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揭秘岩溶碳汇:永不停息的捕碳能手

来源:科普中国2024-07-03 09:43

  全球岩溶分布面积为2200万平方千米,占陆地面积的15%,全球碳酸盐岩风化溶解产生的碳汇通量为5.5亿吨/年,相当于全球森林碳汇通量的33%、土壤碳汇通量的70%。2019年11月,生态环境部发布《中国应对气候变化的政策与行动2019年报告》,在“增加碳汇”部分,将“自然资源部积极探索人工造林种草、土壤改良、外源水灌溉及水生植物培育等4种增加岩溶碳汇的方法”纳入其中。这意味着岩溶碳汇在实现应对气候变化、努力增加碳汇等目标中将发挥重要作用。

  想了解岩溶碳汇,我们应首先了解两个概念:碳汇和岩溶。所谓碳汇,是指通过植树造林、植被恢复等措施,吸收大气中的二氧化碳,从而减少温室气体在大气中浓度的过程、活动或机制。包括陆地生态系统碳汇、海洋碳汇和地质碳汇。岩溶,亦称喀斯特,是水对可溶岩(主要是碳酸盐岩)的化学溶蚀作用为主,伴随水的侵蚀、沉积作用,以及岩体的重力崩塌作用所形成的景观、现象及其作用过程的总称。其中,碳酸盐岩风化消耗大气中的二氧化碳被称为岩溶碳汇,岩溶碳汇属于地质碳汇,在此过程中,大气圈中的二氧化碳被不断移出,以HCO3-的形式进入到水圈,从而起到碳汇的效果。

揭秘岩溶碳汇:永不停息的捕碳能手

喀斯特地貌

  岩溶碳循环潜力巨大,但是循环过程却是悄无声息。碳酸盐岩是可溶岩,其风化溶解速率是硅酸盐岩的几十倍到百倍。通常情况下,雨水溶解大气和土壤中的二氧化碳,生成碳酸,随后碳酸溶解碳酸盐岩,生成含HCO3-和Ca2+的岩溶水体。在此过程中,大气圈的二氧化碳被不断移出,以HCO3-的形式进入到水圈中,起到了相应的碳汇效果。碳酸盐岩风化驱动无机碳循环产生的碳汇十分隐蔽,根本原因是碳酸盐岩在地质历史时期形成于温暖、见光、清洁的浅海环境中,其溶解过程也是通过清澈、透明的岩溶水展现的,因此,岩溶碳循环过程是静悄悄的。

揭秘岩溶碳汇:永不停息的捕碳能手

喀斯特形态--钟乳石

  流域尺度岩溶碳循环通常包括三部分:发生、迁移和转化,70%~80%的岩溶碳循环发生在浅表层的岩溶表层带,只有少部分发生在地下河和地下洞穴中。富含HCO3-的岩溶水在迁移过程中,在洞穴里,因为过饱和发生化学沉积(钟乳石形成),少部分HCO3-转化为二氧化碳逃逸到洞穴空气中,更多的HCO3-的随地下水的流动,以泉、地下河的形式流出地表,被携带到江河、湖泊和海洋中,部分碳会随着沉积作用沉入水底,这些高浓度无机碳含量的岩溶水,刺激水生植物进行光合作用,使部分无机碳转化为有机碳。

揭秘岩溶碳汇:永不停息的捕碳能手

喀斯特形态--钟乳石

  需要指出的是,岩溶碳循环发生的驱动力是水和二氧化碳,在不同气候类型下,温度、降雨条件、CO2浓度、植被覆盖率、土壤成分、地下空间等条件的不同,碳汇发生的强度存在差异性,在人为干预改变驱动力的情况下,岩溶碳汇还可以增加。

  我们可以通过植被恢复、土壤改良、外源水作用及增强水生植物的光合作用等方式来增加岩溶碳汇。第一,植被恢复。植被恢复可以增强土壤呼吸作用,提高土壤二氧化碳浓度,使得地下岩溶碳汇大幅度增加,同时也能使地表生物碳汇通量增加。第二,改良土壤。岩溶碳汇的碳主要来自土壤二氧化碳,人为改良土壤,可以增加土壤生物的活性、土壤孔隙度,增加土壤二氧化碳循环即可强化岩溶碳汇效应。第三,重视外源水的作用。来源于硅酸盐岩区的外源水具有很强的侵蚀力。典型流域监测结果显示,桂林毛村地下河流域,上游非岩溶区的水流经岩溶区后,岩溶水碳通量增加近10倍;漓江流域的监测结果显示,当小流域中碳酸盐岩分布面积在50%左右时,外源水对岩溶碳汇影响最大。第四,增强水生植物的光合作用。岩溶水中的碳酸氢根离子能给水下植物光合作用提供必需的碳,钙离子不仅是水生植物生长必须的矿物元素,同时能促进水生植物对无机碳的利用,岩溶水对水生植物产生“施肥效应”。水下植物光合作用消耗水中碳酸氢根离子,将其中的碳转化为稳定的有机碳,同时降低水中碳酸氢根离子的浓度,维持岩溶水体中的碳迁移过程的稳定性。

  我国岩溶地貌广泛分布,岩溶碳汇对我国实现“双碳”目标有重要意义。2021年10月,《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》、国务院《2030年前碳达峰行动方案》,提出了“积极推动岩溶碳汇开发利用”“开展岩溶碳汇本底调查”的碳汇能力巩固提升行动,岩溶碳汇作为实现“碳中和”的重要技术手段纳入国家“双碳行动”顶层设计。这将有助于充分发挥岩溶碳汇应对全球气候变化方面的潜在作用,为生态文明建设和可持续发展贡献重要力量。(文/韦延兰,中国地质科学院岩溶地质研究所助理研究员;王莉,中国地质图书馆副研究员;李文莉,中国地质科学院岩溶地质研究所副研究员)

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