岩溶地下水系统的碳循环

摘要

全球岩溶分布面积约2 000万km²,其地下水资源约占全球地下水资源量的26.4%。在岩溶区CO₂-H₂O-CaCO₃相互作用的系统中，碳酸盐岩的溶蚀（风化）成为地球表层快速且大量吸收大气CO₂的重要表生地质过程，大量的CO₂被吸收进入岩溶地下水系统，成为表层地球系统固碳的重要环节。岩溶碳循环受水循环过程的驱动，水体赋存位置及水文状态在一定程度上决定了岩溶碳循环的途径、效率、强度以及碳汇效应。本文在总结岩溶地下水系统基本特征的基础上，围绕碳的来源、碳的动态和碳的固定三个关键过程，分析了近年来岩溶地下水系统碳循环的进展。岩溶地下水系统具有多空间维度的非均质性、含水层结构的不稳定性、水文状态的高度变异性、地下水地表水转换频繁、防污性能弱、易受污染等特征，形成了特殊的水循环过程，并控制了系统的碳循环过程。岩溶地下水系统中碳主要有溶解无机碳（DIC）、颗粒无机碳（PIC）、溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）4种，它们的含量是内源碳和外源碳动态平衡的结果，其来源和贡献比受区域气候、地质、水文、生态等条件和生物活动等过程的共同影响。岩溶地下水系统DIC的动态变化受到CO₂效应、稀释效应、活塞效应的影响，并且受水文地质条件和水-岩-气相互作用程度的影响存在显著的空间变化，而OC的变化主要取决于源效应和水文效应。自养微生物的碳同化作用、生物碳泵效应、微型生物碳泵效应是岩溶地下水系统中的主要固碳机制，具有较大的固碳潜力。未来，应进一步关注分布式水-碳耦合循环模型构建、岩溶地下河系统吸碳-稳碳-固碳-储碳全流程的监测及分析技术体系构建和岩溶地下水系统固碳增汇的人工调控模式等方面的问题，可为深入理解岩溶地下水系统的碳循环过程，准确评价岩溶区的碳收支，维护岩溶区生态安全及实现“碳中和”目标提供新的科学认知。

关键词

岩溶地下水系统 / 碳来源 / 碳动态 / 碳固定