岩溶碳汇效应对植被的响应研究进展.pdf
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1、植被是连接大气、水体、土壤及岩石的纽带,也是影响岩石风化碳汇效应的关键驱动因子之一。研究植被与岩石风化碳汇效应(特别是岩溶碳汇效应)的相互关系能进一步准确估算岩溶作用所产生的碳汇量并为大气C O2减排研究做出重要贡献。本文阐述了植被演替对岩溶碳汇效应影响的研究进展,分析了植被对岩溶碳汇效应的控制机制,并从生物作用、土壤理化性质、气候、径流变化及岩溶地区水文地质结构等方面详细分析了植被对岩溶碳汇控制因子的影响,重点探讨岩溶作用过程中水循环响应受植被影响的情况,最后从岩溶关键带的垂向结构研究、不同降水过程中植被对流域岩溶碳库影响、结构性的小尺度与宏观尺度的水文效应耦合研究、流域尺度植被演替对岩溶碳
2、汇的影响及对人工调控的启示4方面提出未来研究的总体趋势和方向。关键词:碳中和;岩溶碳汇;植被;水循环;岩溶关键带中图分类号:P 6 4 2.2 5;X 1 7 3;X 8 3 1;X 1 6 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-2 3 2 1(2 0 2 3)0 4-0 4 1 8-0 0 1 1于 奭,蒲俊兵,刘 凡,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)4 1 9 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c
3、n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)0 引言“碳中和”是我国能源资源与生态安全和经济转型的内在需求,相比发达国家,我国实现“碳中和”的年限更短,碳排放下降的斜率更大。因此除了在能源供应和消费端尽可能地使用非碳能源外,努力寻找其他固碳、增汇方式是国家及地方需求热点。在众多潜在渠道中,生态系统碳汇,特别是植被系统碳汇已经获得广大学者的认可1。然而,从关键带理论出发,植被系统碳汇的变化也会导致其生长区地下部分(植被根系、水、土壤、岩石)碳循环过程和碳汇通量发生改变。在流域植被系统碳汇效应的评估中,地下部分碳汇通量,特别是对环境变化敏感的碳酸盐岩风化碳汇(岩溶碳汇)常常被忽略,导致系统整体的碳汇
4、效应评估存在遗漏项,数据存在较多的不足。森林系统可以将大气中部分二氧化碳固定于植被或土壤中从而达到减小大气二氧化碳浓度的目的。最新的研究揭示全球森林碳汇量(以C O2计)为(7.6 4 9)G t/a2。植被的覆盖程度(覆被)可通过人工方式进行调控进而增加生态碳汇量,这也是国内外增汇措施的重要方面,受到学者、政界的高度关注。岩溶地区生态系统服务功能提升的一个重要方面是退化植被的恢复和植被覆盖度的提升,这对于增加区域生态碳汇具有积极的作用。然而,当前的关注重点多集中于陆地生态系统恢复中植被系统和土壤系统的增汇效应及潜力3-6,并没有考虑植被恢复所导致的土壤层中C O2浓度的增加会通过物理、化学及
5、微生物的作用加速水岩相互作用使得碳酸盐岩风化(岩溶溶蚀)能力增强,最终使得其碳汇强度增加的现象7。最新研究表明,碳酸盐岩风化过程可快速地响应地表环境的变化,诸如降雨和水文条件、土地利用方式、植被的覆盖程度、外源酸的输入等8。土地利用方式与覆被影响其碳汇的大小,可通过传统的水化学 径流法对岩石风化碳汇通量进行评估。计算公式可以简单表示为C S F=nQ D I C/A式中:C S F为岩石风化碳汇强度(或碳汇通量);A为流域面积;Q为流量;D I C 为水中溶解无机碳(D I C)的浓度;n为岩石矿物风化系数,对于碳酸盐风化,n=0.5,表示碳酸盐溶解形成的H C O-3中只有一半是大气成因的碳
6、,而对于硅酸盐岩风化,n=1,表示硅酸盐岩风化形成的H C O-3中碳全部来自大气成因的碳(包括土壤C O2)9。从岩溶动力学来看,最常用的碳汇评估方法都离不开水体D I C浓度及径流量,这是驱动岩溶作用的最根本的两个要素。因此,在流域面积、岩性、多年平均降水及气候条件相同的情况下,岩石风化碳汇的强度很大程度上受到土地利用和覆被变化的影响。这是由于岩溶流域的碳汇能力主要取决于流域的水量和溶蚀岩石的C O2来源,二者均与土地覆盖有着密切的关系。绝大多数地表都有土壤的覆盖,而植被的根部能起到涵养水源、增加土壤微生物含量的作用,进而加速土壤有机质的分解并延长水岩相互作用的时间,使得Q及D I C 都
