分布著數千個湖泊, 全流域湖泊總面積達到1.52萬km2, 接近全國湖泊總面積的1/5。長江中下游流域是中國淡水湖泊分布最集中的地區。全國五大淡水湖泊除洪澤湖外, 其余均在這個區域。目前本區湖泊總面積達1.41萬km2, 約占長江流域湖泊總面積的 93%, 約占全國湖泊總面積的15%(趙濟等, 1999)。除少數大型湖泊如鄱陽湖、洞庭湖、太湖、巢湖外, 大部分湖泊是中型湖泊(面積在 100～500 km2), 和小型湖泊(面積小于100 km2)。

王海軍等(2007)于2001年12月至2007年4月,調查了46個中小淺水湖泊, 總面積1600 km2, 沉水植物生物量(鮮重)831 g/m2。則總生物量(鮮重)可以達到 133萬 t/a, 按照烘濕比 7.68%, 水生植物平均含碳量49.7%計算, 固碳量達到50765 tC/a。

洞庭湖面積3927 km2, 水生植被固碳強度平均達到2.694 t/hm2(康文星, 2009), 則總固碳量可以達到166743 tC/a。

鄱陽湖面積 3027 km2, 沉水植物生物量(鮮重)2008 g/m2, 則總生物量(鮮重)可以達到380萬t/a(李仁東等, 2001)。按照烘濕比7.68%, 水生植物平均含碳量 49.7%計算, 固碳量達到145044 tC/a。

太湖面積2338 km2, 東太湖沉水植物平均生物量689 g/m2, 年生物量15.72萬t/a, 西太湖沉水植物生物量400～3322 g/m2, 年生物量4.98萬t/a(鮑建平等, 1991)。太湖沉水植物年產量20.7萬t/a。按照烘濕比7.68%, 水生植物平均含碳量49.7%計算, 固碳量約7901 tC/a。

巢湖面積 770 km2, 沉水植物總生物量3910.8 t(盧心固, 1984), 按照烘濕比7.68%, 水生植物平均含碳量49.7%計算, 固碳量約149 tC/a。

依據前人研究成果推算, 長江中下游湖泊沉水植物固碳總量可以達到370602 tC/a, 按照本文草海的研究結果, 沉水植物光合作用無機碳源全部是重碳酸根, 長江中下游湖泊沉水植物固定重碳酸根碳量即為 370602 tC/a。據前人研究, 長江河水中的平均濃度為1.63 mo1/m3, 其中碳酸鹽本身風化溶解貢獻約45%的, 55%的是在巖石風化作用消耗的大氣CO2(李晶瑩等, 2003), 則長江中下游湖泊中僅沉水植物固定的地質風化CO2匯量約為75萬噸。

4 結論

草海流域每年 DIC產出量為 1151 tC/a, 其中58.8%(677.33 tC/a)固定于水生植物。草海流域相對比較穩定的地質碳匯量達到 588.67 tC/a。其中338.67 tC/a通過光合作用轉化為有機碳, 以此推算長江中下游湖泊沉水植物每年固碳量 370602 tC/a,長江中下游湖泊中僅沉水植物固定的地質風化 CO2匯量約為75萬噸。由此可見巖溶溶蝕過程產生的重碳酸根并非傳統意義上的不穩定體, 其可以轉換為相對比較穩定的有機質, 這也用野外實際數據證明的巖溶碳匯的穩定性, 說明了劉再華(2012)改進后的巖溶動力系統的合理性。我國巖溶面積超過300萬km2, 占國土面積近三分之一, 由于巖溶過程產生的地質碳匯量相當可觀。其中在新的巖溶動力系統指導下, 重新計算巖溶碳匯量, 其數量將大大增加, 其意義也十分重大。

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The Stability of Carbon Sink Effect related to Carbonate Rock Dissolution: A Case Study of the Caohai Lake Geological Carbon Sink

ZHANG Qiang
Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Karst Dynanics Laboratory, Ministry of Land and Resources/Guangxi Zhuang Autonomous Region, The International Research Center on Karst under the Auspices of UNESCO, Guilin, Guangxi 541004

In recent years, there have been more and more debates concerning karst carbon sink or source, and the key problem is weather the bicarbonate from carbonate rock dissolution is stable.With the Caohai Lake basin as the study area, on the basis of previous researches, and by utilizing the carbon isotope model, the authors conducted studies and found that 58.8% of bicarbonate is utilized by aquatic plants.The Caohai basin geological carbon sink amount is 588.67 tC/a.Submerged plants of lakes along the middle and lower reaches of the Yangtze River can fix 370602 tC/a of carbon, and this means that every year 750000 tons of CO2from geological weathering will be stabilized by submerged plants.So carbon sink effect related to carbonate rock dissolution is quite stable and the new karst dynamic system is rational.

geological carbon sink; stability; Caohai Lake; aquatic plants; carbon isotope

P597.2; P931.1

A

10.3975/cagsb.2012.06.14

本文由中國地質調查局地質調查項目“地質碳匯潛力綜合研究”(編號: 1212011087119)和中國地質科學院基本科研業務費項目(編號: 2010-SYS-15)聯合資助。

2012-09-05; 改回日期: 2012-10-10。責任編輯: 張改俠。

張強, 男, 1982年生。助理研究員。主要從事巖溶環境研究。通訊地址: 541004, 廣西省桂林市七星路50號。E-mail: zhangq198203@163.com。