珠江流域水化学组成的时空变化特征及对岩石风化碳汇估算的意义

基于水-岩-气-生相互作用的碳酸盐风化碳汇模型表明,陆地碳酸盐风化碳汇是大气CO_2汇的重要组成部分;然而,碳酸盐风化碳汇的过程、机制和控制因素仍有待进一步的研究。本文采用野外监测、现场滴定和样品室内测试相结合的方法,对珠江流域支干流分旱季和雨季进行了4次野外监测取样,研究其水化学组成的时空变化特征。结果表明:珠江流域支干流的水化学组成受流域岩石风化、气候和水生光合作用的共同影响,并具有明显的时空变化特征。空间上,南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,水流较慢,水质清澈,水生光合作用强烈,电导率、[HCO_3^-]和[Ca^(2+)]的空间变化主要受水生光合作用控制;从红水河上游蔗香段至肇庆西江大桥监测点,反映的是流域岩石风化对水化学空间变化的影响。季节变化上,西江的电导率、[HCO_3^-]和[Ca^(2+)]呈现出夏季低、冬春季高的特征,主要反映稀释效应的控制。西江干流河水的溶解氧具有明显的季节变化,在上述南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,DO是夏季高冬季低,其他监测点是冬季高而夏季低;DO的季节变化受水生光合作用强度的控制。在南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,温度是光合作用强度的限制因子,而其他监测点的光合作用限制因子为浊度影响的光照。造成上述差异的原因是监测点的水文环境不同。通过对梧州水文站流量和[HCO_3^-]变化的分析发现,[HCO_3^-]的季节变化幅度相对流量小得多,显示在西江流域中,HCO_3^-也存在化学稳定性行为。因此在西江流域中,流量变化是岩溶碳汇通量变化的主控因子。研究还发现,西江流域中具有强烈的生物碳泵效应,由内源有机碳形成的碳汇通量约占传统计算模式碳汇(溶解无机碳-DIC)通量的40%。因此,在估算珠江流域碳酸盐风化碳汇时,必须考虑水生生态系统光合生物对DIC的利用形成的有机碳的贡献。

天津平原区浅层地下水水化学特征及碳酸盐风化碳汇研究

大气CO_(2)浓度在控制全球气候变化方面具有至关重要的作用,研究碳循环、CO_(2)收支平衡和精确评估是制定区域CO_(2)减排策略和寻找新的碳汇途径最重要的组成部分。碳酸盐风化碳汇是全球碳循环研究的一个重要方向。为此,本研究以天津平原区浅层地下水为研究对象,通过对地下水调查及水样的采集与分析,运用水化学分析方法分析了地下水水化学特征,并估算了地下水总储存量、DIC储量和碳酸盐风化碳汇量。研究结果表明:浅层地下水化学场自北部山前平原向南部冲积平原和滨海平原,呈现出自北而南和由北西向南东的水平水化学分带规律,地下水由低浓度的淡水、微咸水变为高浓度咸水,沿此方向水化学类型由HCO_(3)-Ca·Na·Mg→Cl·SO 4-Na→Cl·HCO_(3)-Na→Cl-Na型转变;淡水区、微咸水区和咸水区面积分别为733、3034和6564 km^(2)。地下水水化学组分中Ca^(2+)、Mg^(2+)和HCO^(-)_(3)主要来源于碳酸盐的溶解作用。研究区浅层地下水总储存量为2241640万m^(3),总DIC储量为8.13×10^(6) t,总碳汇量为4.11×10^(6) t。研究区浅层地下水淡水区、微咸水区和咸水区地下水储存量分别为157799万、6245936万和1459247万m^(3),DIC浓度分别为19~200、19~200和19~342 mg/L,DIC储量分别为0.67×10^(6)、1.65×10^(6)和0.58×10^(6) t,碳汇量分别为0.22×10^(6)、0.90×10^(6)和2.98×10^(6) t。沿地下水流向,DIC、储量和碳汇量的空间分布均呈现出由低到高的趋势。

