張春來, 黃芬, 蒲俊兵, 曹建華,2

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，自然資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.聯(lián)合國(guó)科教文組織國(guó)際巖溶研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引言

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，也是我國(guó)“十四五”時(shí)期及未來一段時(shí)間的重大國(guó)家需求和面臨的挑戰(zhàn)，它賦予了新時(shí)代地質(zhì)工作新的重大使命。要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，除大規(guī)模減排以外，還要大力增加碳匯。巖溶作用是水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行以化學(xué)溶蝕作用為特征的綜合作用，包括水的機(jī)械侵蝕和崩塌作用以及物質(zhì)的攜出、轉(zhuǎn)移和再沉積。對(duì)于碳酸鹽巖(本文巖溶均指碳酸鹽巖)，巖溶作用是在一個(gè)碳、水、鈣(CO2-H2O-CaCO3)循環(huán)耦聯(lián)的開放不平衡系統(tǒng)中發(fā)生的，這個(gè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境反應(yīng)敏感[1]。碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化作用(巖溶作用)能夠大量吸收大氣/土壤中的CO2，形成巖溶碳匯。碳酸鹽巖風(fēng)化對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)已成為全球變化研究的熱點(diǎn)問題之一。我國(guó)巖溶面積占國(guó)土面積的1/3，巖溶碳匯作用具有較大的碳匯潛力。針對(duì)應(yīng)對(duì)全球氣候變化的國(guó)家重大需求，為探尋固碳增匯新途徑，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局先后設(shè)立“中國(guó)地質(zhì)碳匯潛力調(diào)查研究”(2010—2012)、“應(yīng)對(duì)全球氣候變化地質(zhì)調(diào)查研究”(2013—2015)和“長(zhǎng)江珠江黃河巖溶流域碳循環(huán)綜合環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”(2016—2018)項(xiàng)目開展研究，調(diào)查揭示了巖溶碳循環(huán)具有不同時(shí)間尺度的碳匯效應(yīng)，從流域尺度闡明了巖溶碳循環(huán)過程及碳匯效應(yīng)，研發(fā)了巖溶碳循環(huán)及碳匯效應(yīng)調(diào)查與監(jiān)測(cè)技術(shù)，并估算了巖溶碳匯通量。

然而，碳酸鹽巖溶解速率的空間格局、碳循環(huán)過程和碳匯計(jì)量等尚不清晰，碳通量的空間分布以及控制機(jī)制不明確，限制了巖溶碳匯在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支不平衡的研究及在國(guó)土空間規(guī)劃中發(fā)揮的作用。本文從巖溶碳匯的作用機(jī)理、調(diào)查和監(jiān)測(cè)計(jì)量方法技術(shù)入手，介紹了我國(guó)地質(zhì)調(diào)查和科學(xué)研究中的一些發(fā)現(xiàn)，提出了存在的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向，期望更多的學(xué)者對(duì)巖溶碳匯開展多技術(shù)、多學(xué)科、多層次的綜合性研究，推動(dòng)巖溶碳匯進(jìn)入溫室氣體排放清單，發(fā)揮巖溶碳匯在實(shí)現(xiàn)碳中和中的作用。

1 巖溶碳匯作用機(jī)理

1.1 巖溶作用與碳循環(huán)

巖溶作用方程式可以表示為

CaxMg(1-x)CO3+H2O+CO2(g)xCa2++

巖溶作用所生成的無機(jī)碳，在水循環(huán)的驅(qū)動(dòng)下，一部分將發(fā)生脫氣作用，以CO2形式返回大氣中，一部分受到水生光合作用的影響，在地表水體中被水生生物利用，轉(zhuǎn)化成有機(jī)碳； 另外，大部分溶解無機(jī)碳隨河流進(jìn)入海洋。

巖溶作用是碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化的一部分，除了碳酸溶蝕碳酸鹽巖外，自然界還普遍存在酸雨、含硫地層或人為排放的硫酸或硝酸對(duì)碳酸鹽巖的風(fēng)化作用，其化學(xué)反應(yīng)式為

由此可見，硫酸或硝酸參與的碳酸鹽巖風(fēng)化形成的溶解無機(jī)碳中的碳元素全部來自于巖石，沒有吸收大氣或土壤中的CO2，因此，雖然硫酸或硝酸可以加速碳酸鹽巖風(fēng)化，但沒有形成碳匯[3]。

