我國巖溶地區碳匯研究進展與展望

蔣忠誠 ，章 程 ，羅為群 ，肖 瓊 ，吳澤燕

（1. 中國地質科學院巖溶地質研究所, 廣西 桂林 541004；2. 自然資源部、廣西巖溶動力學重點實驗室,廣西 桂林 541004；3. 自然資源部巖溶生態系統與石漠化治理重點實驗室, 廣西 桂林 541004）

0 引 言

20 世紀90 年代初，基于地球系統科學思想，袁道先[1]提出了從四大圈層相互作用角度來研究巖溶形成的思路，由此推動了IGCP299 “地質、氣候、水文與巖溶形成”（1990-1994）項目的實施，并創建了巖溶動力學理論[2]。而巖溶動力系統的四大功能，明確揭示巖溶作用對碳循環具有驅動作用[3]，由此推動了IGCP379 “巖溶作用與碳循環”（1995-1999）項目實施及巖溶碳匯的持續研究[4-8]。中國巖溶面積346萬km2,是世界上的巖溶大國，巖溶作用強烈、巖溶地貌典型,巖溶碳匯潛力巨大[9-10]。30 多年來，包括巖溶作用與碳循環在內的很多巖溶研究成果居國際領先水平[11-12]。究其原因，一是歸功于新中國的快速發展，二是在巖溶動力學理論的指導下巖溶研究團隊建設及研究能力迅速提升。

為實現“2030 年前碳達峰，2060 實現碳中和”總體發展目標，2021 年, 我國出臺了《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《國務院2030 年前碳達峰行動方案》兩個重要文件，巖溶碳匯被列入這兩個文件中重要的匯項，為巖溶碳匯深入研究與固碳增匯工程實踐帶來巨大的機遇。但是，目前我國的巖溶碳匯評價主要反映的是碳-水-鈣-生物四圈層自然循環過程的結果，全國年巖溶作用產生大氣二氧化碳匯僅約5 000 萬t,其中河流溶解無機碳約3 700 萬t[13]，河流水生生物固定的內源有機碳為水體無機碳20%左右，水體沉積物的有機碳為水體無機碳10%左右[8，14]。而且，巖溶碳匯量隨環境而變化，巖溶碳匯的穩定性被質疑[15]。巖溶碳匯與其他生態過程碳匯的相關性以及人類如何干預巖溶碳匯的研究成果較少,不足以支撐巖溶地區碳中和工程，需要進一步發掘巖溶碳匯潛力與增匯途徑，才能有效服務國家“雙碳”目標。為此，本文通過梳理前期巖溶地區碳匯調查研究進展，堅定人們對巖溶地區碳匯重要性的認識，提出發掘巖溶地區碳匯潛力及技術的新理念和研究方向，為拓展巖溶碳匯研究思路和固碳增匯途徑提供借鑒。

1 巖溶碳匯的原理與機制

1.1 巖溶碳匯原理及過程模式

巖溶碳匯由巖溶動力系統的碳-水-鈣-生物相互作用所產生并得到固定，由可溶巖（主要是碳酸鹽巖）的巖石溶解過程驅動，使二氧化碳（來自大氣圈和生物圈）向水圈遷移和轉化[15-17]，具體表現為：碳酸鈣在二氧化碳和水流作用下發生化學反應，形成重碳酸根和鈣離子：CaCO3+H2O+CO2≒ Ca2++2HCO3-。

在碳-水-鈣循環產生巖溶碳匯的基礎上，劉再華等[18]提出了基于流域的二氧化碳-水-鈣-水生光合生物相互作用的碳酸鹽風化碳匯模式，拓展了通過水生光合作用的巖溶碳匯過程：Ca2++2HCO3-→CaCO3↓+x(H2O+CO2↑ +CO1-x)(CH2O↓+O2),揭示了流域系統巖溶碳匯的穩定性機制。 上述化學反應和生物過程可不斷消耗大氣中的二氧化碳并轉化為水體中的重碳酸根離子，從而降低大氣中的二氧化碳，以水中無機碳的形式進入到河流、湖泊和海洋，然后被水生植物所固定。由于碳酸鹽巖的化學風化速率（巖溶作用）非?？?，在1 h 內就能達到水流溶蝕飽和或過飽和狀態[18]，而且，大氣二氧化碳濃度越高，巖溶作用越強，產生的巖溶碳匯量越大[19]，所以巖溶碳匯對于調節大氣二氧化碳濃度具有重要意義。

