岩溶碳汇原理、过程与计量

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.2.6

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5): 358-376.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.6

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岩溶碳汇原理、过程与计量

曹建华¹^,²^,³(), 杨慧¹^,²^,³, 黄芬¹^,²^,³, 张春来¹^,²^,³, 张连凯⁴, 朱同彬¹^,²^,³, 周孟霞¹^,²^,³, 袁道先¹^,²^,³

1.中国地质科学院岩溶地质研究所自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室, 广西桂林 541004
2.联合国教科文组织国际岩溶研究中心/岩溶动力系统与全球变化国际联合研究中心, 广西桂林 541004
3.广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站, 广西平果 531406
4.中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心, 云南昆明 650111

收稿日期:2023-08-12 修回日期:2024-01-16 出版日期:2024-09-25 发布日期:2024-10-11
作者简介:曹建华(1963—),男,研究员,博士生导师,主要从事岩溶碳循环过程观测与机理的研究工作。E-mail: cjianhua@mail.cgs.gov.cn
基金资助:
国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目(42361144885);广西重点研发计划项目(桂科AB22035004);广西科技基地和人才专项(桂科AD20297090);广西科技基地和人才专项(桂科AD19245176);广西科技基地和人才专项(桂科AD21196001);桂林市科技计划项目(2020010905);桂林市科技计划项目(2020010403);自然资源部/广西岩溶动力学实验室开放基金(KDL&Guangxi202002)

The principle, process, and measurement of karst carbon sink

CAO Jianhua¹^,²^,³(), YANG Hui¹^,²^,³, HUANG Fen¹^,²^,³, ZHANG Chunlai¹^,²^,³, ZHANG Liankai⁴, ZHU Tongbin¹^,²^,³, ZHOU Mengxia¹^,²^,³, YUAN Daoxian¹^,²^,³

1. MNR and Guangxi Key Laboratory of Karst Dynamics, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China
2. International Research Center on Karst Under the Auspices of UNESCO/National Center for International Research on Karst Dynamic System and Global Change, Guilin 541004, China
3. Pingguo, Guangxi Karst Ecosystem, National Observation and Research Station, Pingguo 531406, China
4. Kunming General Survey of Natural Resources Center, China Geological Survey, Kunming 650111, China

Received:2023-08-12 Revised:2024-01-16 Online:2024-09-25 Published:2024-10-11

摘要/Abstract

摘要：

岩溶生态系统碳循环由陆地生物碳循环(植物光合作用驱动)和岩溶碳循环(碳酸盐岩溶解风化驱动)两部分组成。岩溶碳循环与陆地生物碳循环存在协同作用,岩溶碳循环过程对陆地淡水生态系统产生显著影响。岩溶碳汇主要发生在岩溶和生物紧密联系的植物根系-土壤-岩石相互融合的表层岩溶带,在快速交互的地下水系统和地表水系统中发生迁移转化过程。当前流域岩溶碳汇计量存在至少3个方面的问题:(1)全岩溶流域中来源于碳酸盐岩的碳和来源于大气/土壤中的碳比例不清;(2)部分岩溶流域碳酸盐岩和硅酸盐岩风化溶解产生碳汇的量如何区分;(3)水生植物光合作用生产的内源有机碳与陆地生态系统的外源有机碳的贡献大小如何。建议岩溶碳汇计算要以流域为单元,通过确定流域边界,查明地质结构,分析土地覆被配置,揭示岩溶碳循环及碳汇效应影响的主控因子,建立反演和正演模型,估算流域岩溶和生物碳汇的贡献,填补岩溶碳汇服务价值评估的空白。

关键词: 岩溶碳汇, 岩溶碳循环, 碳迁移转化, 碳汇计量, 模型构建

Abstract:

The carbon cycle in karst ecosystems consists of two parts: biological carbon cycle (driven by plant photosynthesis) and karst carbon cycle (driven by carbonate dissolution and weathering). There is a synergistic effect between karst carbon cycle and terrestrial biological carbon cycle, which significantly impacts terrestrial freshwater ecosystems. Karst carbon sinks primarily occur in the surface karst zone, where plant roots, soil, and rocks intermingle. Their migration and transformation processes take place in both groundwater and surface water systems. There are at least three uncertainties in the measurement of karst carbon sinks within a watershed: changes in the proportion of carbon derived from carbonate rocks versus that from the atmosphere/soil across the entire karst watershed, differentiation of carbon sinks produced by the weathering and dissolution of carbonate versus silicate rocks in certain karst watersheds, and distinctions between endogenous organic carbon produced by aquatic plant photosynthesis and exogenous organic carbon from terrestrial ecosystems. It is recommended to use the watershed as a unit, define watershed boundaries, identify geological structures, analyze land cover configurations, reveal the main controlling factors of the karst carbon cycle and carbon sink effects, establish inversion and forward models, and address gaps in the service functions of karst carbon sinks.

Key words: karst carbon sink, karst carbon cycle, carbon migration-carbon conversion, carbon sink measurement, model construction

中图分类号:

曹建华, 杨慧, 黄芬, 张春来, 张连凯, 朱同彬, 周孟霞, 袁道先. 岩溶碳汇原理、过程与计量[J]. 地学前缘, 2024, 31(5): 358-376.

CAO Jianhua, YANG Hui, HUANG Fen, ZHANG Chunlai, ZHANG Liankai, ZHU Tongbin, ZHOU Mengxia, YUAN Daoxian. The principle, process, and measurement of karst carbon sink[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(5): 358-376.

图/表 16

图1 全球内陆水体碱度与水-气界面CO2通量与碳酸盐岩分布的空间对应关系(据文献[7-8]修改)

Fig.1 Spatial correspondence between global inland water alkalinity, water-air interface CO2 flux, and carbonate rock distribution. Adapted from [7-8].

图2 岩溶碳循环过程示意图

Fig.2 Schematic diagram of the karst carbon cycle process

图3 岩溶表层带结构示意图(据文献[17])

Fig.3 Schematic diagram of the epikarst zone structure. Adapted from [17].

图4 桂林毛村岩溶碳循环试验场岩溶碳汇指标对降水事件的响应(据文献[23])

Fig.4 Response of karst carbon sink indicators to precipitation events in the Maocun karst carbon cycle test site, Guilin. Adapted from [23].

图5 桂林盘龙洞洞穴空气CO2分压和滴水水体中CO2分压动态变化(据文献[36])

Fig.5 Dynamic changes in CO2 partial pressure in cave air and drip water in Panlong Cave, Guilin. Adapted from [36].

表1 桂林寨底地下河出露地表后岩溶水体水化学及水-气界面CO2逸出动态(据文献[38])

Table 1 Dynamics of water chemistry and water-air interface CO2 evasion of karst water after emerging from the Zhaidi underground river in Guilin. Adapted from [38].

样点	T/℃	pH	Ec/(μS·cm^-1)	$HCO 3 -$ 物质的量浓度/ (mmol·L^-1)	水体中CO₂物质的量浓度/ (mmol·L^-1)	CO₂逸出通量/ (mg·m^-2·h^-1)
A	18.6	7.31	440	3.9	0.130 5	6 719.80
B	18.6	7.326	439	3.9	0.094 5	4 309.16
C	18.5	7.009	439	3.9	0.094 5	5 690.15
D	18.6	6.985	439	4.0	0.094 5	4 361.60
E	18.5	6.97	439	3.9	0.094 5	3 474.61
F	18.3	6.915	437	3.9	0.094 5	2 935.89

表1 桂林寨底地下河出露地表后岩溶水体水化学及水-气界面CO2逸出动态(据文献[38])

Table 1 Dynamics of water chemistry and water-air interface CO2 evasion of karst water after emerging from the Zhaidi underground river in Guilin. Adapted from [38].