1.2 巖溶碳匯的速率與穩(wěn)定性

近年來的研究表明，生物作用參與下的地質(zhì)碳匯過程是短時(shí)間尺度過程，能及時(shí)響應(yīng)氣候、降雨、植被的變化，是全球碳循環(huán)收支中“遺漏匯”的重要部分[4]。在開放系統(tǒng)條件下，當(dāng)CO2分壓分別達(dá)到0.03%(大氣CO2平均濃度)或1%(土壤CO2平均濃度)時(shí)，方解石達(dá)到溶解平衡的時(shí)間分別為1 h或6 h[5]。IPCC-AR5報(bào)告中將碳酸鹽巖溶解風(fēng)化的時(shí)間長(zhǎng)度以年計(jì)降低1個(gè)數(shù)量級(jí)(103～104)，與硅酸鹽巖風(fēng)化(104～106)相區(qū)別[6]，碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解速率是硅酸鹽巖的10～15倍[7-8]。

傳統(tǒng)的水-巖-氣相互作用下的碳酸鹽風(fēng)化碳循環(huán)(或巖溶作用碳循環(huán))模式不考慮有機(jī)過程，認(rèn)為當(dāng)碳酸鈣沉積時(shí)，CO2氣體全部返回大氣。劉再華等[22]提出了一種由全球水循環(huán)產(chǎn)生的重要的CO2匯(以DIC的形式)，它是由水對(duì)CO2的溶解吸收形成的，并隨著碳酸鹽的溶解及水生植物光合作用對(duì)DIC(CO2)的消耗的增加而顯著增加，并形成了水-巖/土-氣-生碳循環(huán)模式(圖1)。該模式有助于回答“碳酸鹽風(fēng)化能否形成長(zhǎng)久的碳匯(內(nèi)源有機(jī)質(zhì)沉積埋藏)，因而能否控制長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變化”等重要科學(xué)問題，同時(shí)也可望能為傳統(tǒng)的巖溶作用碳循環(huán)模式遇到的碳穩(wěn)定性問題找到證據(jù)[23-24]。巖溶水體從無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳一方面回答了無機(jī)碳匯的穩(wěn)定性； 另一方面也帶來新的問題，水體有機(jī)質(zhì)可簡(jiǎn)單分為陸地侵蝕來源和水生生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化形成，如何區(qū)分并計(jì)算出它們的通量也是最近關(guān)注的熱點(diǎn)[25]?！八?巖-氣-生”碳匯方程為

注： “*”代表可以人工干預(yù)增匯的途徑； DBL.中文邊界擴(kuò)散層(diffusion boundary layer); DOC.溶解有機(jī)碳(dissolved organic carbon); POC.顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon)。

2 巖溶碳匯估算

巖溶作用屬于一種化學(xué)風(fēng)化過程，其反應(yīng)通量可以通過參與反應(yīng)的原材料或反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行計(jì)算。

2.1 以巖溶作用原材料——碳酸鹽巖溶蝕試驗(yàn)估算

巖石試片廣泛用于量化巖石風(fēng)化[27]，將碳酸鹽巖巖石磨成直徑4 cm，厚0.3～0.5 cm標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片(表面積為28～31 cm2，質(zhì)量10～17 g)，洗凈烘干后稱其質(zhì)量，放置地上空氣中、地表或土下20 cm、土下50 cm(圖2)。一年后回收試片，利用天平稱其質(zhì)量。計(jì)算公式為

圖2 土壤剖面及碳酸鹽巖溶蝕試驗(yàn)示意

E=365×104(W1-W2)/(A×T)。

(1)

式中:E為碳酸鹽巖溶蝕量，g/(km2·a);W1為試片初質(zhì)量,g；W2為溶蝕后試片質(zhì)量,g；T為埋放時(shí)間,d；A為試片表面積,cm2。

碳酸鹽巖溶蝕試片法獲得的碳匯通量公式為

F=E·S·R·MCO2/MCaCO3。

(2)

式中：F為CO2的回收量，g/a；E為試片溶蝕量，g/(m2·a)；S為巖溶區(qū)面積，m2；R為巖石的純度，%； 標(biāo)準(zhǔn)試片以97%進(jìn)行計(jì)算；MCO2為CO2的分子量，取值44；MCaCO3為CaCO3的分子量，取值100。

