巖溶動力學理論與現代巖溶學發展

章 程

（1. 中國地質科學院巖溶地質研究所/自然資源部、廣西巖溶動力學重點實驗, 廣西 桂林 541004；2. 聯合國教科文組織國際巖溶研究中心, 廣西 桂林 541004）

0 引 言

巖溶學研究內容主要包括碳酸鹽巖組成與結構、巖溶水地質、巖溶塌陷與工程地質、巖溶地貌與洞穴及含水層探測技術方法等[1-6]。因碳酸鹽巖的可溶性特點，巖溶表層系統常表現為地上地下雙層結構，地表水系缺乏或以季節性河流呈現，但地下水系統發育，巖溶含水層需要特殊的調查與探測技術方法，尤其強調地下水示蹤和洞穴探測[7]。近30 年來，隨著6 個巖溶IGCP 項目的連續成功執行，已形成多個學科交叉生長點，并取得了豐富的成果，其中比較重要的研究方向有巖溶碳循環與應對氣候變化、巖溶記錄與全球變化、巖溶石漠化治理與生態修復[8-10]，這些成果的取得不僅拓展了巖溶學科研究領域，而且更加面向應用與解決實際問題，進而有力地推動了現代巖溶學的形成與發展[11]，可以說，此階段在巖溶動力學理論指導下提出的一系列新概念、模型和方法體系[12-14]，并由此產生的新的巖溶學科生長點，對現代巖溶學形成與發展具有里程碑式的意義。本文企圖以巖溶IGCP 項目為主線，解讀巖溶動力學理論的內涵與外延，其核心碳水鈣循環在巖溶動力系統中的運行與動力、產物結構與功能、邊界與效應等。以期在巖溶動力學理論[15]與巖溶關鍵帶理念[16-17]的融合指導下，促進現代巖溶學的不斷完善與發展。

1 巖溶動力學理論的核心要義

巖溶動力學理論的核心關鍵詞是碳水鈣循環（圖 1），強調從系統高度，即以地球系統科學為指導，和全球視野研究巖溶，提出了巖溶動力系統概念模型、結構與功能。通過IGCP299“地質、氣候、水文與巖溶形成”（1990-1994）的執行，巖溶動力系統、巖溶形態組合等概念得到了國際同行的廣泛認可，形成了捕作碳水鈣循環的一系列技術方法、巖溶類型與形成環境劃分的完整方法體系。為全球巖溶對比研究、巖溶不均一性研究和共同面臨的資源環境問題解決奠定了理論與方法基礎。作為巖溶領域開展的第一個國際地學計劃項目，IGCP299 項目的執行，不僅建立了巖溶學術圈科學家之間的密切交流，同時也加強了巖溶宏觀地貌、形態與形成環境之間的國際對比研究[18]。來自15 個國家的科學家聯合撰寫了IGCP299 項目“全球巖溶對比”成果專著，內容涵蓋極地、溫帶、熱帶、地中海等氣候條件下不同地質背景巖溶動力系統結構、演化與運行規律[13]。

IGCP379“巖溶作用與碳循環”（1995-1999）執行的意義在于將巖溶學研究成功引入全球變化領域，由此開辟了巖溶碳循環與碳匯效應研究，認識到巖溶作用的環境敏感性[19]，為重新認識全球碳循環研究中地質過程（含巖溶作用）時間尺度打開了窗口。2014 年政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次報告第一工作組報告，已將碳酸鹽風化列為CO2移除四種方式之一，其CO2移除時間尺度屬于100-1 000年級[20-21]。2021 年巖溶碳匯被列入國家“雙碳”目標行動方案，意味著與生態系密切相關的巖溶碳循環將在巖溶碳匯列入大氣CO2源匯清單和服務“雙碳”目標中繼續發揮更大作用。

IGCP448“巖溶生態系統”（2000-2004）的執行進一步拓展了巖溶學研究的邊界和應用前景。將巖溶地球化學研究延伸至土壤圈和生物圈，無機與有機過程的融合研究為脆弱巖溶環境修復與保護、巖溶碳循環與土地利用及巖溶碳匯穩定性提供了更加清晰的思路與方法（如IGCP598 項目的執行）[22-23]，一方面充分體現地球系統科學思維觀，另一方面也為地球關鍵帶理念在巖溶領域的實踐與應用，建立巖溶關鍵帶概念與監測方法體系（IGCP661 項目的執行）鋪平了道路（圖 1）。