近年來的深入研究揭示，巖溶作用不但能夠產生巖溶碳匯，而且可以通過形成特殊的巖溶生態系統,拓展碳循環途徑[20-25],增加流域尺度巖溶碳匯通量[26]。由此,可提煉形成由六種碳循環過程構成的巖溶地區特有的碳循環過程模式（圖1）。六種碳循環過程中均有源匯途徑（表1），在目前條件下，巖溶空間、巖溶水系統、巖溶土壤系統、巖溶植物系統4 種碳循環過程均能夠實現碳匯效應，巖溶沉積物及巖溶區人類活動2 種碳循環過程雖然是源大于匯，但通過巖溶技術研究，碳匯潛力也很大，因此，巖溶碳匯的潛力與穩定性機制可通過巖溶生態重建和巖溶生態技術的創新而得到大大加強。

表1 流域尺度巖溶系統碳循環過程及其碳源匯效應Table 1 Carbon cycle process and carbon source sink effect of karst system at watershed scale

1.2 巖溶碳匯的穩定性及對質疑者的答復

如果僅考慮巖溶作用過程的碳水鈣循環，形成的水體無機碳的確存在不穩定性問題，主要原因有三：一是碳酸鈣過飽和的水體，隨著鈣華沉積，導致二氧化碳釋放[27-28]；三是隨著水體中水溫、pH 等物理化學條件的改變產生二氧化碳、甲烷等脫氣作用[29-31]；三是水體生物或微生物活動導致水體無機碳的轉化，包括促進水生生物光合作用，形成水體顆粒有機碳和惰性有機碳[32-36]。但是，水體無機碳的不穩定，不代表巖溶作用只造成碳轉移，沒有碳匯形成，這種錯誤認識，嚴重影響了社會各界對巖溶碳匯重要性的認可，必須加以澄清。第一種情況是造成錯覺的主要根源，由于巖溶水會產生鈣華沉積，就被人誤認為巖溶作用在上游發生溶蝕吸收二氧化碳，在下游通過化學沉積就產生碳排放，巖溶作用就只促進碳轉移，而不能形成碳匯[15]。實事上過飽和水體主要發生在植被土壤覆蓋下有壓狀態的巖溶地下水中,當水流流至洞穴或巖溶泉口會排放過飽和的二氧化碳[37-39]，但在地表河流、湖泊甚至海洋中，水體中的無機碳量一直保持與大氣二氧化碳平衡狀態，不會發生二氧化碳完全釋放，而巖溶無機碳匯的計算從來都是基于這部分與大氣平衡的碳通量[40-44]。第二種情況是流域水系統碳-水-鈣循環正常的表生地球化學過程，而且研究表明，水體最大的二氧化碳排放量不足無機碳的10%[45-46]，實際上也是碳-水-鈣平衡的結果。第3 種情況，也反映了巖溶作用不僅促進碳轉移，而且在碳轉移過程中存在固定機制，這種水生生物將水體無機碳為有機碳的機制，不但存在于陸地水體中[17,32-36,47-48]，也發生于海洋。所有入海的陸地無機碳多數被海洋生物固定[49]。由此，巖溶作用不但能夠促進碳轉移，也產生碳匯，而且還有使巖溶碳匯穩定的系列機制[50-51]，巖溶碳匯作為大氣二氧化碳去除的重要作用列入了IPCC 第五次報告[52]。