根據(jù)這一計(jì)算方式，計(jì)算出的溶蝕速率或碳匯通量可能存在的誤差。產(chǎn)生誤差的原因包括碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片的均一性，當(dāng)?shù)卦嚻⑼寥赖目臻g異質(zhì)性； 標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片表面積的計(jì)算和碳酸鹽巖空間展布的面積計(jì)算，土壤有機(jī)酸和微生物的侵蝕，土壤中碳酸鹽(包括原生碳酸鹽巖碎塊、顆粒，以及干旱地區(qū)土壤中的次生碳酸鹽)的存在等。碳酸鹽巖風(fēng)化存在巖-土界面上風(fēng)化、巖層層間界面上風(fēng)化、巖層整體塊狀風(fēng)化等模式，根據(jù)碳酸鹽巖溶蝕速率推算的碳酸鹽巖風(fēng)化速率偏低[28]。巖溶地區(qū)具高度的空間異質(zhì)性，碳酸鹽巖溶蝕速率受地質(zhì)、生態(tài)、水文和氣象等變化影響，基于剖面的碳酸鹽巖溶蝕試驗(yàn)與區(qū)域巖溶碳匯之間的換算存在空間尺度綜合問題[29]。標(biāo)準(zhǔn)碳酸鹽巖溶蝕試片的優(yōu)勢(shì)是可以簡(jiǎn)易地對(duì)氣候、巖性、水文、土地利用等影響碳酸鹽巖溶蝕速率的因素進(jìn)行對(duì)比分析。

我國(guó)學(xué)者先后用該方法對(duì)全國(guó)碳酸鹽巖溶蝕速率及碳匯通量進(jìn)行了估算： 如徐勝友等[30]利用4個(gè)不同氣候帶觀測(cè)的溶蝕速率計(jì)算出我國(guó)巖溶區(qū)總的CO2回收通量約為1.176×1013g/a； 蔣忠誠(chéng)等[31]通過分析全國(guó)的碳酸鹽巖、氣溫、降雨量、植被等環(huán)境條件，將全國(guó)巖溶區(qū)劃分為18個(gè)區(qū)，依據(jù)18個(gè)溶蝕速率計(jì)算出全國(guó)巖溶區(qū)產(chǎn)生的大氣CO2的匯為1 423萬t/a，并且獲得了巖溶面積、降雨量和植被條件與大氣CO2的匯存在正相關(guān)關(guān)系的結(jié)果。

2.2 以巖溶作用產(chǎn)物——溶解無機(jī)碳估算

水化學(xué)徑流法最早由Corbel[32]提出，在巖石密度為2.5 g/cm3的條件下，巖石溶蝕速率與水量和水化學(xué)的關(guān)系為

X=4E·T/100。

(3)

式中：X為溶蝕速率，m3/(km2·a)或mm/ka；E為徑流深度變化速率，0.1 m/a；T為徑流水中的CaCO3含量，mg/L。

(4)

Cm=0.031 536Q/F·Ch=0.031 536M·Ch。

(5)

式中：M為地下水徑流模數(shù)，L/(s·km2)；Q為巖溶地下水徑流量，L/s；F為流域面積，km2；Ch為巖溶水CO2含量，mg/L；Cm為碳循環(huán)強(qiáng)度(以CO2計(jì))，t/(km2·a)； 0.031 536為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

河流水化學(xué)受流域內(nèi)巖石風(fēng)化、大氣降水、地下水以及人類活動(dòng)影響。河水和流域內(nèi)巖石、礦物之間的化學(xué)反應(yīng)決定了河水的主要離子化學(xué)組成[38]。通過河水化學(xué)離子定量研究流域巖石風(fēng)化有3種途徑： 基于河水中巖石礦物來源的離子摩爾濃度比例與鍶同位素比例質(zhì)量平衡(Inverse模型)、陽離子質(zhì)量平衡方程(Forward模型)和因子分析法[36,39-40]。