气候变化及生态恢复对喀斯特槽谷碳酸盐岩风化碳汇的影响评估

评估气候变化及生态恢复对碳酸盐岩风化碳汇(CS)的复合影响机制是当前喀斯特生态系统碳循环及气候变化研究领域的一个重要任务。基于碳酸盐岩热力学溶蚀模型估算了1992-2017年中国西南喀斯特槽谷碳酸盐岩风化碳汇通量(CSF),利用Lindeman-Merenda-Gold模型定量评估了气候及生态恢复因子对槽谷CSF的相对贡献率。研究结果表明:(1)槽谷整体年均温及年降雨量均处于持续升高的趋势,增速分别为0.06℃/a及12 mm/a,进入21世纪之后,增速均有一定程度的放缓,年蒸散发在21世纪以前为增加的状态,2000年以后整体表现为减少的趋势;(2)槽谷植被覆盖度增加速率为0.004/a,其增加区域的面积占比达到了95.07%,槽谷生态系统恢复效果显著;(3)槽谷的年均CSF约为9.42 t C km-2 a-1,研究期间处于增加的状态,其年均增长速率约为0.2 t C km-2 a-1,CSF增加区域的面积占比约为89.28%;(4)槽谷CSF受到气候因素(降雨、蒸散发、温度)及生态恢复2方面的影响,其中降雨、温度及生态恢复反馈因子FVC与CSF呈正相关关系,ET与CSF呈负相关关系,降雨对于研究区CSF的贡献率最大,达到了70.36%;(5)本研究揭示了气候变化及生态恢复对岩石风化过程的复合影响机制。

怒江水化学与碳同位素组成对青藏高原岩石风化碳汇效应的指示

青藏高原是世界上地质构造和环境背景最复杂的地理单元之一,也是大陆风化与碳循环研究的重点区域,其风化碳通量的准确厘定一直是地质过程碳源-汇量化和机制研究的热点和难点.相对高原其他大河,怒江受人类活动影响较弱,保持着较为原始的状态.本研究对怒江流域高时空分辨率水化学和双碳同位素(δ^(13)CDIC-Δ14CDIC)组成进行分析,结果表明:河水溶质和溶解无机碳来源于碳酸和硫酸对岩石的风化反应,以碳酸盐岩风化贡献为主,并明显受到断裂带温泉中深部碳混入的影响.怒江干流地质碳和现代碳的平均贡献分别为35.2%和64.8%;硫化物氧化贡献了河水中90%以上的硫酸根.在考虑硫化物氧化产生的硫酸参与岩石风化过程后,流域硅酸盐岩和碳酸盐岩风化对大气CO_(2)的消耗通量分别降低了约52.0%和37.4%.怒江流域风化在短时间尺度上为“碳汇”,而硫酸参与使其在地质时间尺度上表现为“碳源”.河流离子浓度、特征元素比值和不同岩石风化物质贡献的时间变化表明,流域碳酸盐岩风化较硅酸盐岩风化对温度和径流变化更为敏感,其对河流物质输入贡献份额在季风降雨期明显升高,不同岩石风化过程对河流溶质的影响受控于水文路径和水-岩反应时间.本研究揭示了代表性高原流域不同岩石化学风化贡献和碳汇效应对水热条件变化的响应,对于阐明高原流域风化控制机制及其碳源-汇净效应具有重要科学意义.

岩石风化碳汇研究进展：基于IPCC第五次气候变化评估报告的分析

岩石风化碳汇特别是碳酸盐岩风化碳汇积极参与了全球碳循环过程。最新的IPCC第五次气候变化评估报告（AR5）指出全球岩石风化碳汇约为0．4PgC／a，占不平衡碳通量的1／2～1／3，并改进和区分了岩石风化碳汇的时间尺度，将硅酸盐岩风化碳汇时间尺度视为104～106年，碳酸盐岩风化碳汇时间尺度视为103～104年。AR5报告将岩石风化碳汇列为CO2移除的4种方法之一，其碳酸盐岩风化碳汇时间尺度属于百年至千年级。虽然AR5报告提出了前述新认识，但仍认为岩石风化碳汇速率太慢，未纳入全球碳收支核算。结合近年来的研究进展，讨论了AR5报告目前对岩石风化碳汇在通量、时间尺度和风化碳汇效应等方面认识的不足，提出了加强岩石风化碳汇速率、稳定性、影响因素和尺度转换方面的研究建议，以期进一步加强岩石风化碳汇研究工作，为平衡全球碳收支做出科学贡献。