1.3 巖溶碳匯的內涵、拓展與外延

到目前為止，巖溶碳匯還沒有明確的定義。20世紀末，巖溶碳匯主要是指碳酸鹽巖化學風化碳匯，具體碳匯量計算主要考慮碳酸鹽巖巖石化學風化吸收的大氣二氧化碳產生的水體無機碳[2-10]。21 世紀巖溶碳匯有拓展，除了河流排泄的無機碳之外，還包括流域內通過生物（微生物+水生生物）使無機碳轉化的有機碳[8,14,30-36]，但巖溶碳匯的計算主要以流域為單元，但仍然局限于水系統范圍，而且還對外源酸及水化學成分的影響進行深入的研究[53-55]。近年來，研究發現，巖溶地區的植被恢復具有重大的碳匯效應[56-58]，但植物碳匯與巖溶過程有什么關系還沒有開展系統的研究，但很多現象表明，如果沒有巖溶作用，巖石很難長樹，植物根系很難深展到地下深處。而且，巖溶地區還存在與巖溶作用密切相關的植物特殊的光合作用機制[59]，通過巖溶無機碳促進植物的生長和有機碳的積累。巖溶土壤內部有自己獨特的水文地球化學和生物地球化學機制，不但可以產生碳酸鈣沉積，還可以形成比非巖溶地區更高濃度的有機質和有機碳[60-63,22]。 此外，巖溶作用形成的洞穴、地下河巖溶管道等地下空間可以富集高濃度的CO2[64-66]， 并為二氧化碳的地質封存提供了有利空間條件。

因此，在雙碳目標下，不能再局限于從水循環角度的調查研究巖溶碳匯，應當有更開闊的視野，從地球系統科學角度，至少是從地球關鍵帶的尺度，從四大圈層的碳循環角度深入發掘巖溶作用產生的碳轉移及其固碳增匯的潛力和途徑[67-68]，尤其要重視碳匯潛力巨大的巖溶生態系統（包括地上和地下）和巖溶土壤系統的碳匯研究。

2 巖溶地區碳匯的人工干預

雖然自然條件下巖溶作用可以產生碳匯，但量級相對較低，離滿足國家“雙碳”目標的要求差距較大。但從上述分析討論中可以看出，巖溶作用開拓了多個方面的碳循環路徑，尤其是我國巖溶面積遼闊，巖溶作用強度大，為發掘巖溶地區固碳增匯的潛力提供了極為有利的條件。生態環境部發布的《中國應對氣候變化的政策與行動2019 年報告》中提出，“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”，這對于開拓巖溶碳匯研究思路具有非常重要的積極意義[69]。然而，最近的研究表明，4 種措施中，人工造林種草措施需要進一步聚焦，才能取得更好的固碳增匯效果；土壤改良的目標和措施有待進一步明確，才能發揮更大的固碳增匯潛力；外源水灌溉措施必須有跨流域調水的理念或工程措施才能真正實現增匯效應，因為在一個流域內巖溶作用是全覆蓋的，無論是巖溶地區還是非巖溶地區均有化學風化作用[70-71]，無論是上游的外源水還是下游的巖溶水，最后在流域出口水流均達到碳-水-鈣平衡態，流域內區分外源水和內源水，有助于分析巖溶過程及其時空差異，而對于流域巖溶碳匯量的計算沒有實際意義；水生植物培育措施如何快速形成顯著的固碳增匯效應還有待進一步研究。因此，巖溶碳匯的人工干預措施和技術需要進一步研究，而且，為了國家“雙碳”目標的實現，巖溶碳匯必須拓展到巖溶地區的碳匯，加強巖溶碳匯與巖溶地區其他碳匯潛力的結合研究，進一步開辟巖溶地區固碳增匯的人工干預技術途徑。

2.1 石漠化綜合治理

石漠化綜合治理是巖溶地區重要的國家生態工程,自本世紀初石漠化治理工程實施以來,不但有效推動了西南巖溶地區的石漠化治理與生態修復,同時也取得了巨大的固碳增匯效應,西南巖溶地區的固碳增匯貢獻在全球具有領先地位[58]。石漠化綜合治理的碳匯效應包括三個方面,植被碳匯、土壤碳匯和巖溶碳匯[71-72]。雖然西南巖溶石漠化治理區植被碳匯的研究已經形成較多成果和較大影響[56-58,73-74]，但石漠化治理產生的地下植物根系碳匯效應還缺乏研究。石漠化治理的土壤碳匯和巖溶碳匯的研究還處于探索階段，但典型地區的研究結果表明，石漠化治理的土壤碳匯量遠大于植被碳匯[75-77]，可是沒有在整個西南巖溶地區開展研究。石漠化治理的巖溶碳匯也是明顯的,如打狗河流域兩岸,植被覆蓋率好的地區，其地下河的巖溶碳匯比石漠化地區的地下河高十倍以上[78]。巖溶地區碳循環地質調查表明，西南地區“十一五”期間的石漠化治理工程，增加當地流域1 000萬t CO2的巖溶碳匯[79],但這部分巖溶碳匯如何有效固定和利用目前還缺乏研究。由此可見, 西南巖溶石漠化治理在植被碳匯、土壤碳匯和巖溶碳匯三方面均取得了顯著效果，但研究程度還不夠，具有巨大碳匯潛力的固碳增匯示范工程亟需開展試驗示范。