2.3 以回歸-地統(tǒng)計(jì)分析等模型計(jì)算

Sweeting[41]建立了碳酸鹽巖溶蝕量(DR)與降雨量(P)之間的關(guān)系式：DR=0.004 3P1.26； 劉再華等[42]通過總結(jié)已發(fā)表的碳酸鹽巖溶蝕量(DR)與徑流(P降雨量-E蒸發(fā)量)的關(guān)系，建立了碳酸鹽巖溶蝕量與徑流之間的線性關(guān)系：DR=0.054 4(P-E)-0.021 5； 曹建華等[43]的模擬試驗(yàn)結(jié)果揭示了不同植物類型條件下，生物活性的差異導(dǎo)致碳酸鹽巖風(fēng)化溶解量的差異，有豐富根系的喬木-土壤-巖石體系，其溶解量是土壤-巖石、草本-土壤-巖石體系中碳酸鹽巖侵蝕量的3.84倍和2.36倍。

White[44]計(jì)算了碳酸鹽巖的理論最大剝蝕速率，即假定從巖溶流域中排出的水相對(duì)于當(dāng)?shù)氐臏囟群虲O2條件達(dá)到了碳酸鹽平衡，據(jù)“入滲-平衡化學(xué)法”[35]，巖溶作用產(chǎn)生的最大碳匯強(qiáng)度為

106(P-E)[Ca2+]eq=

(6)

其中土壤中的CO2分壓可根據(jù)以下Brook等[45]公式計(jì)算

lgPCO2=-3.47+2.09(1-e-0.001 72E) 。

(7)

曹建華等[46]以珠江流域?yàn)槔?，在綜合考慮影響巖溶作用及產(chǎn)生碳匯因子的基礎(chǔ)上，收集已有數(shù)據(jù)，建立了如下回歸方程

Dr=0.176+0.696Pa4+0.483Rs4+0.324NPP4。

(8)

式中：Dr為以典型地點(diǎn)的石灰?guī)r溶蝕速率，mm/ka；Pa為年降水量，mm,P<0.01；Rs為土壤呼吸速率(以C計(jì))，g/(m2·a)，擬合系數(shù)R2=0.728；NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力(以C計(jì))，g/m2。

以GIS為研究平臺(tái)，結(jié)合研究區(qū)碳酸鹽巖類型的分布，估算出研究區(qū)內(nèi)因碳酸鹽巖溶蝕作用對(duì)大氣CO2匯的通量。結(jié)果表明，珠江流域年CaCO3溶蝕量為1.54×107t/a, 折合碳為678萬t/a。

李匯文等[47]基于隨機(jī)森林算法及碳酸鹽巖最大潛在溶蝕模型，得出全國(guó)巖溶碳匯量707萬t/a，70%發(fā)生在南方巖溶區(qū)(495萬t/a)。由此可見，只要掌握了相關(guān)地區(qū)的基本氣候生態(tài)資料，如溫度、降水和蒸發(fā)蒸騰數(shù)據(jù)，也可計(jì)算出該地區(qū)的巖溶作用及其碳匯強(qiáng)度。

3 流域尺度巖溶碳匯調(diào)查技術(shù)

隨著對(duì)巖溶碳匯的持續(xù)調(diào)查，巖溶碳循環(huán)的路徑及影響因子不斷被發(fā)現(xiàn)，對(duì)巖溶碳循環(huán)的發(fā)生、碳匯產(chǎn)生的認(rèn)識(shí)不斷深入，從而提出流域尺度巖溶碳循環(huán)及碳匯效應(yīng)概念模型(圖3)。在模型中巖溶碳循環(huán)過程主要存在3個(gè)階段[48]： 水對(duì)碳酸鹽巖溶解將大氣/土壤CO2轉(zhuǎn)移到水中； 富含無機(jī)碳的巖溶水在巖溶含水介質(zhì)中運(yùn)移； 巖溶地下水出露地表成地表河時(shí)，水生生物光合作用將巖溶水體中無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，AAPB將溶解有機(jī)碳(dissolved organic carbon,DOC)轉(zhuǎn)化為惰性溶解有機(jī)碳(recalcitrant dissolved orgamic carbon,RDOC)。

圖3 流域尺度巖溶碳循環(huán)過程示意圖[48]

巖溶碳循環(huán)過程與碳匯效應(yīng)調(diào)查研究涉及地質(zhì)、地球化學(xué)、陸地生態(tài)系統(tǒng)、水生生態(tài)系統(tǒng)等多學(xué)科，因此，流域尺度巖溶碳循環(huán)及碳匯效應(yīng)調(diào)查與監(jiān)測(cè)技術(shù)，是多項(xiàng)技術(shù)的集成，巖溶碳循環(huán)地質(zhì)調(diào)查可以用“定邊界、追過程、查條件、測(cè)形態(tài)、算通量、評(píng)潛力”來概括，主要的技術(shù)要求和調(diào)查精度見圖4。

