北京大学学报(自然科学版) 第59卷 第2期 2023年3月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 59, No. 2 (Mar. 2023)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2022.110
广西重点研发计划项目(2021AB28001)资助
收稿日期: 2022–03–02;
修回日期: 2022–03–23
摘要 为探讨气候变化和石漠化治理工程背景下岩溶碳汇的变化趋势和响应机制, 基于广西岩性地质数据和气象数据, 利用模型估算 2005—2020 年间广西岩溶碳汇的时空格局, 并分析气候变化和石漠化治理对岩溶碳汇的影响。结果表明, 广西 2005—2020 年岩溶碳汇时空差异显著, 呈现波动上升的趋势, 年均增加 8.1%; 降水对岩溶碳汇变化的影响最显著, 温度和蒸散发量的影响较小; 岩溶碳汇对不同石漠化治理措施的响应有所不同, 封山管护这种最普遍的石漠化治理措施对固碳增汇的促进作用最显著, 年均增长贡献率约为 28%。
关键词 岩溶; 碳汇; 气候变化; 石漠化治理
CO2的收支平衡在控制全球气候变化方面发挥着重要作用[1]。随着全球气温不断升高和极端气候频繁发生, 全球碳循环成为研究热点。对碳循环中碳源和碳汇的研究结果表明, 岩石风化过程中消耗的 CO2是地球“缺失汇的重要来源”[2]。碳酸盐岩是世界上最大的碳储库[3], 作为可溶性岩石, 碳酸盐岩在雨水的作用下吸收土壤和大气中的 CO2形成无机碳, 其中部分无机碳随水循环流向海洋, 其余部分被水生植物光合作用吸收, 转化为有机碳而长期封存, 称为“生物碳泵效应”[4–5]。碳泵效应是形成长期碳酸盐岩风化相关碳汇的重要机制, 也是碳循环的关键部分[6]。
全球岩溶地区面积约占陆地总面积的 12%, 是陆地上重要的脆弱生态系统之一[7]。碳酸岩溶蚀是一个复杂的地质过程, 涉及水圈、大气圈、生物圈和岩石圈, 因此岩溶碳不仅影响着全球碳循环, 还与陆地生态系统碳循环密切相关[8]。由于岩溶地区独特的环境条件, 碳循环易受气候变化和人类干扰的影响。作为岩溶大国, 我国 21 世纪以来在西南岩溶地区实施大面积生态修复工程来恢复脆弱的生态环境, 增强生态系统抵抗力[9]。土地利用的变更会影响生态系统的组成、结构和分布, 改变生态系统物质循环和能量流动[10]。与其他陆地生态系统相比, 岩溶地区的碳循环过程主要由地下水驱动, 岩溶碳汇的大小取决于岩溶地区的径流量[11]。植被的增加不仅会提高陆地生态系统的碳汇, 而且能够改变土壤的理化性质, 提高土壤中 CO2和有机酸的浓度, 加速碳酸盐岩的成土速率[12]。土地利用和气候变化已被确定为影响陆地碳循环的重要因素[13], 通过人工干预, 不仅能促进岩溶地区的可持续发展, 还能加速岩溶作用, 起到固碳增汇的作用。
国内对岩溶碳汇的研究已取得初步成果。例如, Gong 等[14]利用全球 CO2通量侵蚀模型, 估算全国多年平均岩石风化碳汇通量, 并分析生态恢复和气候变化对碳汇的影响; 林云等[15]利用水化学法和同位素标记, 分析岩溶地下水中离子浓度和碳汇效应的作用机制。但是, 目前对岩溶碳汇的变化、影响因素及人工影响下固碳增汇的差异等方面的研究还比较欠缺。
在全球气候变化背景下, 作为温室气体的主要来源, CO2的排放和吸收关系着人类生存环境和可持续发展[16]。作为地球碳吸收的重要途径, 岩溶作用对全球碳收支平衡影响重大[17], 评估岩溶作用的CO2消耗量, 同时探讨气候变化和石漠化治理措施对岩溶碳汇的影响, 可以为岩溶地区生态治理和我国“双碳”目标的实现提供科学依据。
本文选取广西岩溶区作为研究区域, 基于广西地质岩性数据和气象数据, 借助 GEM-CO2模型和趋势分析方法, 评估 2005—2020 年间广西岩溶碳汇时空格局, 在分析该时段降水、温度和蒸散等气候因子变化特点的基础上, 进一步探讨广西岩溶碳汇对气候变化和石漠化治理措施的响应。研究结果将为广西“碳中和”目标实现和岩溶区提升固碳增汇能力提供数据支持及决策依据。
