中国南方喀斯特作用与全球碳循环关系研究

喀斯特碳酸盐岩区土壤CO2与土壤有机碳回归分析 喀斯特碳酸盐岩区土壤 Correlation analysis of soil CO2 and soil organic carbon in carbonate area of karst 剖面 芒部O2-3草丛（1） 芒部O2-3灌丛（2） 芒部O2-3农田（3） 芒部O2-3农田（4） 板桥O1m草丛（5） 板桥O1m农田（6） 塘房P2c草丛（7） 塘房P2c农田（8） 回归方程 y = -4673.8x + 15214 y = -1054.5x + 5273.4 y = -61.209x + 4305.9 y = -3569.5x + 10875 y = -1172.2x + 8636.5 y = 5560.6x - 639.97 y = -134.06x + 3594.1 y = 4477.3x - 2714.1 R2 0.35 0.46 0.005 0.25 0.68 0.84 0.33 0.44
搞清喀斯特在全球碳循环中中国陆地是碳源还是碳汇， 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。 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CO 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CO 是汇大于源。刘明柱等（1999）估算出中国北方碳酸盐岩吸收CO2 5.77× g/a，全球碳酸盐岩CO 吸收量为3.18 3.18× g/a， 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） 3.74%。 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CO 的量进行了初步估算，中国全国为1.774 1.774× tC/a， 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 2.2× ~6.08× tC/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、 1/3。 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 ）（袁道先,1999）， 水化学法和扩散边界层理论（DBL）（袁道先,1999），其计算的结 碳酸岩裸露区由于溶蚀作用而产生的 果主要是反映碳酸岩裸露区由于溶蚀作用而产生的CO 果主要是反映碳酸岩裸露区由于溶蚀作用而产生的CO2汇 。
Schappetr(1972)、 Jong and Schappetr(1972)、Buyannovsky 和Wagner(1983)、Solomon和Cerling(1987) Wagner(1983)、Solomon和 徐胜友与何师意（1996） 和徐胜友与何师意（1996）都曾报道过碳 酸盐岩区土壤CO 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， 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O 农田 农田（ ）、板桥 板桥 1m农田（图3.f）、板桥 1m(q) 灌 ）、板桥P 丛（图3.l）土壤 ）土壤CO2浓度随深度增加一直 这种土壤浅部CO2浓度高于土壤深 减少 ，这种土壤浅部 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 唐灿,周平根 黎廷宇等,2001) 少发现 唐灿 周平根 黎廷宇等
问题：土壤覆盖下碳酸盐岩区对土壤CO 产生什么样的影响？ 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， 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CO 影响。 如何合理地评估这一影响对土壤及CO2影响。
总之，非碳酸盐岩区土壤剖面CO2 总之，非碳酸盐岩区土壤剖面CO 浓度随土壤深度增加而增加
碳 酸 盐 岩 区 土 壤 剖 面 CO2 浓 度 奥陶湄潭组（ ）、宝塔组 宝塔组+ 奥陶湄潭组（O1m）、宝塔组+观音 ）、二叠栖霞组 二叠栖霞组+ 桥组（ 桥组（O2-3）、二叠栖霞组+茅口组 m(q)）、长兴组（ ）、三叠 ）、长兴组 （P1m(q)）、长兴组（P2c）、三叠 关岭组（T2g） 关岭组（
喀斯特与碳循环 (from Yuan,2003)
岩溶动力系统概念模型 （from Bogli A,1980)
世界上喀斯特分布面积为4000×104km2，我国达 × 我国达363.1×104km2（包括裸露 世界上喀斯特分布面积为 × 的和埋藏的）几乎遍及各个省（ ），其中在我国西南四川 云南、贵州、 其中在我国西南四川、 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， 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 ×104km2。占全国岩溶区总面积 其中岩溶面积为70× 区域面积 × 的19.2%。 。
表示在α=0.005水平上显著相关。 水平上显著相关。 注：（）为剖面编号，*表示在 ：（）为剖面编号， 表示在 为剖面编号 水平上显著相关
吴威（2003）、Jian(2003)、Atsuhiro（2004） ）、Jian(2003) 吴威（2003）、Jian(2003)、Atsuhiro（2004）
研究思路
SOC，pH等 ， 等
岩性 非碳酸盐岩区土壤剖面CO2特征 非碳酸盐岩区土壤剖面 对比分析 碳酸盐岩对土壤剖面CO2影响 碳酸盐岩对土壤剖面 CO2气体运移数值模拟模型 消耗土壤CO2浓度定量估算 消耗土壤 影响因素 评估陆地碳源汇 喀斯特作用与全球碳循环 寻找“遗漏汇” 寻找“遗漏汇”
碳酸盐岩区土壤剖面CO2特征 碳酸盐岩区土壤剖面
深度 10cm 20cm 30cm 40cm 50cm
回归方程 y=-686.81x+4933.4 y=-609.67x+5981.9 y=-481.2x+5645.94 y=114.05x+4190.54 y=-1402.1x+8353.3
