中国地质碳汇潜力

一、内容概述

1.成果简介

通过实施“中国地质碳汇潜力研究”（2010～2012）地调计划项目，发现我国地质碳汇潜力巨大。我国目前每年岩溶碳汇总量约为0.4亿t，生态恢复和土地利用方式的改善还可促进岩溶碳汇效应。“十一五”期间西南石漠化治理工程增加的岩溶碳汇量约1000万t，相当于该区植树造林生物碳汇的25%。在岩溶土壤中施用污泥，可显著提高土壤的碳汇能力。碳酸酐酶广泛存在于岩溶区植物、土壤和水环境中，可加速岩溶作用及生物固碳作用，增汇效果可提高1个数量级。

根据我国东部地区160万km2的土壤地球化学调查资料，计算出0～1.8m深度范围内平均土壤碳储量为1.5万t/km2，土壤平均碳密度为48.8t/hm2。如果实施陆地生态系统的二氧化碳施肥效应，土壤能够增加固碳30亿t碳；如果采取有效措施使农耕土壤有机碳密度增加30%，接近四川省土壤碳密度的平均值，还可以增加固碳量150亿t。两项合计，土壤固碳能力累计可达180亿t。

通过对蛇纹石、石棉、铜镍硫化物、超贫钒钛磁铁矿等超基性岩矿的尾矿实地调查和室内分析，推断现有和潜在的超基性岩尾矿可封存二氧化碳90亿t以上。

2.地质过程对全球碳循环的作用和意义

碳酸盐岩是全球最大的碳库，但在现代全球碳循环源汇项中没有考虑岩石碳库。国际地质对比项目379项“岩溶作用与碳循环（1995～1999）”，估算出全球年岩溶碳汇量为6亿t，认为是“遗漏汇”的重要组成部分。该认识被国内外学者广泛质疑，其主要理由有二：一是地质过程很缓慢，地质碳汇对人类历史的碳减排意义不大；二是岩溶作用是可逆化学反应过程，陆地岩石溶蚀吸收的大气中二氧化碳，只导致碳转移，形成的碳汇不稳定，没有固碳效果。

针对这些质疑，开展了相应的调查研究，结果表明，岩溶作用速度比花岗岩岩石风化的速度快数百倍，只要1个多小时水就可完成对岩石的溶蚀过程。而且该过程对环境变化非常敏感，随大气和土壤空气二氧化碳的浓度增加使水体、土壤、洞穴等环境碳浓度增加，降低环境空气二氧化碳浓度。

研究还表明，岩溶碳汇除了以溶解无机碳形式被带入海洋外，还有相当部分的量通过生物作用被固定在水体、植物和土壤等陆地生态系统中。在水体中，水生植物体光合作用生物量的88%源于水体中由于岩溶作用形成的溶解无机碳。在岩溶土壤中不但出现CO2浓度接近岩石时随深度降低的规律，而且固定的有机碳比非岩溶区高3～4倍。由于岩溶水的存在，岩溶区的植物能在岩石上生长，也能够吸收固定岩溶水中的无机碳。虽然，这些生物吸收固定岩溶水中碳的通量还有待进一步研究，但表明了岩溶作用固碳途径多样，岩溶碳汇比较稳定。海洋生物泵效应的国际最新进展也支持了岩溶碳汇到海洋后也是比较稳定的。上述研究进展肯定了地质过程在全球碳循环中的重要作用，部分成果已于2011年11月在《science》杂志报道。

3.我国岩溶碳汇的分区估算

我国岩溶地区分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4 种类型，利用 GIS 技术计算各区的岩溶面积分别为 56.48万km2、32.58万km2、55.60万km2和200.1万km2。以取得的调查监测和统计资料为依据，对4 种类型区和中国的岩溶碳汇量进行了重新计算，南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区岩溶碳汇量分别为岩溶碳汇量分别为 1909.9万 tCO2/a、600.5万tCO2/a、580.1万tCO2/a、608.6万tCO2/a，由此获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a。

4.土地覆盖条件岩溶碳汇的影响很大

打狗河东西两岸地下河流域的土地覆盖条件及岩溶碳汇分析表明，打狗河东岸土地覆盖中林地占56.13%，耕地占15.15%；而西岸林地、耕地分别只占 20.8%、12.95%。西岸的裸岩、和荒地比例大，分别占29.57%和25.95%，而东岸分别占14.19%和10.98%。植被和土壤覆盖差异导致了东、西两岸碳循环的地球化学指标有明显的差异，东岸地下河水的

、Ca2＋、Pco2（平均分别是233.71mg/L、85.5 mg/L、909.46 Pa）明显高于西岸（分别为 177.26 mg/L、64.65 mg/L、257.37 Pa），而东岸的 SIC、pH 值（分别为 0.12 和 7.40）又低于西岸（分别是0.38 和7.85）。因此，东岸有更强的岩溶动力条件，东岸地下河的平均碳汇强度比西岸高14%。

生态恢复和土地利用方式的改善对促进岩溶碳汇具有重要作用。植被和土壤覆盖好的流域，其地下河的岩溶碳汇比石漠化流域的地下河高10 倍以上。原始林地土下岩溶作用碳汇量是次生林地的3 倍、灌丛的9 倍、耕地的15 倍。初步估算，“十一五”期间西南石漠化治理工程增加的岩溶碳汇量约1000万 t，相当于该区植树造林生物碳汇的25%。

