中国南方喀斯特作用与全球碳循环关系研究

中国南方喀斯特作用与全球碳循环关系研究——以滇北昭通地区研究为例KarstificationinsouthChinaanditsrelationshipwithglobalcarboncycle:asanexampleofZhaotongcity,northofYunnanProvince研究背景Shimel(1938)首次提出CO2收支不平衡。全球存在碳汇失量达2-3Pg,占全球总碳的10%-20%。对于“未知汇”在陆地上空间分布和吸收强度有许多不同的看法（e.g.Fanetal.,1998,Potteretal.,1999,Hollandetal.,1999,Houghton,1996)1997年，全球141个国家和地区联合签定了《京都协议书》，旨在削减温室气体排放，遏制全球气候变暖。喀斯特与碳循环(fromYuan,2003)岩溶动力系统概念模型（fromBogliA,1980)世界上喀斯特分布面积为4000×104km2，我国达363.1×104km2（包括裸露的和埋藏的）几乎遍及各个省（市），其中在我国西南四川、云南、贵州、重庆、广西分布尤为典型和普遍，它以贵州高原为中心区，形成西南岩溶区，区域面积115×104km2，其中岩溶面积为70×104km2。占全国岩溶区总面积的19.2%。搞清喀斯特在全球碳循环中中国陆地是碳源还是碳汇，是关系到中国未来能源政策和农业政策制定及履行在联合国气候变化框架公约中所达成的共识-稳定当前大气温室气体含量。徐胜友、蒋忠诚（1997）提出我国碳酸岩岩溶作用对大气CO2贡献是汇大于源。刘明柱等（1999）估算出中国北方碳酸盐岩吸收CO2为5.77×1012g/a，全球碳酸盐岩CO2吸收量为3.18×1014g/a，占CO2平衡丢失总量的3.74%。蒋忠诚、袁道先（1999）对我国和全球岩溶作用回收大气CO2的量进行了初步估算，中国全国为1.774×107tC/a，全球年回收2.2×108~6.08×108tC/a。占当前碳循环模型中的全球遗失汇的1/3。他们计算的理论依据主要是根据石灰岩溶蚀试片法、水化学法和扩散边界层理论（DBL）（袁道先,1999），其计算的结果主要是反映碳酸岩裸露区由于溶蚀作用而产生的CO2汇。问题：土壤覆盖下碳酸盐岩区对土壤CO2产生什么样的影响？在地球演化史中，不同的沉积环境造成的岩性差异对之有什么样的影响，如何合理地评估这一影响对土壤及CO2影响。研究思路影响因素碳酸盐岩区土壤剖面CO2特征非碳酸盐岩区土壤剖面CO2特征碳酸盐岩对土壤剖面CO2影响CO2气体运移数值模拟模型消耗土壤CO2浓度定量估算岩性对比分析SOC，pH等喀斯特作用与全球碳循环评估陆地碳源汇寻找“遗漏汇”研究区及采样位置覆盖不同岩性及植被类型非碳酸盐岩区土壤剖面CO2浓度特征二叠龙潭组（P2l）页岩（图2.a-d），二叠峨眉山玄武岩组（P2ß）玄武岩（图2.e），三叠飞仙关组（T1f）泥岩（图2.f），三叠须家河组（T3x）粉砂岩夹页岩（图2.g）非碳酸盐岩区土壤CO2浓度与剖面深度回归方程RegressionanalysisofsoilCO2concentrationandprofiledepthinnon-carbonateareas剖面回归方程R2P乌锋P2l灌丛（9）y=0.0077x+0.76920.920.179乌锋P2l次生林（10）y=0.0099x-10.5950.800.016*乌锋P2l草丛（11）y=0.0015x+11.5270.800.042*墨黑P2l农田（12）y=0.0031x+12.2390.800.039*堰塘P2ß草丛（17）y=0.0415x-19.1140.850.077镇雄T1f草丛（21）y=0.15x-700.90.051旧城T3x灌丛（19）y=0.0086x+5.68750.810.101注：（）为剖面编号，*表示在α=0.005水平上显著相关。