2.2 巖溶土壤改良

巖溶地區的森林土壤有機質和有機碳非常豐富，表層土壤有機質含量可達20%，下部土壤也可達2%～8%，均為非巖溶地區的2 倍左右[80-81]。但在巖溶石漠化區，土壤層瘠薄，厚度多在50cm 以下，且經常為裸巖所間隔呈不連續狀分布，而土壤有機碳含量很低，常在2%以下[75-76]。除了巖溶土壤退耕和通過植被恢復可增加土壤有機碳含量措施外[82], 巖溶區土壤改良也可大幅度增加土壤有機質，形成土壤碳匯，同時還可促進巖溶碳匯。研究表明，秸稈還田、施有機肥和免耕措施，可增加土壤有機碳 50 t·km-2a-1以上[83]。在廣西平果縣果化生態修復示范區通過使用淤泥、有機肥、秸稈等方式進行的土壤改良試驗結果表明，利用池塘淤泥進行巖溶土壤改良的效果較好,不但增加土壤有機碳80 t·km-2a-1，而且增加巖溶碳匯1.93～2.70 t·km-2a-1[84]。但是，巖溶土壤改良增匯研究與試驗工作還很薄弱，巖溶土壤增匯的機理、土壤碳匯評價方法和土壤管理及改良技術均有待深入研究。業也證明，土地利用方式調整及土壤改良能夠產生可觀的巖溶碳匯潛力[85-87]，但這部分巖溶碳匯如何固定和有效利用？有待進一步深入研究和技術創新。

2.3 水生生物固碳

近年來對巖溶區溪流、河流、湖泊、水庫水體的物理化學指標和穩定同位素高分辨率的監測結果表明，這些巖溶水體的水生生物通過光合作用形成生物碳泵效應[31-36,88-90]，而巖溶水的高濃度溶解無機碳對水生生物生長起著施肥作用[14,91]。水生植物的生物碳泵作用不僅促進無機碳向有機碳的轉化，而且減少了水氣界面的CO2向大氣排放[45-46,92]。通過水體生物碳泵作用,不但能夠產生相當于水體無機碳30%左右的內源有機碳[8,14,93],而且為水體沉積物提供有機碳源，產生水體沉積物碳匯[14,94]。進一步研究表明,通過水體好氧不產氧細菌等微生物作用可使水體有機碳固定為惰性有機碳，增強碳匯的穩定性。

作為水生生物固碳的人工干預措施還沒有實施。目前的相關研究主要聚焦于水生植物的選擇，以提高水體無機碳（HCO3-）向有機碳轉化的效率[8,95]。調查發現,巖溶地下河出口的水生植物種類非常豐富，具有海菜花、黑藻、苦草、竹葉眼子菜、狐尾藻等優勢種,其中竹葉眼子菜的固碳能力相對較大[96-97]。而巖溶濕地以華克拉沙的固碳能力最大[8]。但這些研究結果如何用于人工干預工程,在可操作性與經濟可行性等方面缺乏論證，有待進一步探索?？傮w說來，水生生物培育和繁殖應與水環境污染治理結合起來，既有利于凈化水體環境，又有利于水生生物固碳，以增強經濟上的可行性。此外，水生生物固碳增匯速率和效率如何提高？則是需要解決的關鍵技術問題。

2.4 加速巖溶過程的碳酸酐酶增匯技術

研究發現，作為一種生物酶，碳酸酐酶（CA）廣泛存在于巖溶區植物、土壤和水環境中，將其收集利用，進行碳酸酐酶施肥可加速巖溶作用及生物固碳作用[98-99]。試驗研究表明，利用碳酸酐酶施肥增匯效果可提高1 個數量級[100-102]。因此,碳酸酐酶技術通過加速巖溶過程在石漠化治理、土壤改良、水生生物培育的固碳增匯中有廣闊的應用前景。目前,如何實施工廠煙塵的碳減排成為新的研究熱點,如何利用巖溶過程于碳減排是前沿技術研發領域，其中的技術難點是在煙塵排放過程中加速碳-水-鈣反應過程，以更大程度捕捉煙塵中的二氧化碳成分，對此，利用碳酸酐酶技術可發揮重要作用。

