樊海浪 FAN Hai-lang；饒軍應(yīng) RAO Jun-ying；景志泉 JING Zhi-quan；林希豪 LIN Xi-hao；王玄林 WANG Xuan-lin；付青 FU Qing

（①貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；②貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

2020 年9 月22 日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上表示：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。我國(guó)灰?guī)r分布約占國(guó)土面積的1/3，巖溶廣布，滇、黔、桂、川等地尤為突出，巖溶結(jié)晶固碳具有廣闊前景。固碳的研究有利于更好地管理和利用土地資源，以達(dá)到土地資源利用的最優(yōu)化。關(guān)于荒漠化和石漠化現(xiàn)象的治理，也提供了一條可研究的途徑。同時(shí)，對(duì)于林區(qū)固碳后帶來(lái)的新鮮空氣，對(duì)地方人民的身體健康有所保障。巖溶區(qū)固碳研究對(duì)于西南地區(qū)，特別是喀斯特地貌地區(qū)工程的建設(shè)，也會(huì)起到一定的指導(dǎo)作用，例如使溶腔地層自然結(jié)晶后得以逐漸填充等。節(jié)省了改善巖溶不良地層結(jié)構(gòu)的探測(cè)、加固等措施費(fèi)，對(duì)于工程造價(jià)的降低也有一定的幫助。固碳可以有效的減少CO2的含量，對(duì)于溫室效應(yīng)的治理，有很大的幫助，將會(huì)為全球經(jīng)濟(jì)減少一筆支出，有利于全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

蔣忠誠(chéng)[1]等根據(jù)中國(guó)巖溶碳匯計(jì)算的需要，將我國(guó)巖溶地區(qū)劃分為南方巖溶區(qū)、北方巖溶區(qū)、青藏高原巖溶區(qū)和埋藏巖溶區(qū)4 種類型區(qū)，各區(qū)的巖溶面積分別為56.48萬(wàn)平方公里、32.58 萬(wàn)平方公里、55.60 萬(wàn)平方公里和200.1萬(wàn)平方公里。以取得的調(diào)查監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)資料為依據(jù)，對(duì)4種類型區(qū)和中國(guó)的巖溶碳匯量進(jìn)行了重新計(jì)算，南方巖溶區(qū)、北方巖溶區(qū)、青藏高原巖溶區(qū)和埋藏巖溶區(qū)巖溶碳匯量分別為1909.9 萬(wàn)噸CO2/a、600.5 萬(wàn)噸CO2/a、580.1 萬(wàn)噸CO2/a、608.6 萬(wàn)噸CO2/a，由此獲得中國(guó)巖溶碳匯總量為3699.1 萬(wàn)噸CO2/a。該結(jié)果比前人的研究更全面地反映了當(dāng)前我國(guó)巖溶地區(qū)碳水鈣無(wú)機(jī)循環(huán)產(chǎn)生的大氣CO2匯量，碳匯在結(jié)晶固碳中起到了至關(guān)重要的作用。

碳匯是通過(guò)自然轉(zhuǎn)化或人工將大氣中CO2清除的過(guò)程、活動(dòng)或機(jī)制。碳匯效應(yīng)分為海洋碳匯和陸地碳匯兩大類。其中，陸地碳匯包括陸地植被碳匯、自然地質(zhì)碳匯和人工地質(zhì)碳匯。而巖溶區(qū)結(jié)晶固碳主要與自然地質(zhì)碳匯相關(guān)。自然地質(zhì)碳匯主要由土壤碳匯和巖石風(fēng)化碳匯組成，土壤碳匯受區(qū)域植被條件、氣候條件、土壤利用等因素影響，而碳酸鹽巖和硅酸鹽巖風(fēng)化作用吸收大氣CO2的巖石風(fēng)化碳匯主要受氣溫、降水、巖石類型、水文條件以及人類活動(dòng)的影響。從氣候環(huán)境、自然資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多種措施有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)固碳增匯，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和的有效途徑。本文主要綜述了關(guān)于巖溶地質(zhì)碳匯中的固碳研究現(xiàn)狀。

1 巖溶區(qū)土壤碳匯固碳研究

巖溶區(qū)土壤中的固碳主要與生物和水相關(guān)，在土壤的碳循環(huán)的過(guò)程中，就固碳這一環(huán)節(jié)，受到環(huán)境、氣候、溫度、生物和水等因素的影響。