广西是中国乃至世界岩溶地貌的典型地区, 碳酸盐岩分布面积占全域面积的 41.57%。作为石漠化治理的重点区域, 广西近年来实施一系列石漠化综合治理措施, 以期优化生态环境, 促进岩溶地区可持续发展。由于石漠化治理工程的实施和气候条件的变化, 岩溶作用表现出不同程度的敏感性, 并在时间尺度上出现波动性, 影响着碳的收支平衡。
广西位于南亚热带季风气候区, 年平均气温为16.5～23.1℃, 年均降水量超过 1070mm, 大部分区域可达 1500～2000mm。雨季 4—9 月的降雨量占年降雨量的 70%～85%。湿热的气候有利于岩溶作用, 形成独特的岩溶景观[18]。地势西北高, 东南低, 地质构造复杂, 岩性以碳酸盐岩、碎屑岩以及花岗岩为主[19]。岩溶地貌集中分布在广西的东北、西北、西南和中部地区(图 1)。
本文使用的基础数据及来源如下: 1)MOD16-A3 数据来源于 NASA 网站, 空间分辨率为 500m; 2)气象数据(包括太阳辐射、月均风速、气温和降雨等数据)来源于中国气象数据网, 通过插值分析得到气象栅格图; 3)岩性数据和石漠化治理措施数据来源于中国地质调查局。
岩石风化消耗的 CO2量受岩石表面水流、大气温度和岩石类型影响[20]。GEM-CO2模型是全球CO2通量的岩石风化消耗模型, 用于估算岩石风化消耗的 CO2量。它将岩石风化消耗的大气和土壤CO2通量(FCO2)表示为径流(Q)和排出地表水岩石类型的函数[21]。Meybeck[22]等利用该模型分析法国232 个单一岩性盆地地表径流与主要溶解元素含量的关系, 将岩石类型划分为 7 种, 总结出一系列经验关系, 并构建一个基于经验关系的模型来估算岩石风化消耗的CO2量, 表达如下:
式中, 
是 CO2消耗量(mmol/(km2s)); Q是岩石表面的水流量(L/(km2s)), 为降水量与蒸发量的差值; α是经验系数, 因不同的岩石类型而不同。
本文采用回归趋势分析方法, 分析 2005—2020年广西岩溶碳汇的时空变化趋势。具体地, 对每个栅格点, 用一元线性回归法逐像元拟合斜率, 以此反映岩溶碳汇的时空演变特征[23]。回归趋势分析法可以计算每个网格的变化特征, 并能消除异常值的影响[24]。计算公式如下:
图1 研究区概况
Fig. 1 Overview of the study area
i为年份, n为总年份数(本文中 n=16), CSFi为 i年的岩石风化碳汇通量。若 θ=0, 说明在研究期间岩溶碳汇无变化; 若 θ>0, 说明岩溶碳汇在 n年间呈增加状态, 若 θ<0, 说明 n年间碳汇呈减少状态。
本文利用相关分析法探究气候变化与岩溶碳汇的关系。计算各指标与岩溶碳汇的相关系数[25]:
式中, Rxy表示变量 x与 y的相关系数, xi表示年的岩溶碳汇量, yi表示 i年的气候因子。Rxy>0 表示两个变量正相关, Rxy<0 表示两个变量负相关。
广西岩溶区以碳酸盐岩为主, 并且分布少量其他类型岩石(砂岩、页岩和花岗岩等), 岩溶作用的CO2消耗量表现出明显的空间特征。基于 GEM-CO2模型得出广西岩溶碳汇空间差异性显著, 多年平均岩溶作用消耗 CO2量在 3.21×104～2.95×106mol/ (km2a)之间, 高值主要分布在东部岩溶区破碎地带, 中部岩溶碳汇量比西部略高, 整体上呈现从东向西递减的空间分布格局(图 2(a))。
约 70%的广西岩溶区域 2005—2020 年间岩溶作用的 CO2消耗量呈增长状态, 涨幅明显的区域主要分布在东北和西南地区, 受气候和环境变化影响, 少数中部地区表现出降低的趋势(图 2(b))。
图 3 显示, 2005—2020 年广西岩溶区岩石风化的平均 CO2消耗量为 3.12×109kg/a, 多数年份在平均水平以上, 且整体上呈上升趋势。2005—2008 年呈显著上升趋势, 之后处于波动上升状态, 2015 年达到峰值, 涨幅为 13.1×107 kg/a。
3.2.1气候因子时序分析
