地质工作与碳中和 | 岩溶碳汇

提  要：
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。

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岩溶碳汇来源于碳酸盐岩的风化溶解

很少有人意识到，碳酸盐岩的风化溶解会像植物光合作用一样，产生相对于大气圈的碳汇效应。碳酸盐岩是可溶岩，其风化溶解速率是花岗岩的几十倍到百倍。通常情况下，雨水溶解大气和土壤中的CO2，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CO2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。
那么，碳酸盐岩风化与植物光合作用产生碳汇存在哪些差异？一是光合作用为有机过程，风化过程为无机过程；二是植物生长形成树木是看得见的，风化过程则是看不见的。

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静悄悄的岩溶碳循环

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，碳酸盐岩风化溶解产生的碳循环过程是静悄悄的。
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，少部分HCO3-转化为CO2逃逸到洞穴空气中；更多的HCO3-随地下水的流动，以泉、地下河的形式流出地表，成为地表河，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。

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岩溶碳汇是碳汇重要的组成部分

中国的岩溶分布面积（包括裸露、覆盖和埋藏）达344万平方千米，约占国土面积的1/3。据估算，中国碳酸盐岩风化溶解产生的碳汇通量为0.3亿吨/年～0.72亿吨/年，取中间值0.51亿吨/年。根据1981～2000年间的统计，森林碳汇通量年均碳汇为0.75亿吨/年，灌草丛年均碳汇通量为0.19亿吨/年，陆地植被年均总碳汇通量为1.01亿吨/年。也就是说，碳酸盐岩风化溶解的碳汇通量是陆地植被的50.5%、森林的68%、灌草丛的2.68倍。
针对全球而言，每年陆地森林生态系统可产生17.1亿吨的碳汇通量，土壤有机碳库可产生净碳汇通量8亿吨。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%。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，碳汇发生的强度存在差异性。

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人为干预可增加岩溶碳汇通量和稳定性

根据流域岩溶碳循环过程，可以通过以下4种技术途径提高岩溶碳汇通量及其稳定性。
一是植树造林。鉴于植物光合作用和碳酸盐岩风化溶解的驱动力均为CO2+H2O，因此，植树造林不仅能使地表生物碳汇通量增加，也能使地下岩溶碳汇通量增加。从灌丛到次生林地再到原始林地，岩溶作用产生的碳汇通量可增加2～8倍。
二是改良土壤。岩溶碳汇的碳主要来自土壤CO2，土壤CO2浓度比大气高1～2个数量级，通过改良土壤增加土壤CO2循环即可强化岩溶碳汇效应。
三是重视外源水的作用。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32%的砂岩补给区流入的外源水，进入下游岩溶区，会增加34%的碳汇通量；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。
四是增强水生植物的光合作用。水体中高浓度的HCO3-极不稳定，当水文条件发生改变时，容易转化为CO2，逸出到大气中。如果通过水生植物的光合作用，消耗部分HCO3-、降低其浓度，将无机碳转化为有机碳，可极大提高岩溶水体中碳迁移过程的稳定性。

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中国特色的岩溶碳汇方案

全球有130个国家有岩溶分布。传统地质观念认为，地质物质循环的时间周期是百万年尺度，而生物物质循环的时间尺度是百年-千年-万年，因此，现代地球碳循环研究认为，地质过程无法产生短时间尺度的碳汇效应。
但自我国科学家牵头开展IGCP379“岩溶作用于碳循环”（1995～1999）以来，经过30多年的努力，阐明了流域尺度岩溶碳循环过程，监测了碳循环过程中的源和汇。据预测，1999～2025年，中国森林碳汇通量为1.4亿吨/年～1.5亿吨/年，如果取1/2作为中国岩溶碳汇通量，则每年岩溶碳汇通量可达到0.70亿吨～0.75亿吨。中国岩溶碳循环调查研究的理论和技术可在岩溶分布广泛的其他国家进行推广，以便共同应对全球气候变化。
（作者单位：中国地质调查局岩溶地质研究所 联合国教科文组织国际岩溶研究中心）
（本文刊登于2021年4月16日《中国矿业报》第3版）
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