研究生知识库

在全球碳循环中，探明遗失碳汇的去向是科学家们关注的热点内容。以往关于陆地残余碳汇的研究主要集中在土壤、植被碳库，而岩石圈作为陆地最大碳库，应该在全球碳循环的研究中得到更多的关注和重视。以往的研究多认为碳酸盐岩风化无法形成地质时间尺度（百万年以上）的长期碳汇，从而导致其在当代消耗大气CO2、调节气候变化中的重要意义被忽视。然而从岩石风化碳汇研究的现实意义及其最新研究进展来看，碳酸盐岩风化不仅速率较快，而且由于水生碳泵效应的发现，碳酸盐岩风化碳汇（岩溶碳汇）也可以在地质长时间尺度下贮存。研究岩溶碳汇的现实意义在于揭示其现代过程及控制机理，进而达到人为增汇、调控气候的目的。影响岩溶碳汇的因素主要有岩性、气候和土地利用，而岩性较为固定，因此阐释清楚在气候变化背景下岩溶碳汇的土地利用调控机制则可为岩溶石漠化治理过程中如何增加岩溶碳汇从而选择最佳土地利用类型提供科学依据。为避免天然岩溶流域边界模糊、流量难以测定以及土地利用混杂等问题，本研究选择在贵州普定沙湾水-碳通量模拟试验场开展观测研究。岩溶碳汇通量计算公式为：CSF = 0.5×[DIC]×RD其中[DIC]为溶解无机碳浓度，RD是流域的径流深，系数0.5是因为水体中只有一半的HCO3-来自于大气/土壤CO2。通过对模拟试验场5种不同土地利用类型（裸岩地、裸土地、农耕地、草地、灌丛地）下水文水化学参数（流量、入渗系数、pH、主要离子浓度等）及土壤CO2浓度进行连续两个水文年度（2015年09月-2017年08月）的高分辨率监测，结合室内实验测试数据及相关模型计算，对气候变化背景下岩溶碳汇的土地利用调控机制取得了创新性认识，具体如下：（1）对于有植被覆盖的土地利用类型（农耕地、草地、灌丛地），在夏秋季节由于植被根呼吸作用和土壤微生物活动增强，促进了土壤CO2 的产生，导致水体DIC浓度（[DIC]）升高；对于无植被覆盖的土地利用类型（裸岩地、裸土地），在夏秋季节土壤/岩石孔隙中的有机质分解，也促进了土壤CO2 的产生，并导致水体[DIC]升高。受土壤CO2浓度控制，年均[DIC]由高至低排列，依次为：草地、灌丛地、农耕地、裸土地、裸岩地。（2）对于年均径流深（RD），由高至低排列顺序则正好与年均[DIC]相反，依次为：裸岩地、裸土地、农耕地、灌丛地、草地。这是由于植被和土壤的覆盖，增加了对降水的截留以及对水分的利用，从而蒸散发量提高，后者导致了RD的下降。（3）根据前述岩溶碳汇通量计算公式，土地利用通过调控[DIC]和RD来综合调控岩溶碳汇通量，新定义的 “土地利用变化影响岩溶碳汇判别参数（LCIC）”可以被用来评价二者的综合影响。以裸岩地为基准，如果|LCIC| > 1，则说明土地利用类型变化造成的下伏岩溶水系统[DIC]升高起主导作用，会导致岩溶碳汇通量升高；如果|LCIC| < 1，则说明土地利用类型变化造成的下伏岩溶水系统RD降低起主导作用，会导致岩溶碳汇通量降低。（4）降水是控制岩溶碳汇产生的瓶颈，当降水不充足时，有植被覆盖的土地利用类型会造成RD大幅下降，抑制岩溶碳汇的产生；而当降水丰沛时，有植被覆盖的土地利用类型，植被生长状态越好，越能够提高水体[DIC]，促进岩溶碳汇的产生。同时岩溶作用对于调节气候变化，形成了一个重要的负反馈机制。即全球变暖带来温度升高、降雨增多的同时，会促进岩溶碳汇的形成，增加大气CO2消耗，从而抑制全球变暖进程。（5）基于上述调控机制，本研究构建了通过气温和降水估算不同土地利用类型下岩溶碳汇通量的数学模型。根据实际观测和模型计算结果，在丰水年，石漠化治理过程中的植被恢复有利于岩溶碳汇的增加，其中以草地为代表；在枯水年，植被恢复不利于岩溶碳汇的增加。本研究在方法层面有如下三点启示：（1）在类似普定沙湾水-碳通量模拟试验场开展此类控制性试验十分有助于岩溶碳汇的调控机制研究。（2）LCIC可以成为判断、预测土地利用变更造成岩溶碳汇通量改变方向的有效参数。（3）通过本研究构建的简化数学模型，可便捷估算在未来气候条件下不同土地利用的岩溶碳汇通量变率。据预测，到本世纪末，随着气温升高、降雨增加，如果对我国西南岩溶石漠化地进行植被恢复，使其变更为草地，则最高可增加岩溶碳汇约94%，达到81万吨左右。