分别对 2005—2020 年广西岩溶区各气候因子总量进行分析, 得到其年际变化趋势(图 4)。广西岩溶区 2005—2020 年的平均气温为 21.21℃, 波动显著, 整体上呈上升趋势, 近年来涨幅明显, 年际增长率为 0.019℃/a。降水和蒸散发量是岩溶作用碳汇产出的重要影响因子, 两者在研究时段内出现较大的波动, 总体上均呈现上升的趋势。研究区多年平均降水量为 1609.06mm, 年际增长率为 18.99 mm/a。作为水循环过程中的重要环节, 蒸散发量在一定程度上影响着地表水流量的大小, 2005—2020年广西岩溶区平均蒸散发量为 954.21mm, 2011 年明显下降, 然后呈逐渐上升的趋势, 增长率为 12.37 mm/a。
图2 广西岩溶碳汇的时空格局
Fig. 2 Temporal and spatial pattern of karst carbon sink in Guangxi
图3 广西岩溶碳汇的年际变化
Fig. 3 Interannual variation of karst carbon sink in Guangxi
3.2.2岩溶碳汇对气候因子的响应
为探讨岩溶碳汇对单个气候因子的响应, 逐像元计算岩溶碳汇与降水、温度及蒸散发之间的相关性(图 5)。从空间分布看, 降水与绝大部分地区的岩溶碳汇显著正相关, 西部地区存在显著负相关现象, 相关系数表现为中间低、四周高的状态; 岩溶碳汇与温度在绝大部分地区为弱正相关, 在少数地区为显著负相关, 相关系数呈现从东南向西北递减的趋势; 大部分地区岩溶碳汇与地表蒸散发量负相关, 且显著负相关关系的占比较大, 相关系数呈现东北高、西南低的格局。
2006—2016 年, 广西岩溶区实施石漠化防治生态工程(图 6)。其中, 封山管护措施是通过长时间的封山育林, 根据生态环境进行植被恢复, 提高植被群落丰富度和物种多样性; 封山育林是定期封山、禁止垦荒、繁育森林; 林草措施是通过人工种草、草地改良和人工造林等措施, 促进植被恢复; 农业技术措施是通过调整耕作结构, 达到改善土壤环境的目的[26]; 工程措施主要与水利工程和土地治理工程相结合, 作为小范围的集中治理措施。本研究对 2006—2016 年间第二期和第三期石漠化治理措施进行矢量化和归类合并, 基于分区统计和趋势分析结果, 探讨不同石漠化治理措施对地表径流和岩溶碳汇的影响, 结果见表 1。作为石漠化治理的主要措施, 封山管护对地表径流和岩溶碳汇的影响最大, 能够有效地促进岩溶作用的固碳增汇。在封山管护治理措施下, 岩溶作用的 CO2消耗量以 1085kg/(km2a)的速率增长, 其次为林草措施, 岩溶碳汇以 990.29kg/(km2a)的速率增长; 在农业技术措施下, 岩溶碳汇以 980.85kg/(km2a)的速率增长; 在封山育林措施下, 岩溶碳汇以 764.26kg/(km2a)的速率增长; 工程措施对地表径流和岩溶碳汇的促进作用不明显。
图4 气候因子时间序列分析
Fig. 4 Time series analysis of climatic factors
图5 岩溶碳汇与气候因子相关系数空间格局
Fig. 5 Spatial pattern of correlation coefficient between karst carbon sink and climate factors
图6 广西岩溶区石漠化治理措施分布
Fig. 6 Distribution of control measures of rocky desertification in karst area of Guangxi
表1 石漠化治理措施下径流和岩溶碳汇变化
Table 1 Changes of runoff and karst carbon sink under rocky desertification control measures
石漠化治理措施岩溶作用消耗CO2增长率/(kgkm−2a−1)径流增长率/ (mma−1)封山管护1085.0015.58封山育林764.2611.01林草措施990.2914.29农业技术措施980.8514.05工程措施55.770.80
