流域尺度巖溶碳循環(huán)過程
——“巖溶作用與碳中和”專欄特邀主編寄語

李 強(qiáng)

中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 自然資源部/廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室,自然資源部巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點實驗室, 廣西桂林 541004;聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心, 廣西桂林 541004

1 流域尺度巖溶碳匯效應(yīng)

巖溶作用是在碳循環(huán)及與其相耦聯(lián)的水循環(huán)、鈣循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)生的碳酸鹽巖溶蝕或沉積(袁道先,1999)。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為, 巖溶作用耦聯(lián)的碳循環(huán)是中長時間尺度作用的結(jié)果, 對人類歷史的碳減排意義不大, 并且只導(dǎo)致碳轉(zhuǎn)移, 沒有固碳效果(Curl,2012)。然而, 在具有明顯邊界的流域內(nèi), 通過追蹤碳酸鹽巖風(fēng)化, 大氣二氧化碳在遷移過程中的輸入、輸出和形態(tài)轉(zhuǎn)化, 可闡明巖溶流域中碳元素由無機(jī)碳變?yōu)橛袡C(jī)碳, 再變?yōu)槎栊杂袡C(jī)碳的遷移轉(zhuǎn)化過程, 進(jìn)而回應(yīng)國際上針對“碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化碳匯穩(wěn)定性”的質(zhì)疑(黃芬等, 2014; Liu et al., 2018)。

本專欄中, 張勇等(2022)通過測定西江主要干、支流豐水期及枯水期水體主要離子和鍶及其同位素比值, 結(jié)合Galy模型計算了西江流域化學(xué)風(fēng)化特征及CO2消耗通量, 認(rèn)為碳酸風(fēng)化碳酸鹽巖在豐水期和枯水期所消耗的 CO2通量分別為(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, 人類活動產(chǎn)生的硫酸及硝酸也廣泛參與流域碳酸鹽巖的風(fēng)化并顯著增加水體中(Zhang et al., 2020)。這些外源酸溶蝕碳酸鹽巖增加含量的過程并不消耗大氣或土壤 CO2。杜文越等(2022)發(fā)現(xiàn)在漓江流域,硫酸和硝酸的參與可提高巖石風(fēng)化速率, 以至于各支流碳酸鹽巖風(fēng)化速率比僅有碳酸風(fēng)化時提高約13%, 但硫酸和硝酸風(fēng)化產(chǎn)生的不作為碳匯項, 因此估算流域碳匯通量時需扣除。浮游光合生物可以利用巖溶水體中的作為碳源進(jìn)行光合作用, 并將其轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)碳沉降。除顆粒有機(jī)碳外, 溶解有機(jī)碳也是水體有機(jī)碳存在的主要形式,其中 95%是“生物難以降解”的惰性溶解有機(jī)碳(RDOC, Recalcitrant Dissolved Organic Carbon), 可以在深層水體中保存數(shù)千年, 形成長期碳儲, 在全球碳循環(huán)中起到重要作用(李強(qiáng)等, 2018)。何若雪等(2022)的研究結(jié)果表明流域內(nèi)RDOC受生物效應(yīng)和水體理化性質(zhì)共同影響, 異養(yǎng)細(xì)菌是流域內(nèi) RDOC的主要貢獻(xiàn)者, 同時浮游生物產(chǎn)生的內(nèi)源有機(jī)碳對RDOC形成具有促進(jìn)作用。

2 巖溶碳匯的穩(wěn)定性機(jī)制

針對一個特定的流域, 巖溶碳循環(huán)的驅(qū)動力主要為CO2和H2O, 其碳循環(huán)的強(qiáng)度及碳匯效應(yīng)還受到流域內(nèi)氣候要素和生物要素等要素的影響(黃芬等, 2014; Liu et al., 2018)。

降雨是氣候要素中影響碳酸鹽巖溶蝕過程中最為重要的因素。pH小于5.6的雨水即為酸雨, 但酸雨在碳酸鹽巖溶蝕中的作用與碳循環(huán)的關(guān)系并不明確(Lang et al., 2011)。黃奇波等(2022)通過定位觀測發(fā)現(xiàn)石灰土壤對大氣酸沉降具有較好的緩沖能力,這是因為酸雨成分并沒有穿透土壤層進(jìn)入巖溶含水層, 進(jìn)而沒有產(chǎn)生減碳匯效應(yīng), 以至于前期的研究高估了酸雨的減匯效應(yīng)。

生物對碳酸鹽巖溶蝕起到強(qiáng)烈的促進(jìn)作用。在半干旱區(qū), 碳酸鹽溶蝕率與土壤CO2濃度、土壤溫度和土壤含水量任何單一因素?zé)o相關(guān)性, 而與三者匹配性有較好的對應(yīng)關(guān)系, 與濕潤區(qū)明顯不同(侯滿福等, 2022)。此外, 植被演替通過增強(qiáng)對溶蝕環(huán)境因子匹配性的調(diào)控能力, 進(jìn)一步促進(jìn)碳酸鹽巖的溶蝕。

在水-二氧化碳-碳酸鹽巖-生物的相互作用下形成的巖溶碳匯, 部分能夠以土壤有機(jī)碳的形式固存(李強(qiáng), 2022)。凋落物是土壤有機(jī)碳形成、穩(wěn)定和周轉(zhuǎn)的重要影響因子, 因此森林凋落物分解對森林土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡具有重要的作用。李雨菲等(2022)利用弄崗國家級自然保護(hù)區(qū)建立的15 ha森林動態(tài)監(jiān)測樣地發(fā)現(xiàn)桂西南巖溶季節(jié)性雨林凋落葉分解速率低于亞熱帶常綠落葉闊葉混交林。凋落葉的分解受微環(huán)境因子影響, 其中海拔引起的溫度和濕度的差異是影響巖溶季節(jié)性雨林凋落葉分解速率和C、N含量變化的主要因素。

鑒于微生物是影響巖溶土壤碳庫分配、更新及其維持的驅(qū)動者, 沈育伊等(2022)發(fā)現(xiàn)土壤叢枝菌根真菌分泌的球囊霉素相關(guān)土壤蛋白在會仙巖溶濕地不同土層中的含量為1.08～3.35 mg/g, 占土壤有機(jī)碳的 12.33%～19.73%, 進(jìn)而對巖溶濕地土壤碳封存有重要的貢獻(xiàn)。生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)是地球系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動中最核心的生態(tài)系統(tǒng)過程,因此, 氮對陸地碳儲量變化有重要的控制作用(美國科學(xué)院國家科學(xué)研究理事會, 2014)。添加生物炭可降低巖溶區(qū)臍橙園土壤 N2O的平均排放速率和累積排放量(岳鵬鵬等, 2022), 進(jìn)而影響巖溶土壤碳庫的動態(tài)變化和巖溶碳匯能力的提升。由此可見,為支持國家碳中和政策戰(zhàn)略, 揭示碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯機(jī)理, 開展流域尺度上的“巖溶作用與碳中和”研究工作十分必要。

3 感謝

本專欄的出版得到了《地球?qū)W報》編輯部和評審專家的大力支持, 并且編輯部和評審專家付出了大量的辛勤勞動。在此表示衷心感謝。

二〇二二年四月二十九日于桂林