1、 189 广西重点研发计划项目(2021AB28001)资助 收稿日期:20220302;修回日期:20220323 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 广西岩溶碳汇对气候变化和石漠化 治理措施的响应 汤颖颖 吴秀芹 北京林业大学水土保持学院,北京 100083;通信作者,E-mail: 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
2、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 20052020 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 20052020 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 Response of Karst Carbon Sink to Climate Change and Rocky
3、Desertification Control Measures in Guangxi Zhuang Autonomous Region TANG Yingying,WU Xiuqin School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Beijing 100083;Corresponding author,E-mail: Abstract In order to explore the changing trend and response mechanism of karst carbon sinks unde
4、r 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
5、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 th
6、e 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
7、 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 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
8、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”45。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。北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 2 期 2023 年 3 月 190 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
9、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,
10、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
11、 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 20052020 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。1 研究区概况、数据来源及预处理 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
12、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16.523.1,年均降水量超过 1070 mm,大部分区域可达 15002000 mm。雨季 49 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
13、及来源如下:1)MOD16-A3 数据来源于 NASA 网站,空间分辨率为 500 m;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。2 研究方法 2.1 岩溶碳汇估算模型 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。Meybeck22等利用该模型分析法国232 个
14、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:2CO,FQ=式中,2COF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;是经验系数,因不同的岩石类型而不同。2.2 趋势分析 本文采用回归趋势分析方法,分析 20052020 汤颖颖等 广西岩溶碳汇对气候变化和石漠化治理措施的响应 191 图 1 研究区概况 Fig.1 Overview of the study area年广西岩溶碳汇的时空变化趋势。具体地,对每个栅
15、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:1112211(CSF)()(CSF),()nnniiiiinniiniinii=-=-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=0,说明在研究期间岩溶碳汇无变化;若 0,说明岩溶碳汇在 n 年间呈增加状态,若 0 表示两个变量正相关,Rxy0 表示两个变量负相关。3 结果与分析 3.1 广西岩溶碳汇的时空格局及动态 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)
16、,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 3.211042.95106 mol/(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 20052020 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,20052020 年广西岩溶区岩石风化的平均 CO2 消耗量为 3.12109 kg/a,多数年份在平均水平以上,且整体上呈上升趋势。20052008 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 13.1107 kg/a。3.2 岩溶碳汇对气候变化的响应 3.2.1 气候因子时序分析 分别对 20052020 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 20052020 年的平均气温为 21.21,波动显著,整体上呈上升