GEM-CO2模型将地表径流量作为岩石风化速率的影响因素来计算岩溶碳汇量, 不仅能够计算不同岩性岩石的风化固碳情况, 而且能够应用在全球范围内[21]。本文基于 GEM-CO2模型, 量化得到2005—2020 年间广西岩溶作用 CO2消耗量多年平均值为 41.8t/(km2a), 与曾思博[27]用入渗–碳酸盐平衡化学法得到的结果一致。广西东部降水偏多, 植被覆盖率较低, 蒸散发消耗水量小, 丰富的地表径流能够及时带走金属离子和重碳酸根离子等风化产物, 加速岩石的溶蚀风化[28–29], 这是其岩溶碳汇呈现从东向西递减格局的主要原因。
当前的气候变化正在加速岩石的化学风化速率, 并改变相关的碳通量。岩溶相关碳汇通量的年际变化主要取决于地表径流的变化, 意味着气候变化会对岩溶作用产生巨大的影响。碳酸盐岩的风化过程需要水的参与, 全球水循环在一定程度上影响着岩石风化速率, 雨量及土地利用方式使得岩溶地区水化学变化存在差异[30]。本文研究结果表明, 研究时段内降水和温度呈现波动上升的趋势, 使得岩溶碳汇通量存在明显的时序差异。岩溶碳汇通量主要受降水量影响, 降雨能够增加地表水流量, 有利于土壤中 CO2的溶解, 促进无机碳的运输和岩溶作用[31]。温度与岩溶碳汇量在显著性范围内主要呈负相关关系, 这是因为高温通常导致土壤和植被的快速蒸发, 从而降低水的可用性[32], 但其变化对岩溶碳汇量的影响较小。蒸散发量与岩溶碳汇量负相关, 蒸散发量的增加会减少地表水流量。
已有研究证实, 植被恢复和土地利用的改善能够在一定程度上促进岩溶作用[33]。碳酸盐溶解的快速动力学意味着碳酸盐岩风化能够对环境变化做出快速的响应[34]。本文研究结果表明, 封山管护、林草和农业技术等石漠化治理措施对地表径流产生显著影响, 促进岩溶作用, 提高岩溶碳汇通量, 这是因为石漠化治理措施能够改变土地利用方式, 防治水土流失, 改变蒸散发速率, 进而影响地表径流, 加速岩溶作用进程, 从而提高岩溶碳汇量[35–36]。本文在分析岩溶碳汇对石漠化治理措施的响应时, 假定该过程中岩溶作用受到的气候变化影响是均等的, 以后的研究中应当细化石漠化治理措施对岩溶碳汇的影响。另外, 岩溶作用是受多种因素影响的复杂过程, 由于地理环境的影响,CO2消耗量对气候变化和石漠化治理措施的响应可能存在地区差异, 未来需要进一步研究。
中国 CO2排放总量已达百亿吨[37], 林业每年形成约 6 亿吨的碳汇, 换算成 CO2约为 22 亿吨。因此, 在节能减排的基础上, 应当发挥多种碳汇效应, 提高固碳潜力。张颖等[38]估算得到中国森林年均碳汇量达 2.31×108t/a, Wu 等[39]估算得到中国海洋产业碳汇量为 1.14×106t/a。Gong 等[14]的研究结果表明, 中国年均岩石风化碳汇量为 1.769×107t/a, 是我国森林碳汇量的 7.7%, 海洋产业碳汇的 15 倍。曹建华等[40]得到西南岩溶生态系统的植物碳汇和土壤碳汇总量为 51.12t/(km2a), 本文计算得到广西岩溶碳汇总量为 11.46t/(km2a), 约为植被和土壤碳汇总量的 22.4%。因此, 探索岩溶作用消耗 CO2的内在机制及影响因素具有重要意义。特别在当前气候变暖背景下, 温度、降水和蒸散发等的变化影响着岩溶作用过程, 而岩溶碳汇又反作用于气候变化。另外, 人工干预手段对岩溶碳汇的影响是巨大的, 生态工程的实施会促进岩溶碳汇的增加。因此, 应针对不同地区的特点, 适当进行人工干预, 提高岩溶地区固碳增汇效率。
本研究基于广西岩性数据和气象数据, 利用GEM-CO2模型估算得到 2005—2020 年广西岩溶碳汇通量的时空格局, 在此基础上通过趋势分析探讨研究区岩溶碳汇对气候变化和石漠化治理措施的响应, 得出以下结论。
1)广西地区岩溶作用的 CO2消耗量空间差异显著, 呈现从东向西递减的格局。2005—2020 年间, 广西年均岩溶碳汇量为 9.6×105mol/(km2a), 70%的区域岩溶碳汇量处于增加状态, 仅中部小范围内岩溶碳汇呈递减趋势, 广西全境岩溶碳汇年际增长率为 13.1×107kg/a。