圖4 流域尺度巖溶碳循環(huán)調(diào)查研究技術(shù)流程

4 人工干預(yù)固碳增匯的技術(shù)途徑與潛力

IPCC-AR5報(bào)告中將碳酸鹽巖溶解風(fēng)化納入人為可干預(yù)去除大氣CO2的4項(xiàng)技術(shù)方法之一(與陸地生態(tài)過程、海洋碳匯、人工直接捕捉并列)，產(chǎn)生效果的時(shí)間尺度定為百年尺度(100～1 000 a)[6]。人工干預(yù)增加巖溶碳匯的主要方式有植被恢復(fù)、土壤改良、外源水灌溉和構(gòu)建有利于水生植物提高光合效率的環(huán)境。

4.1 植被恢復(fù)增加巖溶碳匯

土地利用方式通過改變蒸騰蒸散和土下CO2濃度，造成徑流深度和DIC濃度的變化，而兩者的變化有很大的差異，甚至有時(shí)是相反的。巖溶碳匯強(qiáng)度是徑流深度和DIC濃度的乘積，兩者在數(shù)量級(jí)上的差別往往使這種土地利用方式對(duì)巖溶碳匯強(qiáng)度的影響評(píng)價(jià)變得困難，不宜對(duì)比。Zeng等[52]在普定沙灣碳循環(huán)監(jiān)測(cè)站利用DIC環(huán)比增長(zhǎng)率除以徑流深度環(huán)比增長(zhǎng)率作為土地利用變化對(duì)巖溶碳匯強(qiáng)度影響指數(shù)，取得了很好的效果，比值大于1時(shí)說明土地利用的變化導(dǎo)致DIC增加率高于徑流深度的減少率，且統(tǒng)計(jì)出在這種情況下巖溶碳匯強(qiáng)度增強(qiáng)。

4.2 土壤改良

我國(guó)西南巖溶石漠化耕地面積超過4萬km2，Ca、Mg元素含量高，微量元素有效態(tài)含量低，60%以上土壤為低產(chǎn)土壤[53-54]。碳酸鹽巖的溶蝕主要與土壤環(huán)境中侵蝕性組分CO2、水分、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和pH值有關(guān)[55]。巖溶土壤改良增加碳匯的關(guān)鍵是增加地上生物量的同時(shí)，提高土壤CO2濃度或水分，促使巖溶作用的正向發(fā)生。

不同的土壤改良措施對(duì)碳酸鹽巖溶蝕的促進(jìn)效果差異較大。宋超等[58-59]發(fā)現(xiàn)牛糞肥的施用對(duì)白云巖溶蝕作用的影響不大； 而施用復(fù)混肥后，白云巖和石灰?guī)r試片的溶蝕量均增大。濾泥與常規(guī)有機(jī)肥秸稈、沼液等搭配能大大提高改良效果。從搭配類型來看，對(duì)埋藏于其中的灰?guī)r試片溶蝕強(qiáng)度和土壤改良的效果依次為塘泥+沼渣(液)+鮮綠肥>秸稈+塘泥+沼渣(液)>秸稈+人畜糞便+塘泥[60]。吳澤燕等[54]的研究結(jié)果也表明濾泥配施秸稈和沼液導(dǎo)致CO2年均凈消耗量增加了0.065 mmol/L。馮婷[61]在廣西通過果化對(duì)巖溶土壤進(jìn)行有機(jī)肥改良后，地上生物量較對(duì)照區(qū)提高了1.85 倍，試驗(yàn)區(qū)火龍果增產(chǎn) 27.64%，花生增產(chǎn)37.73%。土層 10～20 cm養(yǎng)分得到提高，土壤根系更加發(fā)達(dá)，土壤生物活性提高，使得土壤 CO2濃度增加量較大。如果將果化示范區(qū)內(nèi)66.41 hm2耕地土壤進(jìn)行改良，則較未改良耕地CO2增匯2.75 t/a。