样点	T/℃	pH	Ec/(μS·cm^-1)	$HCO 3 -$ 物质的量浓度/ (mmol·L^-1)	水体中CO₂物质的量浓度/ (mmol·L^-1)	CO₂逸出通量/ (mg·m^-2·h^-1)
A	18.6	7.31	440	3.9	0.130 5	6 719.80
B	18.6	7.326	439	3.9	0.094 5	4 309.16
C	18.5	7.009	439	3.9	0.094 5	5 690.15
D	18.6	6.985	439	4.0	0.094 5	4 361.60
E	18.5	6.97	439	3.9	0.094 5	3 474.61
F	18.3	6.915	437	3.9	0.094 5	2 935.89

表2 漓江流域外源水和岩溶水水-气界面CO2释放通量对比表

Table 2 Comparison of CO2 release fluxes at the water-air interface between exogenous water and karst water in the Lijiang River basin

监测点及类型	CO₂释放通量/(mg·m^-2·h^-1)
	岩溶水				外源水
	C1	C2	C3	C4	G1	G2	G3	G4
雨季	146.78	170.42	218.91	179.61	15.40	11.99	21.31	16.82
旱季	50.19	136.13	23.04	26.69	14.46	13.89	34.01	9.00

图6 地下河出口与流经1.35 km后的水化学变化

Fig.6 Changes in water chemistry from the underground river outlet to 1.35 km downstream

表3 不同类型碳酸盐岩比溶解度对比表(据文献[49])

Table 3 Comparison of specific solubility of different types of carbonate rocks. Adapted from [49].

岩石类型	样品件数	CaO/MgO			酸不溶物含量/%			比溶解度
岩石类型	样品件数	最大值	最小值	平均值	最大值	最小值	平均值	最大值	最小值	平均值
石灰岩	36	311.65	81.04	120.86	8.69	0.19	2.60	1.17	0.75	0.96
含硅质灰岩	3	123.13	77.70	107.12	18.82	13.07	13.07	0.93	0.82	0.86
硅质灰岩	2	98.11	81.04	89.57	36.20	35.81	35.81	0.80	0.24	0.52
含白云质灰岩	7	39.98	11.24	23.39	6.65	0.67	3.83	1.09	0.74	0.96
含灰质白云岩	4	1.75	1.60	1.67	8.33	2.39	4.77	0.72	0.51	0.68
灰质白云岩	2	3.86	2.75	3.31	3.83	0.62	2.24	0.92	0.44	0.61
白云岩	27	1.50	1.02	1.42	8.07	0.36	2.75	0.89	0.26	0.50

图7 岩溶碳汇速率与流量、 HCO 3 -浓度的关系

Fig.7 Relationship between karst carbon sink rate, discharge, and HCO 3 - concentration

图8 扩散边界层厚度与方解石的溶解速率的关系(据文献[60])

Fig.8 The thinner the diffusion boundary layer, the faster the calcite dissolution rate. Adapted from [60].

图9 毛村地下河流域监测点分布和水体总 HCO 3 -的动态变化特征

Fig.9 Distribution of monitoring points and dynamic characteristics of total HCO 3 - in the Maocun underground river basin

图10 桂林毛村岩溶区石灰土与碎屑岩区红壤土壤呼吸排碳动态对比(据文献[66])

Fig.10 Dynamic comparison of soil respiration carbon emissions between limestone soils in the Maocun karst area and red soils in clastic rock areas. Adapted from [66].

图11 岩溶生态系统中岩溶碳循环与生物碳循环相互协同关系

Fig.11 Synergistic relationship between karst carbon cycle and biological carbon cycle in karst ecosystems

图12 漓江流域丰水期和枯水期DIC与δ13CDIC相关性

Fig.12 Correlation between DIC and δ13CDIC in the Lijiang River basin during wet and dry seasons

图13 漓江流域雨季-旱季水体中 HCO 3 -浓度及其碳稳定同位素值的对比

Fig.13 Comparison of HCO 3 - concentration and its carbon stable isotope values in the water bodies of the Lijiang River basin during rainy and dry seasons

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岩溶碳汇原理、过程与计量

The principle, process, and measurement of karst carbon sink

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