2)气候变化在一定程度上影响岩溶作用的速率, 使得岩溶碳汇存在年际变化。2005—2020 年间, 广西岩溶区温度、降水和蒸散发量均呈现波动增长趋势, 降水对岩溶碳汇有显著影响。
3)多项石漠化治理措施不同程度地影响着地表径流和岩溶碳汇通量的变化。其中, 封山管护措施对岩溶碳汇的增加具有显著作用, 年际增长贡献率达到 28%左右; 林草措施次之, 其年际增长贡献率约为 25%; 农业技术措施年际增长贡献率约为25%, 略低于林草措施; 封山育林措施年际增长贡献率约为 20%; 工程措施对地表径流和岩溶碳汇变化的影响不明显。
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Response of Karst Carbon Sink to Climate Change and Rocky Desertification Control Measures in Guangxi Zhuang Autonomous Region
Abstract In order to explore the changing trend and response mechanism of karst carbon sinks under the background of climate change and rocky desertification control engineering, this paper estimates the temporal and spatial pattern of karst carbon sinks in Guangxi from 2005 to 2020 based on Guangxi lithologic geological data and meteorological data, and further The effects of climate change and rocky desertification control on karst carbon sinks are analyzed. The results show that from 2005 to 2020, the temporal and spatial differences of karst carbon sinks in Guangxi are significant, showing a trend of stable fluctuation and rising with an average annual increase of 8.1%. Precipitation has the most significant impact on the changes of karst carbon sinks while temperature and evapotranspiration have little effect. The responses to the control measures are different. As the most common control measures for rocky desertification, closing the mountain for management and protection has the most significant role in promoting carbon sequestration and increasing sinking with an average annual growth contribu-tion rate of about 28%.
Key words karst; carbon sink; climate change; rocky desertification control measures