大陆碳酸盐岩风化成土速率和岩石碳汇取得进展

发布时间：2020-01-06

碳酸盐岩风化成土速率对气候变化和人类活动的响应已成为全球变化研究的焦点问题之一。然而，碳酸盐岩石风化成土速率的空间格局、演变过程尚不清晰制约了区域生态恢复与可持续发展，碳通量的空间分布以及控制机制的不明确限制了陆地生态系统碳收支不平衡的研究。

为此，中科院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室王世杰研究员率领的研究团队在《Remote Sensing》、《Science of The Total Environment》、《Solid Earth》、《Science China-Earth Sciences》、《地理学报》、《中国科学》、《生态学报》等国内外重要学术期刊发表了多篇学术论文，揭示了陆地碳酸盐岩风化成土速率和碳汇的空间格局、演变过程等。

碳酸盐岩风化成土与土壤允许流失量：基于长时间序列的气象水文数据，通过碳酸盐岩溶蚀模型和成土速率计算模型，测算了1983-2015年中国喀斯特地区成土速率，并对其空间格局、演变特征及趋势进行系统分析，结果表明:平均溶蚀速率呈现“东南高、西北低”的空间分布格局，溶蚀速率介于0-106mm/ka，平均值为22.51mm/ka（图1）；多年平均成土速率空间上呈现明显的异质性,呈现“东南高、西北低,高值区镶嵌于低值区”的分布格局，成土速率介于10-134.93 t km^？²yr^？¹，平均值为18.59 t km^？²yr^？¹（图2）。同时，重新评价了整个中国喀斯特地区的水土流失风险，发现土壤侵蚀风险区是生态安全区的近4倍（图3b），更新了“岩溶地区土壤侵蚀量低，而绝大部分便处于生态安全”的传统认识和观念，今后应对土壤侵蚀风险区的生态修复与防治予以特别关注。研究基于多源数据将遥感与地理空间分析技术应用到了岩石风化成土速率计算，开辟了遥感技术在固体地球科学领域研究的新战场，为国际同行使用遥感技术研究大陆风化和土壤形成演化提供了新范例。

　　图1 1983~2015年中国喀斯特地区溶蚀的空间格局（a）和纬度变化（b）

图2 1983~2015年中国喀斯特成土速率的空间格局（a）和纬度变化（b）

　　图3 中国及周边流域监测点分布（a）和中国喀斯特地区土壤侵蚀风险评价图（b）

岩石风化碳汇与全球变化：基于径流模数、主要离子浓度及溶解无机碳等全球水文水化学监测数据，采用水化学径流法估算全球河流流域碳酸盐岩风化对CO₂的吸收量级，阐明了流域碳酸盐岩风化碳汇沿经纬度、不同气候带及不同喀斯特面积比例下的CO₂吸收通量及吸收速率分布格局，并讨论了影响碳酸盐岩风化碳汇的关键影响因素。

　　图4 基于柯本气候分类的全球主要河流流域分布及不同气候带CO₂吸收通量与吸收速率(Af. 热带雨林气候; (Am.热带季风气候; Aw.热带干湿性季气候; BWh, BWk. 沙漠气候;BSh, BSk. 半干旱气候; Cfa, Cwa. 副热带湿润气候; Cfb, Cwb, Cwc, Cfc. 海洋性气候;Csa, Csb. 地中海式气候; Dsa Dfa, Dwa, Dsb, Dfb, Dwb. 大陆性湿润气候;Dfc, Dwc, Dfd, Dwd, Dsc, Dsd. 副极地气候; ET, EF. 极地气候)

研究结果表明：全球主要河流流域碳酸盐岩对CO₂的吸收速率为0.43±0.15 Pg CO₂ yr^？¹，平均CO₂吸收通量为7.93±2.8 t km^？² yr^？¹。CO₂吸收通量在不同气候带下差异显著，热带和暖温带CO₂年吸收速率占全球主要河流流域年吸收速率的62.95%。冷温带CO₂年吸收速率占全球主要河流流域的33.05%，仅次于热带地区（图4）。文章划分出了全球CO₂吸收通量的9个关键带，关键带的交汇处CO₂吸收通量较高（图5）。喀斯特出露流域碳酸盐岩对CO₂吸收通量的均值为8.50 t km^？² yr^？¹，约为非喀斯特流域的3倍。全球喀斯特出露流域碳酸盐岩风化碳汇在全球碳循环、水循环及碳收支平衡估算研究方面占据重要地位。