4.3 外源水的灌溉增加巖溶碳匯強(qiáng)度

水對(duì)巖溶碳匯的影響表現(xiàn)在水量、水質(zhì)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上，其核心是水的侵蝕性。非巖溶區(qū)的水流入巖溶區(qū)被歸為外源水，外源水中方解石和白云石的飽和指數(shù)愈低，其侵蝕性就愈強(qiáng)，水中的石灰?guī)r和白云巖的侵蝕速率就愈快[62]。外源水進(jìn)入巖溶區(qū)后的垂直方向滲透和側(cè)向運(yùn)移為洞穴初始形成并呈層狀分布提供基本條件[63]，促進(jìn)了洞穴發(fā)育和峽谷的形成[64]。外源水進(jìn)入巖溶地下水系統(tǒng)后，水中DIC含量不斷升高，碳酸鹽飽和指數(shù)也逐漸增加，由不飽和達(dá)到飽和，巖溶碳匯通量可增加近10倍[65]。桂林毛村巖溶地下河流域，上游非巖溶區(qū)和下游巖溶區(qū)面積分別為3.6 km2和7.6 km2，小龍背的外源水碳通量為2.04 t/a，流經(jīng)扁巖和毛村地下河后，碳通量分別增加至8.84 t/a和28.21 t/a，其中一半來自大氣碳沉降[67]。

巖溶區(qū)地表水主要分布于極少數(shù)大江、大河中，無法解決區(qū)域性供水問題，天然出露的水點(diǎn)多屬于季節(jié)性的泉、地下河天窗或出口，雨季發(fā)生澇災(zāi)而旱季枯竭，滿足不了居民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需求[67]。對(duì)補(bǔ)給到巖溶地下水的外源水進(jìn)行建庫攔蓄，在解決巖溶區(qū)洪澇和旱季人畜飲用、灌溉問題上發(fā)揮了很大作用。CO2在水中溶解產(chǎn)生碳酸氫根離子，可與Ca2+或Mg2+反應(yīng)析出固體碳酸鹽，放出水和CO2。在北方地區(qū)，高堿度地下水灌溉農(nóng)田后經(jīng)蒸發(fā)濃縮作用導(dǎo)致CaCO3沉淀形成顆粒無機(jī)碳，改變了土壤碳庫組成，成為土壤碳庫的重要來源[68-69]。但形成碳酸鈣沉降的同時(shí)也會(huì)形成新的CO2，且灌溉作用造成的微生物活動(dòng)也會(huì)釋放CO2，它們重新溶于水使碳酸鹽巖重新溶解，造成溶解無機(jī)碳的淋失，這一過程受植被和水文投機(jī)條件的控制[70]。在碳酸鹽巖發(fā)育的森林系統(tǒng)，灌溉使 DIC 年浸出量增加了近 100%[71]。

4.4 水生植物培育增加巖溶碳匯穩(wěn)定性

水生生態(tài)系統(tǒng)通過生物泵在河流、湖泊、水庫、濕地和海洋等水體碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[16, 72]。水體中光照、溫度及無機(jī)碳是影響水生植物光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子[73]。巖溶水庫中高濃度的溶解無機(jī)碳對(duì)水生生物生長(zhǎng)起著“施肥作用”[74]，這對(duì)巖溶碳匯的穩(wěn)定性起著重要作用[75]。對(duì)巖溶區(qū)水體物理、化學(xué)和同位素參數(shù)的高分辨率監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了在溪流、河流、湖泊水庫等不同級(jí)別的水體均存在大量的水生生物光合作用[12, 15, 76-80]，這一作用減少了水氣界面釋放到大氣中的CO2通量[11, 80-81]。

水生生物死亡后的殘?bào)w是湖泊水庫等水體底泥中有機(jī)質(zhì)和氮的主要來源[82]。地表水體水生光合固定DIC產(chǎn)生的內(nèi)源有機(jī)碳，其是巖石風(fēng)化碳匯的重要組成部分。利用類脂生物標(biāo)志物法，結(jié)合傳統(tǒng)水化學(xué)特征，計(jì)算出珠江流域水體中冬季和夏季內(nèi)源有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例的平均值分別為65%和54%，表明了其中的水生植物光合作用導(dǎo)致的初級(jí)生產(chǎn)力比較強(qiáng)烈； 內(nèi)源有機(jī)碳比例和水生藻類生物量與DIC濃度呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，DIC對(duì)水生植物光合作用具有施肥效應(yīng)[25]。西江流域巖溶碳匯通量為2.23×106t /a，而加上內(nèi)源有機(jī)碳后的碳匯通量為 3.50×106t/a，提高了57%[83]。水庫沉積物是一個(gè)重要的碳匯，結(jié)合210Pbex核素計(jì)年技術(shù)和沉積物中碳分布，估算出烏江渡水庫總有機(jī)碳(Total Organic Carbon,TOC)沉降通量為70.85 g/(m2·a) ，堆積通量為29.14 g/(m2·a)，有效埋藏率為41%。烏江渡水庫沉積物平均TOC 總埋藏通量1.39×109g/a，其中82%來自水庫內(nèi)部光合作用形成的有機(jī)質(zhì)[84]。