R2 0.39 0.228 0.165 0.0048 0.0327
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 以滇北昭通地区研究为例
Karstification in south China and its relationship with global carbon cycle: as an example of Zhaotong city, north of Yunnan Province
土 壤 有 机 碳 特 征
喀斯特页岩区(非碳酸盐岩区 土壤 喀斯特页岩区 非碳酸盐岩区)土壤 2与土壤有机碳回归分析 非碳酸盐岩区 土壤CO Correlation analysis of soil CO2 and soil organic carbon in shale area of karst 回归方程 剖面 乌锋P2l灌丛 （9） 乌锋P2l次生林 （10） 乌锋P2l草丛 （11） 墨黑P2l农田 （12） y = -618.67x + 4199.6 y = -766.39x + 7548.9 y = -13093x + 69890 y = -8646.2x + 49490 R2 0.67 0.29 0.74 0.85 P 0.387 0.239 0.351 0.077
等人所做的工作也表明土壤剖面CO2浓度随 等人所做的工作也表明土壤剖面CO 深度增加而增加。James和 深度增加而增加。James和George长期对 Whitehall森林的观测模拟出土壤剖面 Georgia Whitehall森林的观测模拟出土壤剖面 浓度随深度变化的线性方程， CO2浓度随深度变化的线性方程，相关系数 =0.99， α=0.0005水平上极显著相关 水平上极显著相关， 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。 些与我们所观测到的具有较好的吻合性。
剖面 乌锋P2l灌丛（9） 乌锋P2l次生林（10） 乌锋P2l草丛（11） 墨黑P2l农田（12） 堰塘P2ß草丛（17） 镇雄T1f草丛（21） 旧城T3x灌丛（19） 回归方程 y = 0.0077x + 0.7692 y = 0.0099x - 10.595 y = 0.0015x + 11.527 y = 0.0031x + 12.239 y = 0.0415x - 19.114 y = 0.15x - 70 y = 0.0086x + 5.6875 R2 0.92 0.80 0.80 0.80 0.85 0.9 0.81 P 0.179 0.016* 0.042* 0.039* 0.077 0.051 0.101
采 样 位 置
研 究 区 及
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 非碳酸盐岩区土壤 Regression analysis of soil CO2 concentration and profile depth in non-carbonate areas
研究背景
Shimel(1938) 首次提出CO 收支不平衡。 Shimel(1938) 首次提出 CO2 收支不平衡 。 1938 全球存在碳汇失量达2 Pg, 全球存在碳汇失量达 2-3Pg, 占全球总碳的 10% 20% 对于“未知汇” 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（ 分布和吸收强度有许多不同的看法 （ e.g. al. 1998, al. 1999, Fan et al., 1998, Potter et al.,1999, Holland al. 1999, 1996) et al.,1999, Houghton, 1996) 1997年 全球141 141个国家和地区联合签定了 1997 年 ， 全球 141 个国家和地区联合签定了 京都协议书》 《 京都协议书 》 ， 旨在削减温室气体排放 遏制全球气候变暖。 ，遏制全球气候变暖。
P 0.097 0.231 0.319 0.870 0.771
土 壤 剖 面 pH pH 值 变 化 特
碳酸盐岩区pH降低与 碳酸盐岩区 降低与CO2降 降低与 低具有同深度性， 低具有同深度性，页岩区不具 有此关系
征
小结：ຫໍສະໝຸດ Baidu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CO 浓度及其与土 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 2浓度及其与土 碳酸盐岩区和非碳酸盐岩区土壤剖面 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 关系， 壤深度、土壤有机碳、土壤 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 亏损“ 用的存在，不得不使我们将碳酸盐岩区土壤深层 亏损 岩为基底的特殊地质过程有关，即碳酸盐岩的可溶蚀性。 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CO 浓度， 作用降低了碳酸盐岩区岩土界面处土壤剖面 2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 减少，这一减少势必影响到大气CO2及 的基底可溶性引起岩土界面处土壤 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 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。 及全球碳循环平衡及寻找 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 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 量大于土壤向大气CO2排放通量，这说明岩土系统对空气 排放通量，这说明岩土系统对空气CO2具有显 生的 著的吸收效应，通过计算，其吸收系数为22-130g/m2.a 著的吸收效应，通过计算，其吸收系数为