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。

雨热同期的亚热带季风气候促进了岩溶碳汇的发生,受外源水补给的边缘坡立谷是岩溶区碳酸盐岩溶蚀作用强烈的区域,对该区不同类型水的水化学特征研究有助于加深对岩溶固碳作用规律的认识。本文运用数理统计、Piper三线图、Gibbs图和主要离子比值等多种方法,对亚热带典型边缘坡立谷的河流水化学特征、成因及其碳汇效应等进行了分析。结果显示:(1)边缘坡立谷的河水类型主要有外源水、外源水补给的地表河、外源水补给岩溶地下河和岩溶地下水等,其总离子浓度呈递增趋势,岩溶地下水的Ca²⁺浓度平均值为91.06 mg/L,分别是外源水补给地下河水、外源水补给地表水和外源水的2.3、4.3和12.4倍,其中外源水补给的地表河水化学离子浓度变化较大;(2)外源水进入岩溶区后,Ca²⁺和$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$浓度逐渐升高,方解石饱和指数逐渐偏正。在亚热带季风区大量降雨导致的水循环加快的情况下,外源水对碳酸盐岩具有较强的侵蚀性;但外源水无论以补给岩溶地下河还是以地表水进入岩溶区后,其与碳酸盐岩的反应时间或接触面积不足,影响了岩溶碳汇增汇的提升。

岩溶水生环境富含$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$,有利于内源藻类发生生物碳泵作用,形成大量藻源有机质沉积到库底。丰富的藻源性有机质在沉积物中发生矿化作用,影响有机质埋藏过程,影响岩溶水生环境碳循环过程和碳汇潜力。为探究藻源性有机质对矿化作用的影响和岩溶水生环境碳循环稳定性的影响,以岩溶地下水补给型水库(广西大龙洞水库)为研究对象,初步分析从上游到下游不同区域藻源有机质对表层沉积物有机质矿化过程的影响。结果表明:大龙洞水库有机质主要来源为内源藻类(20.9%~65%)和外源土壤(11.8%~53.4%)且具有一定的空间差异,水库上游以土壤来源为主,下游以藻类来源为主。大龙洞水库表层沉积物矿化过程在空间上呈现上游潜在矿化量高于下游潜在矿化量,产生差异的主要因素是在岩溶高溶解无机碳水环境中,藻源性有机碳对微生物矿化过程具有抑制性,降低矿化强度。在生物碳泵作用和无机碳保护下,以藻源性来源为主的岩溶水库表层沉积物有机碳潜在埋藏总量略高于岩溶区土壤的潜在埋藏总量,表明岩溶水库沉积物有着稳定的有机成分积累。

微量元素在岩溶区资源环境研究中具有重要的指示意义。本文选择我国典型峰丛洼地区岩溶地下河为例,解译水体中微量元素的地球化学特征及其在岩溶空间结构和岩溶水文等方面的指示意义。毛村地下河流域水体中Sr、Cr、Ni、Co和Mn等微量元素,主要来源于碳酸盐岩的溶解。强降水条件可驱动深层水,弱降水条件驱动能力差。微量元素ρ(Ni)/ρ(Co)、ρ(Sr)/ρ(Ca²⁺)和ρ(Sr)/ρ(Mg²⁺)的时空变化,指示LLS和BY子系统内岩溶发育差,SGY至MC岩溶发育程度较高。ρ(Sr)/ρ(Ca²⁺)和ρ(Sr)随ρ(SiO₂)的变化斜率值可作为指示岩溶发育程度的指标,均随着岩溶作用强度的增大而增大。ρ(Sr)的时空变化特征与地层岩性特征密切相关,可将岩溶流域按照地质背景分为非岩溶区、非岩溶区-岩溶区过渡带和岩溶区。基于非岩溶区至岩溶区ρ(Sr)的变化特征,利用质量守恒定律,计算出旱季SGY、SWQ、LLS和BY泉水接收岩溶区补给的平均比例分别为51.50%、50.46%、65.48%和22.16%。微量元素可指示岩溶发育程度和定量计算岩溶水源比例,为解决岩溶区复杂的资源环境问题提供科学指导。

岩溶碳循环具有快速的动力学反应过程,对环境变化敏感,水循环可影响岩溶碳循环的两个驱动因子(水和CO₂),是岩溶碳循环的重要影响因素。通过2016年6月和10月长江干流、主要支流、水库、湖泊的采样测试,分析了δD、δ¹⁸O、无机碳含量和同位素分馏特征及控制因素,揭示了长江流域水循环对岩溶碳循环的影响特征。结果表明:长江流域水体δD和δ¹⁸O的空间变化表现出大陆效应、纬度效应和海拔效应,并随降雨的季节性变化而变化;无机碳主要源自碳酸盐岩风化,δ¹³C_DIC值主要受碳酸风化碳酸盐岩和硫酸/硝酸风化碳酸盐岩对$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$的贡献比例控制。长江流域水文过程可显著影响岩溶碳循环,上游冻土区土壤冻结时,幔源和大气源CO₂参与碳酸盐岩风化使δ¹³C_DIC值显著增加;夏秋季季风期降雨爆发,降水导致δD和δ¹⁸O急剧下降,同时利于土壤CO₂累积和碳同位素值下降,并使得水体δD、δ¹⁸O和δ¹³C_DIC值均下降;水文过程可影响“生物碳泵”作用,平水期“生物碳泵”作用更强,水库的分层效应也更显著。