水生植物在水體中的時(shí)空分布是有區(qū)別的，存在優(yōu)勢(shì)種[74]。因此，在培育水生植物增加巖溶碳匯穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)考慮水生植物的生態(tài)習(xí)性進(jìn)行組合。目前對(duì)水生植物的栽培主要用于自然景觀美化、生態(tài)修復(fù)和漁業(yè)飼料等方面，從水生植物吸收水中溶解無機(jī)碳方面，水生植物的地質(zhì)碳匯功能應(yīng)主要考慮沉水植物的培育。不同的沉水植物的成長(zhǎng)條件不同，如： 菹草為眼子菜科(Potamogetonaceae)，秋季發(fā)芽，越冬生長(zhǎng)，春季繁盛，夏季消亡的冬春型沉水植物[85]，從時(shí)間上與其他沉水植物形成生態(tài)位分離； 輪苞輪藻以群落的致密絮狀結(jié)構(gòu)越冬，優(yōu)先占領(lǐng)空間生態(tài)位； 在冬季不輸水的條件下，苦草以溫度生態(tài)位在淤泥深厚、透明度大、水流緩慢的水域生長(zhǎng)良好； 馬來眼子菜以生長(zhǎng)生態(tài)位在硬泥質(zhì)、深水水域占優(yōu)勢(shì)[86]； 而黑藻屬水鱉科(Hydrocharitaceae)多年生沉水草本，在光照條件好和高溫環(huán)境下生長(zhǎng)良好[87]； 金魚藻、苦草適應(yīng)水深范圍最廣，可以適用2.5 m以上水深，其次是黑藻，適應(yīng)2 m以下水深，馬來眼子菜適應(yīng)水深范圍最窄，為0.5～1.5 m[88]。沉水植物的繁殖分為種子萌發(fā)的有性繁殖和基株上形成的塊莖、鱗莖、芽孢、地面匍匐莖和地下根莖等無性繁殖，部分植物具有多種繁殖方式，但有性繁殖水環(huán)境限制難以占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位[89]，根據(jù)水環(huán)境條件限制又有扦插移栽、沉栽法、沉缸載體移栽、半浮式載體移栽、漸沉式沉床移栽等常見的沉水植物快速移栽技術(shù)方法[89]。因此，開展水生植物栽培時(shí)需要結(jié)合工作區(qū)已有的優(yōu)勢(shì)物種并根據(jù)水環(huán)境條件進(jìn)行篩選； 此外，還應(yīng)加強(qiáng)水生生態(tài)群落的調(diào)控和水生植物碳匯功能的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[90]。

5 未來展望

(1)巖溶碳匯調(diào)查監(jiān)測(cè)體系目前在上游尚沒有和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測(cè)系統(tǒng)完全銜接，下游沒有和地下水監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)與水文水資源監(jiān)測(cè)體系銜接，需融合現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，充實(shí)巖溶碳匯監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。

(2)加強(qiáng)巖溶碳匯綜合調(diào)查，充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提高碳匯調(diào)查精度，建立統(tǒng)一的巖溶碳匯調(diào)查方法和碳匯計(jì)量體系。探索創(chuàng)新科學(xué)的巖溶碳匯計(jì)量方法與增匯核算，創(chuàng)建巖溶碳匯方法學(xué)。

(3)盡管人工干預(yù)增加巖溶碳匯在某些工作區(qū)得到了驗(yàn)證，但尚沒有系統(tǒng)的試驗(yàn)示范區(qū)，無法從碳收支角度進(jìn)行系統(tǒng)的碳中和評(píng)價(jià)，因此應(yīng)加強(qiáng)人工干預(yù)固碳增匯試驗(yàn)示范和自然資源空間管理信息平臺(tái)建設(shè)。