2 巖溶碳循環與全球變化

IGCP379 項目執行，標志著碳酸鹽風化與巖溶作用溶蝕速率全球對比研究的開始，進入巖溶動力學碳循環研究階段[24]，成功將巖溶作用引入全球變化研究[25-26]。巖溶碳循環研究在此后連續執行的4個巖溶IGCP 項目中得到延續和加強。二十余年來，相關研究內容不斷擴充與豐富，包括碳酸鹽巖風化強度及區域對比[26]、水文地球化學指標的環境敏感性[6,27-28]、巖溶碳循環與土地利用的關系[29]、水生光合利用無機碳生成內源有機碳及轉化效率[30-31]、水體惰性有機碳形成[32-33]，揭示了巖溶作用的短時間尺度效應和碳匯穩定性機制，暗示巖溶作用積極參與現今全球碳循環，其形成的碳匯可能是全球碳循環中“遺漏碳匯”的重要組成[26,34-35]。IPCC 發布的第五次評估報告將碳酸鹽巖風化碳匯時間尺度從原來的104-106年縮短為103-104年[20-21]。

全球碳酸鹽巖分布面積為2 200 萬km2，約占陸地總面積的12%[6]，巖溶作用消耗大氣與土壤CO2，對全球變化具有負反饋效應（大氣CO2上升促進碳酸鹽巖溶蝕吸收更多大氣CO2）[36]，同時受生態系統控制，即森林或草地增加溶蝕速率也增強，吸收更多土壤CO2，因而兼具有大氣CO2匯和土壤CO2匯效應。目前，巖溶碳循環領域已發展到應用地球關鍵帶理念研究其形成機理與碳匯效應階段，強調關鍵帶三大過程，即水文過程、生物地球化學過程與生態過程的耦合研究，發現了巖溶碳循環的短時間尺度特征，且與陸地生態系統碳循環、土壤碳循環及土地利用變化密切相關，是全球碳循環的重要組成部分。碳酸鹽巖溶蝕消耗的CO2可來自大氣，也可來自土壤微生物或根系呼吸，成為區域和全球尺度大氣CO2匯或土壤生物成因CO2匯[37]。即：碳酸鹽巖風化產生的碳匯可能是全球碳循環“遺漏碳匯”的貢獻者，同時具有緩解土壤CO2向大氣釋放的作用，進而成為全球碳循環模型中“土地利用變化項”（ELUC）的重要調節者（減源效應）[38]。

目前，“碳匯能力鞏固提升”已列為中國2030 年前碳達峰十大行動（重點任務）之一[39]，其中就包括“巖溶的固碳作用”。 中國是巖溶大國，開展巖溶碳匯研究是應對氣候變化和中國實現“雙碳”目標的基礎支撐。隨著巖溶碳循環過程監測、機理與碳匯效應研究的滲入，流域碳匯測量與區域增匯評價方法的完善，巖溶碳匯有望在不久的將來列入全球碳收支大氣CO2源匯清單，助推“雙碳”目標的實現。

3 巖溶動力學理論對現代巖溶學發展的貢獻

巖溶動力學理論的形成與實踐是地球系統科學思想在巖溶研究領域的成功體現與應用[40]。巖溶動力學理論強調從系統高度和全球視野來研究巖溶形成過程、產物表現形式及區域差異，更加有利于理解其動力及作用方式、效應變化的控制機理、變化邊界對系統過程產生的反饋機制，更好理解不同時間尺度過程之間的有機聯系，加強了巖溶形成、過程、環境因子、全球變化、土地利用等之間的邏輯關系（圖1），大大拓展了巖溶學研究領域，通過理論創新和IGCP 國際平臺，推動國際認同與廣泛合作，更加有利于解決全球巖溶區共同面臨的類似環境問題，如巖溶碳匯在全球碳循環中的作用與地位，巖溶生態環境脆弱性與保護，巖溶含水層水資源利用與水環境保護等。也為我們自覺融入國家“一帶一路”倡議、生態文明發展戰略和“雙碳”目標等奠定了堅實基礎和支撐條件，如在巖溶動力學理論指導和IGCP延伸的雙邊與多邊合作推動下，“巖溶動力學系統與全球變化”國家級國際聯合研究中心和巖溶地質“一帶一路”聯合實驗室等平臺先后獲科技部批準。