1.1 生物固碳的研究現(xiàn)狀

巖溶區(qū)植被是巖溶區(qū)的主要碳匯，巖溶區(qū)的植被可以通過(guò)植物的生長(zhǎng)來(lái)保持碳。在巖溶碳循環(huán)過(guò)程中，由于水—CO2—碳酸鹽巖—生物的交互作用，使巖溶碳循環(huán)活動(dòng)十分活躍，而其中部分的碳匯以有機(jī)碳的形式存在于土壤中，微生物是土壤碳循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力，它直接影響著植物殘?bào)w和微生物殘?bào)w中的碳含量。有學(xué)者認(rèn)為調(diào)控相關(guān)微生物酶的性質(zhì)和表達(dá)，引入新的碳捕獲途徑可以提高碳固定效率[2]。

利用桂西北巖溶區(qū)5 年生蘇木人工林中的碳蓄積和分布特征，李元強(qiáng)等分析發(fā)現(xiàn)，蘇木林區(qū)的喬木層各器官碳含量無(wú)明顯差別，以枝條為最小，蘇木人工林分含量以土壤層為最大，蘇木具有良好的巖溶區(qū)適應(yīng)性和碳匯能力，可用于巖溶區(qū)的石漠化治理和碳匯[3]。楊慧等描述了西南巖溶區(qū)植被的特殊生理特性，并探討了巖溶區(qū)植被碳儲(chǔ)量、巖溶區(qū)植被時(shí)空變化格局與碳源匯效應(yīng)、巖溶區(qū)植物對(duì)碳源的特殊利用、巖溶區(qū)的碳循環(huán)模式及碳匯潛力的預(yù)測(cè)，指出了未來(lái)巖溶區(qū)植被碳循環(huán)的相關(guān)指標(biāo)體系測(cè)量與機(jī)制進(jìn)程[4]。

中國(guó)巖溶研究所從巖溶溶蝕動(dòng)力的解構(gòu)工程性質(zhì)及資源開(kāi)發(fā)等方面，逐步向巖溶生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的綜合等集成，喀斯特生態(tài)系統(tǒng)解構(gòu)的沖刷基準(zhǔn)面的自然演替與人類活動(dòng)的規(guī)律等對(duì)于建立喀斯特田林湖草生態(tài)共同體、服務(wù)可持續(xù)發(fā)展、應(yīng)對(duì)全球氣候變化具有重要意義[5]。

1.2 水流促進(jìn)固碳的研究現(xiàn)狀

在研究全球碳循環(huán)過(guò)程中，尚且存在遺漏的碳匯，導(dǎo)致碳源匯失衡，使得碳匯估算容易失真，所以進(jìn)行對(duì)水有關(guān)的固碳研究，有助于尋找遺失的碳匯。陸地水生系統(tǒng)是連接陸地碳庫(kù)和海洋碳庫(kù)的紐帶，也是耦聯(lián)水生光合作用碳酸鹽巖風(fēng)化產(chǎn)生的巖溶碳匯的重要場(chǎng)所。但耦聯(lián)水生光合作用產(chǎn)生碳匯的大小和變化不明確，碳酸鹽溶蝕能夠吸收大氣中的CO2，從而達(dá)到固碳的效果，但部分學(xué)者認(rèn)為巖溶水存在CO2脫氣現(xiàn)象，對(duì)巖溶碳匯尚存懷疑；但也有學(xué)者研究表明，一定條件下，CO2脫氣對(duì)巖溶碳匯的影響有限，并且，存在的耦聯(lián)水生光合固碳作用[6]，能夠形成穩(wěn)定的有機(jī)碳匯，鞏固巖溶碳匯效應(yīng)。通常認(rèn)為，喀斯特地區(qū)河流以兩種方式參與全球碳循環(huán)：①輸送大量的總有機(jī)碳（TOC）和溶解無(wú)機(jī)碳（DIC）進(jìn)入海洋參與海洋碳循環(huán)；②通過(guò)CO2交換的形式與大氣直接進(jìn)行交換，增加大氣CO2濃度，因此，如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)巖溶作用形成穩(wěn)定的碳匯，不僅需要耦合CO2在巖石圈-水圈-大氣圈-生物圈之間的遷移過(guò)程，同時(shí)更需要深入了解水-氣界面CO2轉(zhuǎn)換過(guò)程及影響機(jī)制并為定量評(píng)估碳匯通量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7]，因此展開(kāi)了對(duì)巖溶地表水的水-氣界面CO2交換過(guò)程的研究，有學(xué)者研究硫酸型酸雨沉降至地表經(jīng)石灰土緩沖后，參與碳酸鹽溶蝕以及對(duì)巖溶碳匯的影響，以求更好地厘清CO2在各圈層中循環(huán)過(guò)程，為評(píng)估氣候變化，尋求有效固碳方法提供依據(jù)。廣大學(xué)者對(duì)巖溶固碳展開(kāi)了多方面的研究，如巖溶濕地的固碳作用研究，認(rèn)為濕地與其他陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的區(qū)別在于有大量適水生的植物，因而濕地系統(tǒng)的水生植物和藻類可以吸收固定巖溶中的HCO3－形成穩(wěn)定的內(nèi)源有機(jī)碳[8]。同樣也有以典型巖溶溶丘洼（谷）地流域-石期河流域以及地質(zhì)條件復(fù)雜，地形、氣象氣候條件多變的青藏高原東緣梯度帶、巖溶水庫(kù)等為研究對(duì)象進(jìn)行深入研究的，以期尋求相關(guān)規(guī)律，為固碳提供依據(jù)。隨著與水有關(guān)的固碳研究的深入，碳循環(huán)過(guò)程會(huì)更加明確，相關(guān)的固碳方法也會(huì)相應(yīng)得到完善，從而更好地促進(jìn)碳達(dá)峰，碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1.3 土壤中固碳的研究現(xiàn)狀