自工业革命以来,资源需求量不断增加,矿产资源被过度开采引起一系列地质环境问题,针对采矿学者研究主要集中在地质环境灾害、矿山的修复技术方法和采矿暴露出的重金属对人类身体健康造成的危害等方面,鲜有学者研究采矿中重金属元素与地质碳汇的关系,随着双碳目标成为国家战略,重金属与地质碳汇机理研究对双碳战略目标有重要的科学意义。本文通过研究不同岩样在不同浓度铅、锌溶液中的溶解特征来探究开放系统条件下铅锌对地质碳汇的影响,研究发现:(1)随着实验时长的增加,所有组别的pH值呈下降趋势,电导率呈上升趋势。(2)0.5 mg/L的铅溶液可能会抑制岩石的溶解,$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$的浓度在第10天时突然变大随后又逐渐减小,而当加入灵川县铅锌矿场的铅锌矿粉末后溶液中$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$浓度倍增。0.1 mg/L铅溶液中加入铅锌矿粉末后,其水溶液中的$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$浓度明显少于未加入铅锌矿粉末的对照组。故认为铅可能作为抑制剂影响岩样在溶液中的溶解。(3)在1和5 mg/L锌溶液中加入铅锌矿粉末,无论其浓度高低,灰岩、角岩和灰岩+角岩3个实验组别$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$浓度将明显高于未加入铅锌矿粉末的对照组,故认为锌可能起催化作用。(4)通过对干燥后的岩样进行非原位SEM图像扫描发现,无论低浓度还是高浓度铅溶液,其溶蚀坑较无铅溶液明显增多,溶蚀台阶也明显呈无规则状,但在高浓度的铅溶液中更加突出,并且伴随着置换反应的发生,由低浓度到高浓度的铅溶液中可以观察到一些孔隙的发展和裂缝的形成。

岩溶碳汇是实现碳中和的重要手段,其稳定性是亟待解决的关键科学问题。地球上每年约45%的光合作用发生在水环境中,而岩溶区沉水植物如何影响岩溶碳汇稳定性仍不明确。以3条岩溶区河流中的沉水植物为研究对象,利用样方法、pH-drift技术和元素化学计量学,从定性和定量角度开展了沉水植物对岩溶碳汇稳定性的影响研究。结果表明:ZDR中沉水植物有8种,CTR中沉水植物有5种,HXR中沉水植物有7种,Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数的趋势均为ZDR>HXR>CTR。在3条河流中沉水植物的优势种为苦草、海菜花、竹叶眼子菜和黑藻,且均具有利用$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$的能力。ZDR、HXR和CTR中沉水植物的年固碳量分别为8.56×10³、4.83×10³ 和3.88×10³ g·m^-2·a^-1,平均值为5.76×10³ g·m^-2·a^-1,分别是草地的37.65倍和人工林的40.56倍。3条河流中沉水植物多样性越高,其固碳量也越高。总的来说,在岩溶水生态系统中沉水植物发挥着碳泵的作用,进而提高了岩溶碳汇的稳定性。

灌木在喀斯特石漠化区植被恢复过程中具有重要作用,其生物量大小直接决定了石漠化修复与碳收支情况。为探究喀斯特地区优势灌木树种响应石漠化演替的生物量特征及分配格局,以滇南喀斯特地区不同石漠化程度下3种优势灌木树种华西小石积(Osteomeles schwerinae)、沙针(Osyris lanceolata)和车桑子(Dodonaea viscosa)为研究对象,通过分析其冠幅、树高、基径、各器官(根、茎、叶和花/果)生物量和根冠比等响应特征,并构建各器官、地上和总生物量的异速生长模型。结果表明:(1)不同石漠化梯度下,华西小石积和车桑子的平均生物量呈现“倒V”趋势,而沙针则与前两者不同;(2)不同石漠化梯度下,3种优势灌木各器官生物量的分配大小顺序为茎>根>叶>花/果;(3)3种灌木生物量估测效果较好的是线性函数和幂函数,最佳预测变量以基径(D)、基径平方和树高乘积(D²H)为主。本研究为喀斯特石漠化地区的植被恢复和生态系统碳收支功能的研究提供基础数据。

碳酸盐岩风化过程是一个吸收大气CO₂的过程,具有碳汇效应。利用岩溶区水体的水文地球化学特征揭示碳酸盐岩风化过程、计算流域岩溶碳汇通量是全球变化研究的一个重要方面。以广西柳州官村地下河流域(GGW)为例,2021年4个季度的监测结果表明:(1)$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$和Ca²⁺是主要的阴阳离子,阴阳离子当量浓度和TDS浓度反映了碳酸盐岩强烈的风化作用;(2)水化学时空分布特征显示,GGW的水化学类型为HCO₃-Ca型,水岩作用过程除了H₂CO₃风化碳酸盐岩外,还有H₂SO₄和HNO₃风化碳酸盐岩;(3)在研究H₂CO₃、H₂SO₄和HNO₃共同参与的水岩作用过程中,用δ¹³C_DIC计算H₂CO₃风化碳酸盐岩的CO₂消耗量为2.38 mmol·L^-1,CO₂净消耗量用[$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$]_mol-[Ca²⁺+Mg²⁺]_mol表示,平均净消耗量为1.98 mmol·L^-1,用CO₂净消耗量计算出的GGW无机碳汇强度(以CO₂计)C_m为86.37 t·km^-2·a^-1;(4)不考虑外源酸作用,利用水化学径流法计算出的GGW无机碳汇强度(以CO₂计)C_m为94.49 t·km^-2·a^-1,CO₂净消耗量是水化学径流法计算的CO₂汇量的91.41%;(5)碳汇强度为2008年的1.91倍,研究结果可为人工干预增加岩溶碳汇潜力评估提供一定的参考和借鉴。