5.岩溶土壤固碳效果

岩溶区不同土地利用方式对土壤有机碳碳库影响大。桂林毛村典型岩溶区旱地、灌丛、果园、林地四种不同土地利用类型下土壤有机碳含量分别为15.41～20.10 g/kg，13.07～31.16 g/kg，9.38～14.74 g/kg，30.82～37.52 g/kg。但岩溶区石灰土的土壤呼吸排放CO2速率明显低于碎屑岩区红壤，如以年平均值计算，则岩溶区土壤呼吸排放CO2量要比碎屑岩区红壤少25.12%。岩溶区石灰土剖面中CO2浓度出现双向梯度，且水热条件良好的季节双向梯度表现越明显，而碎屑岩区红壤剖面中则出现土壤CO2浓度随深度增加的单向梯度，这意味着岩溶区土-岩界面石灰岩的溶解消耗吸收土壤下层CO2，即土壤中岩溶作用产生碳汇的过程。

试验研究表明，岩溶地区土壤的溶解有机碳含量是酸性土的20%，每公顷土壤添加50 t污泥，6个月后每千克土壤中有机碳平均可增加1.7 g。用污泥改良岩溶土壤，不但能够改良土壤性能，而且可大大提高土壤的碳汇潜力。

6.碳酸酐酶（CA）可大大加速岩溶碳汇效应

以从西南岩溶地区土壤中筛选出来的典型细菌、真菌和放线菌为材料，进行了微生物对石灰岩的溶蚀动态模拟实验（摇瓶实验），比较了三种不同种类微生物的溶蚀作用效果。在摇瓶实验基础上，又进行了土壤-灰岩系统的土柱模拟实验，研究比较了上述三种典型微生物对石灰岩的溶蚀动态及作用效果，并研究了这三种不同类群微生物及其CA对土壤-灰岩系统钙镁锌元素迁移的影响。试验研究表明增汇效果可提高1个数量级。肯定了碳酸酐酶在石漠化治理、水生生物以及土壤固碳中均有广阔的应用前景。

7.玄武岩风化形成碳汇

对江苏来安-盱眙地区及湖北浠水地区进行了小流域地球化学调查，盱眙玄武岩风化碳汇约85t/km2·a，达到碳酸盐岩溶碳汇水平，显示我国玄武岩风化有较大的碳汇潜力。浠水流域的硅酸盐风化速率高于纬度相当地区流域花岗岩地层的小流域和高纬度地区流经玄武岩地层的小流域，显示我国季风地区的硅酸盐化学风化强度较高，有较高的固碳潜力。

8.基性和超基性岩矿物尾矿封存固碳

通过对蛇纹石、石棉、铜镍硫化物、超贫钒钛磁铁矿等超基性岩矿的尾矿实地调查分析，发现我国基性、超基性岩矿产资源开发利用产生的尾矿量巨大。试验及初步评价结果表明，我国基性、超基性岩可固化二氧化碳13.5万亿t，其中尾矿砂可固化二氧化碳约90亿t，相当于2010年全国二氧化碳排放量。

9.我国的土壤碳密度低，潜力大

利用21 世纪初获取的多目标调查数据与20世纪80年代获取的全国第二次土壤普查数据进行对比分析，获取了东部典型区土壤碳源汇分布状况。21 世纪初与20 世纪80年代之间土壤有机碳密度变化对比，中国陆域在0～1.8m深度范围内平均土壤碳储量为1.5万t/km2，土壤平均碳密度为48.8 t/hm2，低于美国的50.3 t/hm2、欧盟的70.8 t/hm2。但如果实施陆地生态系统的二氧化碳施肥效应，中国土壤未来45年能够增加固碳30亿t碳。如果采取有效措施使土壤有机碳密度在未来 45年增加30%，接近现今四川省土壤碳密度的平均值，那么中国土壤自2006年至2050年还可以增加固碳量150亿t碳。两项合计，估算未来45年我国土壤固碳量累计可达180亿t碳，基本能够平衡未来45年我国因工业化等因素导致超过排放预期的二氧化碳总量170亿t碳。

吉林暗棕壤、河北褐土、山东棕壤和青海栗钙土耕地、休耕地和荒地12个试验区结果显示：表土中碳或有机碳含量吉林暗棕壤最高，山东棕壤最低，顺序依次为吉林暗棕壤＞河北褐土＞青海栗钙土＞山东棕壤。各省不种土壤类型耕地、休耕地和荒地相比，荒地表土中碳或有机碳含量相对最高，耕地或休耕地相对较低。

二、应用范围

本研究目前以基础研究为主，技术试验为辅。适合于地质岩石风化作用较强的地区，如岩溶地区、玄武岩地区。

三、推广转化方式

根据不同部门、单位和群体的需要，我单位可组织相关技术人员开办本专业领域研究培训班。对于承担国家和有关部门相关重大科技项目的单位，可采取委托业务或通过技术咨询和现场服务等方式来推广转化本项技术。

技术依托单位名称：中国地质科学院岩溶地质研究所

联系人：王珽　蒋忠诚

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