7、有不同程度的变化,进而影响C S F值的大小,这些因素的共同作用使得植被对岩溶地质碳循环过程的影响至关重要,并调控地质碳汇特别是岩溶碳汇的强度。因此,研究植被与岩石风化碳汇效应(特别是岩溶碳汇效应)的相互关系能进一步准确估算岩溶作用碳汇量并为大气C O2减排研究做出重要贡献,也能够为应对全球气候变化的国家战略提供对策和科学依据。1 植被演替对岩溶碳汇效应的影响岩溶生态系统是受诸多因素协调作用形成的复杂陆地生态系统(图1)1 0,因此其岩石风化碳汇强度同样受控于诸多影响因子。土壤水分及C O2浓度、降雨的季节差异、植被特征、地下水运动过程及排泄速率1 0,以及碳酸源至风化界面的地球化学作用路径、
8、速率及酸供应量等共同影响化学反应物的供给和传输,影响到达岩石表面的C O2量和风化产物移离反应场的速率,并最终影响风化速率1 1。而植被作为C O2在大气土壤/岩石最终流域出口这种垂直结构中的主要载体之一,其重要性不言而喻。岩溶动力系统中,植被是连接大气、水体、土壤及岩石的纽带,也是多圈层相互作用的重要载体。由于绝大部分岩溶作用发生在地球浅表层带,因此可用图21 2来表示此过程:(1)植被通过光合作用从大气中吸收C O2;(2)植物体的腐烂分解及土壤中微生物和根系的呼吸作用从土壤中吸收C O2,该过程使得土壤空气的C O2分压大大提高,其中一部分4 2 0 于 奭,蒲俊兵,刘 凡,等/地学前缘
9、(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)灰色箭头粗细与风化速率受影响的强弱成正比。图1 灰岩土壤界面溶蚀速率影响因素的强弱及路径图(引自文献1 0)F i g.1 M a i n i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f t h e k a r s t i f i c a t i o n p r o c e s
10、 s a t t h e l i m e s t o n e-s o i l i n t e r f a c e.A d a p t e d f r o m 1 0.红色方框为植被能够直接或者间接影响水体D I C浓度及径流等的相关驱动因子。图2 水 岩 气 生界面碳循环模式(引自文献1 2)F i g.2 T h e t e r r e s t r i a l c a r b o n c y c l e.A d a p t e d f r o m 1 2.向空气中扩散,参与新一轮循环;(3)降雨通过土壤向地下渗流的过程中,发生C O2溶解作用,使得水体具备一定侵蚀性,随之在与碳酸盐岩地层接触
11、过程中发生岩溶作用;(4)在地下水运动过程中,碳主要以D I C及T O C的形式随着水流转运至河流并最终进入海洋,在运动过程中部分返回大气而部分则转变为惰性有机碳被埋藏,形成稳定碳汇。植被能够直接或者间接影响水体D I C浓度,这个影响过程主要发生在上述前3个阶段,相关驱动因子主要包括生物作用、土壤相关理化性质、岩性、径流强度及气候等要素。这些驱动因子并非独立影响岩溶化学风化过程,而是相互影响相互作用。岩溶区植被顺向演替系列通常为裸岩及稀疏草丛草灌丛灌木丛灌乔常绿落叶阔叶混交林顶级群落1 3。岩溶区植被的进展演替或逆向演替会使得流域岩溶碳汇强度发生较大的改变。通常来说,岩溶区植被的进展演替过
12、程中,随着生物量增加及根部深入土壤,土壤微生物含量增加,加速土壤有机质分解,产生大量C O2并溶解于土壤水中,这使得土壤水的溶蚀能力得以加强,从而土下碳酸盐岩溶蚀能力增强,岩溶碳汇强度增大。广西马山弄拉和重庆金佛山典型岩溶泉域的研究结果表明,不同土地利用方式下的土下溶蚀速率差异较明显,耕地、灌丛、次生林、草地和原始林溶蚀速率平均值分别为于 奭,蒲俊兵,刘 凡,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)4 2 1 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t