土壤中的CO2不僅是巖溶作用的重要驅(qū)動(dòng)力，還是生態(tài)系統(tǒng)中的碳和巖溶中的碳進(jìn)行循環(huán)的紐帶。巖溶中的碳匯量不僅受土壤中CO2的濃度的影響，而且土壤中氮也影響土壤固碳量[9]，同時(shí)氣候變化在一定的程度上也同時(shí)影響著巖溶的速率，雨季，隨著降雨的增多，土壤中的CO2濃度較高，部分CO2被雨水脈沖運(yùn)移向下，驅(qū)動(dòng)溶蝕下伏碳酸鹽巖，加快巖溶作用，從而使得固碳量增加。

但有研究表明在降雨量豐富，以及氣候條件相似的南方的部分喀斯特地區(qū)，控制徑流量的主要原因并不是降雨量，而是入滲系數(shù)。有關(guān)巖溶地區(qū)地下溶洞富含CO2有關(guān)的固碳研究表明，溶洞作為巖溶地下空間的特有窗口，溶洞中不僅富含CO2，而且補(bǔ)給過(guò)程復(fù)雜，試圖通過(guò)研究不同季節(jié)下巖溶洞穴各層CO2變化特征及其遷移路徑，以求探明巖溶系統(tǒng)CO2三相運(yùn)移過(guò)程，尋找遺漏碳匯方式，進(jìn)而尋求新的固碳方式[10]。溶洞內(nèi)部空氣環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，外部空氣環(huán)境相對(duì)多變，研究?jī)烧叩南嗷プ饔脵C(jī)制進(jìn)而為巖溶地區(qū)的固碳研究必不可少的“碳源匯”研究提供理論基礎(chǔ)以及參考的依據(jù)[11]。土壤中的碳還包括有機(jī)碳，有關(guān)土壤中的有機(jī)碳的研究也同樣能為固碳提供新的思路。巖溶地區(qū)地形地貌復(fù)雜，地質(zhì)背景特殊，土壤中的有機(jī)碳含量存在著顯著的空間異質(zhì)性，并且人類的活動(dòng)以及土壤的理化性質(zhì)同樣對(duì)土壤中的有機(jī)碳含量有著顯著的影響。通過(guò)對(duì)土壤有機(jī)碳的研究，可以更好地了解大氣環(huán)境、洞穴環(huán)境和土壤環(huán)境之間碳遷移路徑，可以更好地理解生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)路徑，為固碳研究提供重要思路。深入探討土壤理化性質(zhì)與土壤有機(jī)碳含量之間的耦合關(guān)系，有助于提高我們對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響機(jī)理、區(qū)域土壤演化、土壤侵蝕過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)方面的理解，從而弄清楚土壤的發(fā)生、發(fā)展和變化規(guī)律，為進(jìn)一步研究該區(qū)域土壤作為碳源還是碳匯提供參考依據(jù)[12]。有關(guān)石漠化地區(qū)增加固碳的研究表明，石漠化程度增加，土壤粘粒含量和土壤孔隙度均會(huì)降低，這也就說(shuō)明隨著石漠化的增加，在一定程度上導(dǎo)致土下巖溶作用會(huì)減弱[13]。因此加強(qiáng)石漠化的治理，種植人工經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，不僅能夠增加地表森林系統(tǒng)的固碳量，還能促進(jìn)地下巖溶區(qū)匯碳固碳。因此可以說(shuō)，巖溶作用對(duì)巖溶地區(qū)固碳有著積極作用[14]。

