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大陸碳酸鹽岩風化成土速率和岩石碳彙取得進展

發布時間:2020-01-07

碳酸鹽岩風化成土速率對氣候變化和人類活動的響應已成爲全球變化研究的焦點問題之一。然而,碳酸鹽岩石風化成土速率的空間格局、演變過程尚不清晰制約了區域生態恢複與可持續發展,碳通量的空間分布以及控制機制的不明確限制了陸地生態系統碳收支不平衡的研究。  

爲此,中科院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室王世傑研究員率領的研究團隊在《Remote Sensing》、《Science of The Total Environment》、《Solid Earth》、《Science China-Earth Sciences》、《地理學報》、《中國科學》、《生態學報》等國內外重要學術期刊發表了多篇學術論文,揭示了陸地碳酸鹽岩風化成土速率和碳彙的空間格局、演變過程等。  

碳酸鹽岩風化成土與土壤允許流失量:基于長時間序列的氣象水文數據,通過碳酸鹽岩溶蝕模型和成土速率計算模型,測算了1983-2015年中國喀斯特地區成土速率,並對其空間格局、演變特征及趨勢進行系統分析,結果表明:平均溶蝕速率呈現“東南高、西北低”的空間分布格局,溶蝕速率介于0-106mm/ka,平均值爲22.51mm/ka(圖1);多年平均成土速率空間上呈現明顯的異質性,呈現“東南高、西北低,高值區鑲嵌于低值區”的分布格局,成土速率介于10-134.93 t km2 yr1,平均值爲18.59 t km2 yr1(圖2)。同時,重新評價了整個中國喀斯特地區的水土流失風險,發現土壤侵蝕風險區是生態安全區的近4倍(圖3b),更新了“岩溶地區土壤侵蝕量低,而絕大部分便處于生態安全”的傳統認識和觀念,今後應對土壤侵蝕風險區的生態修複與防治予以特別關注。研究基于多源數據將遙感與地理空間分析技術應用到了岩石風化成土速率計算,開辟了遙感技術在固體地球科學領域研究的新戰場,爲國際同行使用遙感技術研究大陸風化和土壤形成演化提供了新範例。  

   

  1  1983~2015年中國喀斯特地區溶蝕的空間格局(a)和緯度變化(b 

  
2  1983~2015年中國喀斯特成土速率的空間格局(a)和緯度變化(b 

  
 

  3  中國及周邊流域監測點分布(a)和中国喀斯特地区土壤侵蚀风险评价圖(b 

岩石風化碳彙與全球變化:基于徑流模數、主要離子濃度及溶解無機碳等全球水文水化學監測數據,采用水化學徑流法估算全球河流流域碳酸鹽岩風化對CO2的吸收量級,闡明了流域碳酸鹽岩風化碳彙沿經緯度、不同氣候帶及不同喀斯特面積比例下的CO2吸收通量及吸收速率分布格局,並討論了影響碳酸鹽岩風化碳彙的關鍵影響因素。  

   

  4 基于柯本氣候分類的全球主要河流流域分布及不同氣候帶CO2吸收通量與吸收速率(Af. 熱帶雨林氣候; (Am.熱帶季風氣候; Aw.熱帶幹濕性季氣候; BWh, BWk. 沙漠氣候;BSh, BSk. 半幹旱氣候; Cfa, Cwa. 副熱帶濕潤氣候; Cfb, Cwb, Cwc, Cfc. 海洋性氣候;Csa, Csb. 地中海式氣候; Dsa Dfa, Dwa, Dsb, Dfb, Dwb. 大陸性濕潤氣候;Dfc, Dwc, Dfd, Dwd, Dsc, Dsd. 副極地氣候; ET, EF. 極地氣候) 

研究結果表明:全球主要河流流域碳酸鹽岩對CO2的吸收速率爲0.43±0.15 Pg CO2 yr1,平均CO2吸收通量爲7.93±2.8 t km2 yr1CO2吸收通量在不同氣候帶下差異顯著,熱帶和暖溫帶CO2年吸收速率占全球主要河流流域年吸收速率的62.95%。冷溫帶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(圖4)。文章劃分出了全球CO2吸收通量的9個關鍵帶,關鍵帶的交彙處CO2吸收通量较高(圖5)。喀斯特出露流域碳酸鹽岩對CO2吸收通量的均值爲8.50 t km2 yr1,約爲非喀斯特流域的3倍。全球喀斯特出露流域碳酸鹽岩風化碳彙在全球碳循環、水循環及碳收支平衡估算研究方面占據重要地位。  

   

  5 沿經向和緯向的碳酸鹽岩風化對CO2吸收通量的分布 

研究得到了中國科學院A類戰略性先導科技專項美麗中國生態文明建設科技工程重大課題(No. XDA23060100),國家重點研發計劃(No. 2016YFC0502300 & No. 2016YFC0502102),喀斯特中心基金(No. U1612441)等項目的聯合資助。  

   

  6 全球碳酸鹽岩多年平均碳彙通量空間分布 

  論文鏈接: 

  1.“Change Detection of Soil Formation Rate in Space and Time Based on Multi Source Data and Geospatial Analysis Techniques”  

  https://www.mdpi.com/2072-4292/12/1/121/pdf 

  2.Evaluating of the spatial heterogeneity of soil loss tolerance and its effects on erosion risk in the carbonate areas of southern China” 

  https://www.solid-earth.net/8/661/2017/doi:10.5194/se-8-661-2017 

  3.“ Spatiotemporal distribution and national measurement of the global 

  carbonate carbon sink” 

  https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0048969718322721 

  4.Spatiotemporal evolution of carbon sequestration of limestone weathering in China 

  https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11430-018-9324-2 

  4.“全球主要河流流域碳酸鹽岩風化碳彙評估”  

  http://www.geog.com.cn/article/2019/0375-5444/0375-5444-74-7-1319.shtml  

  5.“中國石灰岩化學風化碳彙時空演變特征分析” 

  http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSTe/49/6/10.1360/N072018-00174?slug=fulltext 

  6.“氣候變化及生態恢複對喀斯特槽谷碳酸鹽岩風化碳彙的影響評估” 

  http://www.ecologica.cn/stxb/ch/html/2019/16/stxb201903260581.htm 

   

  7 2000-2014年各國碳彙通量彙總 

   

  8 2000-2014年区域溶解机制产生的多年平均碳汇和相应森林净碳汇的空间分布圖。 

  (王世傑課題組/供稿)