总之，非碳酸盐岩区土壤剖面CO2浓度随土壤深度增加而增加吴威（2003）、Jian(2003)、Atsuhiro（2004）等人所做的工作也表明土壤剖面CO2浓度随深度增加而增加。James和George长期对GeorgiaWhitehall森林的观测模拟出土壤剖面CO2浓度随深度变化的线性方程，相关系数R2=0.99，在α=0.0005水平上极显著相关，这些与我们所观测到的具有较好的吻合性。奥陶湄潭组（O1m）、宝塔组+观音桥组（O2-3）、二叠栖霞组+茅口组（P1m(q)）、长兴组（P2c）、三叠关岭组（T2g）碳酸盐岩区土壤剖面CO2浓度JongandSchappetr(1972)、Buyannovsky和Wagner(1983)、Solomon和Cerling(1987)和徐胜友与何师意（1996）都曾报道过碳酸盐岩区土壤CO2浓度在土壤一定深度处出现最大值，然后随深度的增加而减小，这与我们所观测到的相一致。板桥O1m农田（图3.f）、板桥P1m(q)灌丛（图3.l）土壤CO2浓度随深度增加一直减少，这种土壤浅部CO2浓度高于土壤深部CO2浓度的情况在我国碳酸盐岩地区很少发现(唐灿,周平根,1999;黎廷宇等,2001)土壤有机碳特征喀斯特页岩区(非碳酸盐岩区)土壤CO2与土壤有机碳回归分析CorrelationanalysisofsoilCO2andsoilorganiccarboninshaleareaofkarst剖面回归方程R2P乌锋P2l灌丛（9）y=-618.67x+4199.60.670.387乌锋P2l次生林（10）y=-766.39x+7548.90.290.239乌锋P2l草丛（11）y=-13093x+698900.740.351墨黑P2l农田（12）y=-8646.2x+494900.850.077喀斯特碳酸盐岩区土壤CO2与土壤有机碳回归分析CorrelationanalysisofsoilCO2andsoilorganiccarbonincarbonateareaofkarst剖面回归方程R2芒部O2-3草丛（1）y=-4673.8x+152140.35芒部O2-3灌丛（2）y=-1054.5x+5273.40.46芒部O2-3农田（3）y=-61.209x+4305.90.005芒部O2-3农田（4）y=-3569.5x+108750.25板桥O1m草丛（5）y=-1172.2x+8636.50.68板桥O1m农田（6）y=5560.6x-639.970.84塘房P2c草丛（7）y=-134.06x+3594.10.33塘房P2c农田（8）y=4477.3x-2714.10.44深度回归方程R2P10cmy=-686.81x+4933.40.390.09720cmy=-609.67x+5981.90.2280.23130cmy=-481.2x+5645.940.1650.31940cmy=114.05x+4190.540.00480.87050cmy=-1402.1x+8353.30.03270.771土壤剖面pH值变化特征碳酸盐岩区pH降低与CO2降低具有同深度性，页岩区不具有此关系小结：通过对比分析喀斯特区碳酸盐岩区和非碳酸盐岩区土壤剖面CO2浓度及其与土壤深度、土壤有机碳、土壤pH关系，证明了碳酸盐岩区在岩土界面处溶蚀作用的存在，不得不使我们将碳酸盐岩区土壤深层CO2”亏损“归咎于与碳酸盐岩为基底的特殊地质过程有关，即碳酸盐岩的可溶蚀性。正是碳酸盐岩的溶蚀作用降低了碳酸盐岩区岩土界面处土壤剖面CO2浓度，喀斯特碳酸盐岩区特殊的基底可溶性引起岩土界面处土壤CO2减少，这一减少势必影响到大气CO2及喀斯特地区碳循环，这一作用对于潜在的固碳能力，对于合理评估我国陆地生态系统碳源汇及全球碳循环平衡及寻找“遗失汇”具有重要的作用。