基于Web of Science的岩溶碳循环及碳汇效应研究动态分析

为了解岩溶碳循环及碳汇效应研究热点和发展方向,基于Web of Science核心合集引文索引数据库,对1997年1月1日-2023年6月30日间的573篇文献进行了文献计量学引文分析。利用Cite Space软件对关键词频率、国家(地区)和机构分布、作者影响、研究热点、共被引文献以及主题演变进行了分析。结果表明,以刘再华为核心的研究团队继承和发扬了袁道先提出的岩溶作用参与全球碳循环并具有碳汇效应的观点,并提出了偶联碳酸盐岩风化碳汇模型,极大推动了岩溶碳汇的研究。关键词聚类的时间线图和关键词时区图清楚地展现了该领域的发展动态,可认为岩溶碳循环及碳汇效应领域经历3个发展阶段:1)1997-2006年的起步阶段,粗略估算了全球碳酸盐岩风化回收大气CO_(2)的量为0.110~0.608 Gt C·a^(-1),占全球碳遗漏的15%~30%;2)2007-2014年的碳酸盐岩化学风化研究快速发展阶段,主要关注不同流域在外源酸、径流条件及植被覆盖对碳酸盐岩风化的影响;3)2015年之后以大气-生物-土壤-水-基岩为系统的岩溶关键带理论指导下的碳循环及碳汇效应研究新阶段,考虑了水生生物光合作用、气候变化及土地利用变化等条件下岩溶碳循环及碳汇效应。

岩溶碳循环及碳汇效应研究与展望

碳酸盐岩风化是全球碳循环的重要组成部分,具有大气与土壤CO_(2)汇效应,受生态系统因子驱动与全球变化影响,岩溶地区碳汇具有地表和地下双碳汇特征。简要介绍岩溶碳循环与全球变化关系,论述岩溶碳汇的相关科学问题和主要进展,分析岩溶增汇潜力与土地利用变化,进一步提出基于岩溶关键带理念的碳酸盐岩风化过程概念模型。碳酸盐岩风化产生的碳汇可能是全球碳循环“遗漏碳汇”的贡献者,同时具有缓解土壤CO_(2)向大气释放的作用,进而成为全球碳循环模型中“土地利用变化项”(E_(LUC))的重要调节者(减源效应)。碳酸盐岩风化过程能快速响应短时间尺度变化环境因子,是岩溶关键带中连接生物、水文与地球化学过程的核心驱动机制。岩溶碳循环可理解为是土壤-生态系统碳循环的延伸或横向组成部分,共同组成岩溶地区完整的陆地浅表层碳循环系统。碳酸盐岩风化对大气CO_(2)浓度上升的负反馈效应,石漠化治理与生态修复工程的持续推进,蕴藏着巨大的岩溶固碳增汇潜力。应加强土壤CO_(2)季节及其区域变化监测与研究,构建基于土壤CO_(2)与流域水化学指标相关性的反向模型,为估算区域碳汇本底、评估年际碳汇增量与潜力提供更加清晰且有效的岩溶增汇方案与途径。

微型生物在岩溶碳循环中的作用研究回顾与展望

全球气候变化问题使岩溶系统碳循环的研究倍受关注,有关微型生物及其碳酸酐酶在岩溶系统碳循环中的作用的认识也在不断深入。文章回顾了微型生物及其碳酸酐酶在碳酸盐岩风化以及碳酸盐岩沉积过程中的作用过程及作用机制,指出未来的研究需结合不同岩溶生态环境,量化微型生物及其碳酸酐酶对岩溶生态系统碳增汇的影响,为深入研究微型生物及其碳酸酐酶对岩溶碳汇的贡献、增加岩溶生态系统碳汇的能力、助力实现碳中和提供参考。

岩溶碳汇原理、过程与计量

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。

普定岩溶水-碳循环模拟试验场水体双碳同位素特征(δ^(13)C-Δ^(14)C)与碳足迹

河流输送到海洋的溶解无机碳(DIC)和有机碳(OC)受自然和人为双重因素的影响。了解DIC和OC的年龄、来源和转化,有助于掌握全球碳收支和提高现在以及未来自然和人类对河流碳循环影响的估算精度。本研究以普定岩溶水碳循环试验场泉(地下水)池(地表水)耦联系统为研究对象,利用双碳同位素(^(13)C-^(14)C)方法,结合水生植物生长和传统水文地球化学特征,揭示了地下水地表水系统中DIC和颗粒有机碳(POC)的来源及其转化机制。研究发现:(1)泉池系统中DIC和POC的Δ^(14)C具有相同的变化趋势,泉水中Δ^(14)C值低于池水中Δ^(14)C值,反映后者可能有“较年轻”的CO_(2)的加入;(2)池水水化学和碳同位素变化由土地利用类型和池中水生植物共同控制;(3)池水中颗粒有机碳(POC)浓度明显高于泉水,且其Δ^(14)C值表现出与沉水植物和DIC的一致性(表观年龄均为3200~900 a),说明池水POC主要源于池中水生植物光合作用利用了碳酸盐风化产生的老碳(DIC),使新形成的有机质在表观年龄上“偏老”;(4)池水水体内源有机碳对水体POC的贡献在75%以上,内源有机碳通量(以C计)在250 t·km^(-2)·a^(-1)至660 t·km^(-2)·a^(-1)之间,相对于其他土地利用类型,草地对应的地表水系统具有最大的内源有机碳占比和通量,指示了沉水植物控制型浅水水体初级生产对有机碳循环的重要作用。综上,我们认为在岩溶区通过土地利用调整来调控水生植物群落对于增加碳汇具有重要潜力。

中国岩溶碳汇过程与效应研究成果及展望

我国是世界能源消费和CO_2总排放量第一大国,碳减排任务艰巨,责任重大。据调查,我国岩溶碳汇与森林、土壤碳汇在同一数量级,但其要在国家层面发挥重大作用,其影响因素及机理需要进一步调查和阐释,估算精度还有待提高。系统总结了流域尺度岩溶碳循环过程,并重点揭示了生物作用对岩溶碳循环的影响;研究了水圈二氧化碳的再循环规律;评估了外源水对岩溶作用的影响程度和促进强度;利用数学回归模型估算区域岩溶碳汇通量,提高了由点到面岩溶碳汇通量估算精度,并提出增加岩溶碳汇潜力技术途径,为我国岩溶碳汇通量科学估算提供支撑。

岩溶动力学理论与现代岩溶学发展

岩溶动力学理论的核心是碳水钙循环,强调系统思维和全球视野观,提出了岩溶动力系统概念模型、结构与功能。岩溶动力学研究产生的新的学科生长点,对现代岩溶学形成与发展具有里程碑式的意义。“岩溶形态组合”概念的提出为岩溶不均一性研究、岩溶类型与形成环境划分奠定了完整的方法体系;将岩溶学研究成功引入全球变化领域,由此开辟了岩溶碳循环与碳汇效应研究,为重新认识岩溶作用在全球碳循环中的地位打开了窗口;将岩溶地球化学研究延伸至无机与有机过程的融合研究,为脆弱岩溶环境修复与保护提供了更加清晰的思路与方法。岩溶IGCP项目的执行,体现了岩溶动力学理论为建立联合国教科文组织国际岩溶研究中心的指导意义,同时,岩溶动力学理论为我们自觉融入国家“一带一路”倡议、生态文明发展战略和“双碳”目标等奠定了坚实的理论与方法基础。