3 展 望

3.1 巖溶流域的碳循環調查研究與監測

巖溶流域的6 種碳循環過程還沒有展開，因此，必須加強巖溶流域的碳循環基礎研究。首先，開展不同生態類型巖溶流域碳循環調查，以巖溶地區碳匯潛力大和碳排放問題比較突出的流域重點，以“地質作用-生態過程-人類活動”耦合系統碳收支現狀和潛力為目標，查明流域內在巖溶地質系統、不同類型生態系統、人類生產生活活動過程的二氧化碳釋放項和吸收項及其影響因素，查明碳排放條件下流域無機-有機碳的循環過程及碳匯潛力。其次，開展流域尺度6 種碳循環過程研究，在建立不同類型巖溶流域大氣-降水-植被-土壤-洞穴及管道-巖溶水全鏈條碳循環過程模型的基礎上，深化四大圈層界面碳循環過程研究，尤其是大氣-巖溶水-植被系統碳循環、大氣-植物-土壤系統碳循環、大氣-巖溶水-水生植物系統碳循環過程及其影響因素研究，為發掘巖溶地區碳匯潛力和固碳增匯技術提供科學依據。第三，利用先進的自動化監測儀器，開展6 種碳循環過程及其影響因素監測，在我國重點巖溶區面上遙感監測及前期碳循環監測站建設的基礎上，建立完善我國典型巖溶流域碳循環長期監測網，監測巖溶流域6 種碳循環過程及其影響因素的野外高分辨率在線監測體系，監測碳排放條件下6 種碳循環過程的不同碳形態的時空動態及其生態環境變化，揭示不同碳排放強度下的巖溶地區碳循環過程響應過程、源匯動態變化規律及其對生態環境的影響。第四，利用信息技術，建立巖溶流域碳循環及碳收支數據庫及信息系統，融合國土空間基本單元信息，構建服務國土空間規劃和生態修復的巖溶流域碳中和調控決策大數據和管控平臺。

3.2 巖溶流域碳匯評估體系構建

通過流域大氣二氧化碳濃度、巖溶作用強度、有效降雨量等區域指標，探索流域碳-水-鈣平衡的巖溶碳匯評價方法，以增強巖溶碳匯評估模型的普適性和可考核性。在調查監測的基礎上，探索不同類型巖溶流域植被（地上、地下）碳匯、土壤（無機、有機）碳匯、水體有機碳碳匯、洞穴空氣二氧化碳匯的評價方法，取得巖溶碳匯評價的科技創新，為全面把握巖溶流域的碳匯和進一步發掘巖溶碳匯潛力提供科技支撐。巖溶流域類型多樣、地表地下空間結構復雜，碳循環過程交叉重復，建立公認的巖溶流域碳匯評價模型難度較大，因此，雖然巖溶流域碳匯評估體系構建前景廣闊，但任重道遠，需要國家和社會的大力支持，設立多學科交叉研究專項，才能盡快取新得技術突破。

3.3 固碳增匯顛覆性技術研發與試驗示范

巖溶地區碳匯潛力巨大，但人工干預措施尚未展開實施，需要加大力度開展巖溶地區固碳增匯技術的探索和研發。其中，有的技術已有研究基礎，如石漠化生態修復固碳技術、巖溶植被篩選固碳技術、巖溶土壤改良固碳技術、巖溶水生植物選擇和培育技術等；而有些方面的技術還沒有開展研究，但他們可能是顛覆性技術，如煙塵二氧化碳的巖溶作用快速固定技術，巖溶碳匯的土壤和植被固定與轉化技術，巖溶空間地下植物根系培植固碳技術等。

固碳增匯技術研發應當與試驗示范有機結合。選擇我國碳排放嚴重且巖溶碳匯潛力大的地區，以流域為單元，建立典型巖溶流域固碳增匯試驗示范區，通過石漠化治理、巖溶森林重建、土地利用調整、巖溶土壤改良、水生植物培育、煙塵碳回收固定等措施的固碳增匯試驗，形成流域“可測量、可報告、可核實”的巖溶流域固碳增匯技術體系，并通過流域自然-人工二元系統的綜合調控，構建典型巖溶流域碳中和示范樣板。