4 IGCP 對巖溶動力學研究的推動作用

IGCP 作為UNESCO 五大科學計劃之一，在地學界有著廣泛而深刻的影響，從第一個IGCP 項目開始執行，就有中國科學家的身影，是中國地學走向全球的重要舞臺，也是國際同行了解中國地質的重要窗口。巖溶IGCP 項目的連續執行，成功將中國巖溶的地域優勢轉化為學術優勢，形成廣泛且穩定的國際合作研究團隊進而又為持續提升巖溶動力學的學術引領地位提供了有利條件。

得益于巖溶IGCP 的成功執行和廣泛影響，2007 年10 月，聯合國教科文組織第三十四屆會議（第34 C/32 號決議）決定，在中國桂林建立由教科文組織贊助的國際巖溶研究中心”（以下簡稱“中心”）。這是地學領域建立的第一個由教科文組織贊助的研究中心，中心能為教科文組織國際地球科學計劃(IGCP)和國際水文計劃(IHP)的實施發揮重要作用。在中國政府與教科文組織簽訂的關于中心建立與運行的協定中，明確指出中心主要目標為通過科學研究、出版和國際合作，推動巖溶動力系統的監測與建模，促進巖溶動力學的發展，中心職能第一條為開展現代巖溶學方面的實驗與理論科學研究。協定一方面肯定了巖溶動力學理論在中心建立過程中的指導意義和作用，同時中心的建立也為該理論的應用和發展提供了更為廣闊的國際合作交流平臺。

2012 年在巴黎召開慶祝IGCP 成立40 周年暨學術研討會，系列巖溶IGCP 項目作為水文地質領域的代表性成果在四十周年專著中作了雙倍篇幅介紹[18]，自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室代表獲邀參會并作“氣候變化、水資源與水環境”大會報告。后續 “巖溶動力系統與全球變化”國家級國際聯合研究中心成立、IGCP661 項目獲批執行和國際標準化組織巖溶技術委員會的成立，巖溶動力學國際合作深度與廣度不斷加強，更可喜的是，在各地政府支持與巖溶國際團隊科學家的共同努力下，巖溶IGCP 項目執行期間國內數個對比研究或考察站點先后被列入UNESCO 自然遺產地名錄，如桂林、石林、金佛山、茂蘭等，充分說明全球巖溶界對中國南方喀斯特發育和演化完整性與典型性的認可，進一步提升和鞏固了中國巖溶的學術優勢。

5 結 語

巖溶動力學理論的形成和發展軌跡，是與近30年來6 個巖溶IGCP 項目的成功執行密切關聯的。提出的一系列概念與模型，不僅使巖溶研究領域不斷拓寬，形成新興交叉學科，并服務于全球變化與應對氣候變化、石漠化治理與生態修復、水環境修復與水資源可持續利用。成功把中國巖溶的地域優勢轉化為學術優勢，并得到了國內外同行的認可，目前，巖溶碳匯已列入國家“雙碳”目標行動計劃，巖溶記錄已成為全球變化研究中核心介質，隨著技術方法的完善，眾多指標被用于不同時間尺度環境信息的替代指標。不僅揭示了巖溶含水層的不均性、系統的環境敏感性、區域差異性的內在機制，也揭示了其邊界和效應。體現了理論創新的生命力和先導作用，也是一個學科發展和行業保持長盛不衰的源泉。巖溶動力學理論為巖溶石漠化治理中自然恢復為主，人工干預為輔原則的提出奠定了科學支撐，為回答巖溶碳循環時間尺度與穩定性問題提供了科學依據，為全球變化研究找到一種記錄時間跨度長、分辨率高的天然載體（時鐘）。IGCP 是中國巖溶學研究走向國際的重要途徑，是中國科學家引領巖溶研究前沿的重要抓手，也是培養具有全球視野領軍科技人才的重要舞臺。

致謝：僅以此文獻給恩師袁道先院士九十華誕！祝愿先生福如東海，壽比南山！感謝恩師袁道先院士在學術道路上的不倦指導。我慶幸在桂林，一座以巖溶景觀著稱于世的美麗城市，幸遇名師。先生是現代巖溶學和巖溶動力學理論的奠基人，九十春秋，織巖溶錦繡，道傳七十歲月；香遠益清，書峰林文章，先生教澤綿長。