巖溶地區(qū)的可溶性巖石主要為石灰?guī)r和白云巖，但不同巖性的巖溶區(qū)的固碳能力也存在著差異。巖溶地區(qū)的可溶性巖石以碳酸鹽為主，研究表明巖溶過(guò)程的碳匯有利于大氣中CO2的固定，對(duì)未來(lái)全球氣候變化有著負(fù)反饋?zhàn)饔?，非巖溶區(qū)撒播碳酸鹽粉的巨大碳增匯潛力有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)未來(lái)的碳中和目標(biāo)。因此進(jìn)行與土壤有關(guān)的固碳研究有著巨大的潛力，隨著研究的深入相信會(huì)找到許多固碳的思路和有效的方法促進(jìn)我國(guó)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2 巖溶區(qū)巖石風(fēng)化固碳研究

近年來(lái)，全球碳循環(huán)面臨著CO2收支不平衡的挑戰(zhàn)，碳酸鹽溶解產(chǎn)生的巖溶碳匯，是不平衡碳匯產(chǎn)生的重要去向之一，巖溶碳匯是指巖溶作用過(guò)程中所產(chǎn)生的的碳匯，碳酸鹽巖在水的參與下可以與CO2發(fā)生化學(xué)形成各種獨(dú)特的巖溶地貌，并生成HCO3-，這一過(guò)程可以直接吸收大氣或土壤中的CO2形成碳匯，巖溶碳匯對(duì)碳循環(huán)有著重要的意義，是全球碳循環(huán)的重要組成部分。碳酸鹽巖風(fēng)化具有大氣與土壤CO2匯效應(yīng)，受生態(tài)系統(tǒng)因子驅(qū)動(dòng)與全球變化影響，巖溶地區(qū)碳匯具有地表和地下雙碳匯特征。巖溶碳循環(huán)作為一種表生低溫地球化學(xué)過(guò)程，積極參與全球碳循環(huán)，不僅對(duì)環(huán)境變化極其敏感，而且與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、土壤碳循環(huán)及土地利用變化密切相關(guān)。碳酸鹽巖溶蝕消耗的CO2可來(lái)自大氣，也可來(lái)自土壤微生物或根系呼吸，成為區(qū)域和全球尺度大氣CO2匯（地表碳匯）或土壤生物成因CO2匯（地下碳匯）。碳酸鹽溶蝕的過(guò)程中將空氣或土壤中的CO2消耗形成結(jié)晶，以達(dá)到固碳的目的。同時(shí)，碳酸鹽的風(fēng)化受到諸多因素的影響。

2.1 硫酸鹽風(fēng)化固碳結(jié)晶的影響因素[15]

吳慶等將影響風(fēng)化結(jié)晶固碳的主要因素歸結(jié)為：

2.1.1 自然因素 中國(guó)大陸巖溶分為3 種類型。①干旱半干旱型巖溶（北方），水循環(huán)慢，碳酸鹽易飽和，洞穴碳酸鹽沉積物較少。②亞熱帶潮濕型巖溶（南方），雨量充沛、雨熱同期、四季分明，碳酸鹽巖風(fēng)化強(qiáng)烈，洞穴具有大量沉積物。③高山或高原型巖溶（西藏），碳酸鹽巖風(fēng)化以機(jī)械風(fēng)化為主，巖溶形態(tài)以灰?guī)r峰、墻和石拱為特征。

2.1.2 土地因素 不同土地利用模式下的碳酸鹽巖風(fēng)化速率：原始林地＞次生林地＞灌叢。

2.1.3 水動(dòng)力條件 巖溶水循環(huán)過(guò)程是碳酸鹽巖風(fēng)化的驅(qū)動(dòng)力。巖溶地下水賦存在巖溶含水介質(zhì)中，巖溶地下水的補(bǔ)、徑、排特征通過(guò)改變水化學(xué)、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、流域邊界影響碳酸鹽巖風(fēng)化特征。暴雨條件下，巖溶水文過(guò)程加速碳酸鹽巖溶蝕，形成新的結(jié)晶及碳匯量。