13、 i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)4.0 2 t/(k m2a)、7.0 t/(k m2a)、4 0.0 t/(k m2a)、2 0.0 t/(k m2a)和6 3.5 t/(k m2a)。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,从耕地或灌丛演化到次生林地,由岩溶作用产生的碳汇可提高5.7 1 7.0 2 t/(k m2a),若演化到原始林地则达2 4.8 6 2 6.1 7 t/(k m2a)1 4,这指示植被的进展演替对岩溶碳汇有显著的促进作用。章程等1 5在云南石林世界地质公园选择近原生滇青冈林(密枝林地)、云南松林地(人工辅助恢
14、复林)、荒草地和石漠化地等4种土地利用类型及不同界面开展为期2年的标准溶蚀试片试验研究,发现密枝林土下溶蚀量远远大于其他3种土地利用类型,其土下溶蚀量随土壤深度增大呈现增加的趋势,且增幅相当显著,说明植被的进展演替可极大地促进岩溶作用的进行,提高碳酸盐岩溶蚀速率,增加岩溶碳汇量。周孟霞等1 6则通过不同种植年限人工经济林下土壤岩溶作用强度研究发现,不同种植年限李树人工林土下石灰岩溶蚀量为4 2 1 3 6.3 t/(k m2a),折算成单位面积碳汇量则为5 1 6.4 t/(k m2a),种植年限对土下石灰岩溶蚀速率具有显著影响。在桂林丫吉试验场,得益于自然封育过程中植被的恢复和气温的升高,土
15、壤C O2含量在1 0年间约增加了2 6 6%,进而使地下水的H C O-3浓度显著增加1 7,进一步研究发现,植被的改变导致原有地下水输出的无机碳含量提高了2 7%,造成岩溶碳汇增加的幅度为1 9%2 3%1 8。这些基于野外观测的实际研究说明,岩溶区在地表植被恢复和碳汇增加的过程中,地下也同步发生着类似的增汇过程。相对应地,在植被被破坏或逆向演替过程中,植物根系被破坏,导致土壤的孔隙特别是非毛管孔隙明显减少,使得土壤含水率下降,易引发水土流失,土层减薄。岩溶区土壤的存在,对岩溶作用过程有如下重要贡献:不断提供C O2气体,保持水分,延长水岩相互作用时间;调节水的理化性质,影响岩溶作用强度以
16、及提供“外源”的有机酸,加快岩溶作用进程等1 9。人为干扰下生态系统退化将导致植被群落逆向演替,导致生态系统碳汇量及岩溶碳汇量降低。例如,石漠化就是一个土壤流失导致岩溶碳汇减小的典型现象。石漠化是指水土流失而导致地表土壤损失,基岩裸露,土地丧失农业利用价值和生态环境退化的现象;其减汇原理在于不合理的人类活动使得植被遭受破坏,进而诱发土壤严重流失而引起基岩裸露,大气C O2不能够通过土壤和植被等载体加速岩石风化2 0,最终导致流域岩溶碳汇强度减小。对云南小江流域2 2年来土地利用变化分析得出,林地的地下水岩溶作用形成D I C的比例为4 8.8 4%,高于未利用地的4 7.6 6%,而林地和未利
17、用地转为耕地后,这一比例分别降低8.5 9%和7.8 5%2 1。2 植被对岩溶作用相关控制因素的影响机制2.1 生物作用某些微生物对碳酸盐岩的风化具有促进作用2 2-2 3,并通过生物碳泵效应将岩溶作用中所产生的无机碳转化为内源有机碳2 4,因此岩溶区植被、土壤及水体中生物因素被认为是加速岩溶作用的重要因素之一。例如碳酸酐酶(C a r b o n i c A n h y d r a s e,C A)是一种广泛存在于自然界的金属酶,被证明对碳酸盐岩的溶解具有催化作用2 5。李为等2 6在不同岩溶生态系统的土壤样品中都检测到了C A,且其活性具有明显差异性。植被覆盖度高、群落结构完整的生态系统
18、中土壤C A活性高,同一个生态系统中根际土C A活性较高。土壤微生物碳酸酐酶(C A)活性与土下岩溶作用速率有很好的相关性2 7-2 8。C A能增加C O2-H2O-碳酸盐岩体系对C O2的吸收速率和吸收量,可使灰岩和白云岩的溶解量至少增加1 8.9%和2 2.1%2 9。李强等3 0研究则表明岩溶区植物在水分充足的条件下,根系分泌的C A能催化C O2在水中的溶解,促进石灰岩溶解,加快成土速率,并通过固定根呼吸和土壤微生物分解释放的C O2产生岩溶碳汇效应。除此之外,植被与岩石还能直接相互作用,不仅加速岩石风化并导致碳循环加快,而且植物还能直接从H C O-3获取碳源,开辟新的光合作用及碳
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