岩溶动力学理论：应对全球气候变化的新途径

　　岩溶作用以其短时间尺度特点和对环境变化极其敏感的特点积极参与到了全球碳循环之中。2010~2015年，中国地质科学院岩溶地质研究所先后开展了“中国地质碳汇潜力研究”和“应对全球气候变化地质调查研究”项目。项目主要目标任务是理清岩溶作用在全球碳循环中的时间尺度与地位，开展碳酸盐风化大气CO2汇的稳定性和量级及其与硅酸盐风化的对比，估算我国岩溶碳汇，并提出人工干预增汇途径与潜力评价。

　　项目选择了我国最典型的岩溶地区开展调查与研究，取得的成果揭示出岩溶碳循环过程对气候变化响应的敏感性，构建了岩溶作用过程增汇试验示范，编制完成岩溶碳循环及碳汇效应调查评价技术规程，构建了应对全球气候变化地质调查数据库及信息系统。具体而言，项目取得了以下4方面的重要成果或进展。

　　一是创立了岩溶动力学理论。研究指出，岩溶动力系统可定义为控制岩溶形成演化，并常受制于已有岩溶形态的，在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈界面上的，以碳、水、钙循环为主的物质、能量传输、转换系统。岩溶动力系统的功能包括：驱动各种岩溶形态的产生，并通过其所造成的地表、地下双层岩溶空间结构和偏碱性地球化学背景，导致一系列环境问题；通过岩溶作用由大气回收或向大气释放CO2，调节大气温室气体浓度，缓解环境酸化；驱动元素迁移、富集、沉淀，形成有用矿产资源，影响生命；记录气候环境变化过程，为全球气候变化研究提供数据。

　　二是开展了石笋年际精度气候变化过程记录，为未来极端气候事件预测提供了重要依据。在研究中，项目在湖南龙山洞穴石笋调查获得500年以来的年际变化：距今500~150年间存在5个冷期，每个冷事件持续时间为20~30年；1500年、1575年、1770年、1875年为极端干旱年。研究表明，150年以来，石笋记录了可与仪器记录对应的极端气候事件；在现代升温期间，夹有1个短暂的冷事件，持续了5年（1925~1930年），1950~1952年为极端降水事件，1954~2000年为干旱频率增加期。

　　三是通过开展碳循环驱动与影响因子调查，结果显示岩溶作用是大气CO2重要汇项，且稳定性较高。研究成果将中国岩溶区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型，估算出中国每年因碳酸盐岩溶蚀回收0.4亿吨大气CO2。近6年的调查研究还表明，快速的、有机参与的地质过程对于短时间地质碳循环有重要影响。岩溶作用来源的重碳酸根可以作为大型水生植物和藻类进行光合作用的无机碳源，把重碳酸根固定在水生植物中。岩溶湖泊水中重碳酸根转化量最大达60%。西南典型岩溶河流夏季水生植物光合作用利用重碳酸根的量比美国佛罗里达岩溶大泉补给的地表溪流高近9倍，暗示中国南方亚热带岩溶区地表河流由水生植物光合作用产生的碳汇量更高，形成的地质碳汇更加稳定。

　　四是发现人工促进岩溶作用固碳增汇新途径。研究表明，固碳增汇途径主要有人工选择和培育陆地植物、土壤改良，增加土下岩溶碳汇的发生强度，水生植物的选择和培育，提高岩溶碳汇的稳定性及石漠化综合治理，增加区域岩溶碳汇通量等4种途径。研究表明，植被的正向演替对岩溶碳汇有显著的促进作用，原始林地土下岩溶作用碳汇量是次生林地的3倍、灌丛的9倍。岩溶区地表森林系统增汇过程发生的同时，地下也同步发生着岩溶增汇过程。高浓度HCO3-和Ca2+的岩溶水对水生植物的光合作用具有强烈的促进作用，使无机碳转化为有机碳。初步估算，研究区仅“十一五”期间的石漠化治理工程增加的岩溶碳汇约1000万吨，相当于该区植树造林生物碳汇的25%。

　　项目负责人表示，通过岩溶作用与碳循环研究，揭示出了地质过程中碳循环动态变化规律和地质过程对环境变化的敏感性，并发现了全球最大的碳库——碳酸盐岩积极参与全球碳循环，可能是全球“遗漏汇”的重要组成部分。此外，研究还发现水生生物固碳、土壤有机碳形成等促进地质碳汇稳定性机制，科学地解答了国内外对地质碳汇速率和稳定性问题的质疑，开辟了岩溶地质过程与碳循环新的研究领域。

　　据了解，岩溶作用与碳循环研究成果为政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次报告的中国国家评估提供了科学依据，最终使地质碳汇在IPCC第5次报告修改稿中得到认可。

　　专家表示，岩溶作用同时消耗大气与土壤CO2，因而可缓解CO2向大气释放，流域尺度岩溶碳汇强度与陆地生态系统碳汇处于同一数量级，植被恢复增加地表碳汇的同时也促进了岩溶碳汇量，该研究成果为地质碳汇进入应对气候变化领域奠定了良好基础，为国家碳减排目标的实现提供了新途径。

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