2.1.4 微生物 地球表層系統(tǒng)中微生物是最活躍的地質(zhì)營(yíng)力之一。微生物對(duì)巖溶作用的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，有些可加速碳酸鹽巖的風(fēng)化，有些可利用CO2誘導(dǎo)形成碳酸鹽巖，有些改變碳循環(huán)周期產(chǎn)生有機(jī)碳埋藏（碳匯效應(yīng)）。碳酸鹽巖是地球上最大的碳庫(kù)，通過(guò)巖溶作用參與全球碳循環(huán)。碳酸鹽巖－水－CO2（氣）－土－生構(gòu)成巖溶碳循環(huán)過(guò)程（巖溶動(dòng)力系統(tǒng)），主要發(fā)生在淺表層巖溶帶。碳酸鹽巖具有快速溶解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，巖溶作用對(duì)環(huán)境變化具有高度敏感性。碳酸鹽巖風(fēng)化是巖溶碳循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)消耗大氣/土壤CO2，在地質(zhì)時(shí)間尺度上調(diào)節(jié)大氣CO2濃度，默默地參與全球碳循環(huán)和碳中和，具有顯著的碳匯效應(yīng)，在我國(guó)碳匯系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

2.2 溶洞中碳循環(huán)及固碳的研究現(xiàn)狀

在巖溶區(qū)，喀斯特溶洞內(nèi)的碳循環(huán)研究具有重要意義。近年來(lái)洞穴系統(tǒng)碳循環(huán)的研究成果，包括CO2遷移和以同位素為媒介來(lái)揭示碳循環(huán)過(guò)程的經(jīng)典案例研究，將洞穴系統(tǒng)碳循環(huán)路徑分為4 個(gè)部分：垂直黑箱的碳循環(huán)、水氣交換中的碳循環(huán)、通風(fēng)效應(yīng)（煙肉效應(yīng)）中的碳循環(huán)與其他碳源。但是實(shí)驗(yàn)證明喀斯特關(guān)鍵帶洞穴系統(tǒng)碳循環(huán)研究仍存在不足之處，由于洞穴上覆基巖中的CO2并不能直接觀測(cè)，使洞穴上覆表層巖溶CO2難以估算。目前對(duì)于利用水中CO2和SIC 計(jì)算的方法也存在很大的不確定性。喀斯特不同發(fā)育階段關(guān)鍵帶類型、結(jié)構(gòu)特征、氣候特征、地表覆被、土壤結(jié)構(gòu)、巖石特征以及水化學(xué)性質(zhì)差異特征需要構(gòu)建一套定量的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法。

目前，溶洞中的結(jié)晶固碳形成的主要過(guò)程是，碳酸鹽巖風(fēng)化形成的無(wú)機(jī)碳（HCO3-）隨水流在巖溶介質(zhì)中遷移，在地下洞穴中，CaCO3飽和、過(guò)飽和巖溶水的滴落，水體中CO2逸出到洞穴大氣中，隨著不飽和的巖溶水繼續(xù)與碳酸鹽巖反應(yīng)，重新溶解碳酸鹽巖并吸收周圍環(huán)境中CO2，地下巖溶水出露地表，水環(huán)境的改變，水－氣界面CO2逸出釋放到大氣中。韋延蘭等研究表明，巖溶碳匯潛力巨大，人為活動(dòng)可以增加巖溶固碳增匯效果，下一步，以地球系統(tǒng)科學(xué)和巖溶動(dòng)力學(xué)理論為指導(dǎo)，通過(guò)開(kāi)展巖溶碳匯機(jī)理研究、本底調(diào)查、典型巖溶流域碳通量監(jiān)測(cè)、人為干預(yù)增匯技術(shù)試驗(yàn)示范，掌握巖溶固碳的過(guò)程，構(gòu)建自然狀態(tài)下巖溶碳匯通量計(jì)算、測(cè)算與監(jiān)測(cè)方法，提高巖溶固碳效率，以推動(dòng)巖溶碳匯的開(kāi)發(fā)利用[16]。

3 結(jié)語(yǔ)

碳達(dá)峰和碳中和作為當(dāng)今生態(tài)的重要研究課題，2021年10 月，《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》（國(guó)發(fā)[2021]23 號(hào)）指出十四五是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期，要提升生態(tài)碳匯能力，有效發(fā)揮森林、土壤、巖溶等的固碳作用，提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯增量。中國(guó)是巖溶大國(guó)，開(kāi)展巖溶碳匯研究是應(yīng)對(duì)氣候變化和中國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的基礎(chǔ)支撐，因此碳循環(huán)中固碳的研究自然也就必不可少。但是目前巖溶區(qū)的固碳研究還缺少系統(tǒng)的方法，固碳量的計(jì)算方法也不精準(zhǔn)。因此未來(lái)應(yīng)該致力于將巖溶動(dòng)力學(xué)理論作為指導(dǎo)，配合地球系統(tǒng)科學(xué)研究出一套適合固碳研究的方法。