微藻无机碳利用在岩石风化及碳循环过程中的作用

岩溶碳汇呈现两种不同观点:(1)岩溶碳汇巨大,其机理在于岩溶区藻类及光合细菌利用碳酸氢根离子(HCO^(−)_(3))实现光合作用,从动力学上加速了岩溶风化过程,促进大气CO_(2)的溶解。(2)岩溶区碳酸盐岩的风化作用,产生HCO^(−)_(3),随后产生等量的阳离子在海洋中进行碳酸盐岩的沉积作用,这仅仅体现的是碳酸盐岩的搬运作用,不能体现碳汇,在长期尺度上仅仅有硅酸盐岩风化产生净碳汇。文章抓住岩石风化产生HCO^(−)_(3)与微藻光合作用利用HCO^(−)_(3)的耦合点,分析了典型代表性水生生物——微藻在无机碳利用上对岩石风化及碳汇的影响。从微藻光合无机碳利用机制以及光合作用关键性酶-碳酸酐酶(CA)作用两方面,论证了微藻生长对岩石风化及其碳汇的的促进作用;同时论述高pH、高HCO^(−)_(3)的风化环境对微藻生长影响。获得以下新认识:(1)微藻通过胞外碳酸酐酶(CAex)利用了大量HCO^(−)_(3),加速岩石风化,并促使风化朝着形成HCO^(−)_(3)的方向进行;(2)微藻加速钙镁硅酸盐岩风化,风化溶出的Ca^(2+)、Mg^(2+)会促使碳酸盐岩的沉积,因此微藻加速硅酸盐岩风化形成净碳汇;(3)长时间尺度下,单纯的碳酸盐岩化学风化并不能直接产生净碳汇,但微藻对HCO^(−)_(3)利用使得碳酸盐岩风化朝着HCO^(−)_(3)转化方向进行,微藻参与碳酸钙沉积作用的同时转化无机碳为惰性有机碳,产生碳汇。故微藻通过CAex的作用,催化加速HCO^(−)_(3)与CO_(2)之间的转化,形成水体HCO^(−)_(3)消耗的动力基础,微藻无机碳利用对岩石风化具有促进作用,从而调节大气CO_(2)、浓度变化。基于当前研究,提出三点展望:(1)开展岩溶区区域水体系统的岩石风化、水生生物碳汇评估成为解决当前区域碳收支不平衡问题的关键;(2)查明岩石风化作用中生物作用碳转化机理及转化量,解决单纯的水化学径流法计算岩石风化碳汇精度不够问题;(3)构建光合生物参与下的新的评估方法,评估当前岩石风化在水生生物、水循环作用下的碳汇的时间尺度问题,厘清岩石风化碳汇在碳收支中的贡献。