潘根兴等(2000)在丫吉村野外观测和实验室模拟数据证明土壤有机质分解产生的CO2量大于土壤向大气CO2排放通量，这说明岩土系统对空气CO2具有显著的吸收效应，通过计算，其吸收系数为22-130g/m2.a不同基岩覆盖上覆土壤CO2与土壤有机碳δ13C随深度变化图（fromLietal.,2001)土壤剖面CO2运移数字模拟某一时刻土壤剖面CO2浓度（Ca）随深度（z）函数可以近似地用线性方程或抛物线方程表示在新西兰Bromley地区（Cook,1998）,日本Nagoya地区森林（Atsuhiro,2004），加拿大Douglas-fire森林土壤剖面CO2观测和模拟的结果均表明土壤CO2浓度与深度近似呈抛物线关系。James和George（1999）在美国Whitehall森林中模拟的土壤剖面CO2浓度随深度变化而呈线性关系。曾世文(2002)对我国贵州红枫湖草地模拟的结果表明夏季土壤剖面CO2随深度呈线性方程，冬季呈抛物线方程。Stolzy和Letey(1964)研究表层不同氧浓度情况下氧扩散率与土壤深度的关系表明：当O2占21%和11.3%时，扩散率与深度成线型关系，当O2占3.8%和0.7%时，它们之间成抛物线关系喀斯特地区非碳酸岩区土壤剖面实测CO2浓度与土壤深度关系拟合曲线方程thestimulatedequationofmeasuredsoilCO2concentrationandsoildepthinnon-carbonateareas.剖面方程R2P拟合深度指数拟合方程P2l灌丛y=-6x2+360x-19001-0-30cmy=702.44e0.0579x(0.8681)P2l次生林y=-0.1548x2+92.952x+16100.79240.09460-60cmy=2320.4e0.0175x(0.7784)P2l草丛y=12.458x2-324.64x+7736.40.86730.13270-60cmy=3456.1e0.0363x(0.8601)P2c农田y=10.5x2-373x+53200.99140.00860-50cmy=1221.3e0.0436x(0.8877)P2ß草丛y=0.875x2+64.25x+112.50.97520.15750-40cmy=597.91e0.0217x(0.7989)T1f灌丛y=-4E-15x2+6x+5500.90.31620-40cmy=561.25e0.0086x(0.8977)T3x灌丛y=4.175x2-114.85x+1982.50.930.25190-40cmy=722.96e0.0405x(0.9031)非碳酸盐岩区土壤剖面实测CO2浓度与模拟CO2浓度碳酸盐岩区土壤剖面实测CO2浓度与模拟值对比消耗量（Dco2)=模拟值（Sco2)-实测值（Mco2)剖面O2-3草丛O2-3灌丛O2-3农田1O2-3农田2O1m草丛1O1m农田P2c草丛1P2c农田O2-3农田3P2c草丛2P1m(q)草丛P1m(q)灌丛T2g灌丛O1m草丛2CO2浓度减少量（PPb）2500266.720001493.1-88001918.126007500633.3350010500118002420占深层CO2总量比(%)21.75.219.06.2-48.939.014.457.710.346.063.666.363.4溶蚀消耗CO2量占土壤CO2总量的10-70%，平均值为36%碳酸盐岩溶蚀作用消耗土壤CO2浓度估算020004000600080001000012000O1mO2-3P1m(q)P2cT2g(PPb)不同时代和地层碳酸盐岩溶蚀消耗土壤CO2浓度估算值TheevaluationofthedecreasedCO2concentrationcausedbycarbonatecorrosionbasedonstratigraphicunitsT2g＞P1m(q)＞O1m＞O2-3＞P2cDecreasedCO2concentration(PPb)0100020003000400050006000700080009000O1mO2-3P2cfar