中国石灰岩化学风化碳汇时空演变特征分析

明确区域乃至全球碳酸盐岩化学风化碳汇的量级、空间格局及演变特征对解决陆地遗失碳汇难题、碳循环系统收支不平衡等问题具有极其重要的意义.为此,文章利用长时间高精度生态气象水文栅格数据以及中国和周边44个流域的监测数据,基于随机森林算法及碳酸盐岩最大潜在溶蚀模型,对中国碳酸盐岩中最主要的岩石类型即石灰岩在2000～2014年的化学风化碳汇进行估算,并对其空间格局、演变特征及趋势进行系统分析.结果显示:中国石灰岩区域Ca^(2+)及HCO_3离子活度系数高值主要分布于中国北方和西北区域,整体上呈现出由西北向东南逐渐减少的态势;中国2000～2014年石灰岩年均风化碳汇通量为4.28t C km^(-2)a^(-1),各区域差别较大,高值主要分布在中国东南岩溶区域,并且呈现出由西北向东南逐级递增的状态;在纬度上,中国南方28.14°N以南是通量波动最大的区域,整体上通量随着纬度的降低而呈现出增加的趋势;在气候带上,亚热带与热带区域是通量最大的区域,对于寒带、中温带、暖温带以及温带区域,荒漠气候带是这些气候类型中通量最小的区域,而草原气候带及阔叶林气候带是通量最大的区域;基于像元的趋势分析显示,中国石灰岩风化碳汇处于轻微增加的状态,其通量增长速率约为0.036t C km^(-2)a^(-1);全国石灰岩风化碳汇总量为7.07Tg C a^(-1),在研究期间处于波动的状态,在2002、2008及2010年为总量最大的三个年份,在2011年为最低,同样处于轻微增加的趋势,其增长速率约为0.06Tg C a^(-1);西藏自治区是中国石灰岩风化碳汇最大的行政区,总量达到了1.20Tg C a^(-1),南方岩溶区为中国石灰岩风化碳汇最大的岩溶分区,总量为4.95Tg C a^(-1),其碳汇占到中国石灰岩风化碳汇总量的70.01%;基于不同类型碳酸盐岩的风化碳循环差异及其关系估算得到中国碳酸盐岩的风化碳汇总量可达11.37Tg C a^(-1),其通量约为5.02t C km^(-2)a^(-1),碳酸盐岩风化碳汇总量相当于中国生物量碳汇的16.20%,这说明碳酸盐岩风化碳汇是中国碳汇系统的重要组成部分.此外,排除径流深为负值区域的干扰,中国碳酸盐岩风化碳汇通量可达6.54t C km^(-2)a^(-1).文章的研究模式对未来进一步改进全球尺度碳酸盐岩风化碳汇的精确估算具有重要的参考价值.

抚仙湖水生植物HCO^(-)_(3)利用效率及与之相关的内源有机碳沉积通量研究

因可能是全球“遗失碳汇”的重要组分,耦合生物碳泵效应的碳酸盐风化碳汇日益受到学界关注,并且其对不同时间尺度上的气候变化都可能产生重要影响。由碳酸盐风化产生的HCO^(-)_(3)能否形成稳定的碳汇尚缺乏足够论证,厘清这一问题的关键在于如何有效评估水生植物固定HCO^(-)_(3)的能力,尤其是植物残体进入沉积物后的实际碳固定量。本文基于已发表的抚仙湖数据,利用碳同位素端元模型估算了抚仙湖水生植物光合固定HCO^(-)_(3)碳量,发现无机碳源中约有57%是以HCO^(-)_(3)的形式被水生植物光合固定下来,碳汇通量达24.76 tC/(km^(2)·a)。而可能由于微生物分解等作用,抚仙湖现代沉积物中真正被埋藏下来的内源有机碳沉积通量,即耦合生物碳泵效应的碳酸盐风化碳汇通量仅为9.2~16.4 tC/(km^(2)·a),这大致相当于水生植物所固定HCO^(-)_(3)的一半。尽管如此,水生植物的光合作用和碳酸盐风化耦合作用仍表现出巨大的碳汇潜力。因此,在未来的全球碳循环和气候变化模型中需考虑碳酸盐风化碳汇的影响。

我国西南喀斯特生态修复的十大问题与对策

西南喀斯特地区是美丽中国建设的重点和难点区域之一,其中包括土壤侵蚀、坡耕地比例、水资源污染、岩溶干旱、生态修复、协同碳汇、城市化生态效应、石漠化治理指标、生物多样性及可持续性评估等方面的问题。文章将喀斯特地区生态修复实践过程中积累的知识综合成土壤侵蚀、坡耕地比例、水资源污染、岩溶干旱、生态修复、协同碳汇、城市化生态效应、石漠化治理指标、生物多样性及可持续性评估等10个方面的问题和解决措施。它们有助于解释在喀斯特生态修复方面实现可持续性所面临的挑战,进而文章也指出了解决办法。它们构成了一套核心原则,可以指导科学家、政策制定者和实践者应对喀斯特生态修复工程中的可持续性挑战。