, 高扬, 温学发Rock-weathering-related carbon sinks and associated ecosystem service functions in the karst critical zone in China
SONGXianwei, GAOYang, WENXuefa通讯作者:
收稿日期:2016-06-24
修回日期:2016-10-8
网络出版日期:2016-11-25
版权声明:2016《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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1 引言
碳循环是地球生态系统物质和能量循环的核心,也是驱动全球气候变化的主要动力之一,因此成为全球气候变化研究中的前沿问题,世界气候研究计划（WCRP）、全球碳计划（GCP）、国际地圈生物圈计划（IGBP）等为准确估计和评价全球碳循环做出了重要贡献,当前更加关注区域性碳源汇、国家碳收支平衡及其对全球变化的影响[1]。全球碳循环中未知碳汇量为2~4 Pg C yr-1,而其中并未考虑所有的土壤侵蚀和土地利用变化的源和汇[2-3]。全球陆地生态系统净碳吸收量为1.0~2.6 Pg C yr-1,中国陆地生态系统净碳吸收量为0.19~0.26 Pg C yr-1,气候变化的反馈作用已经对中国的水资源和农业产生了一定影响,目前急需加强区域性气候研究以明确该影响机制和程度[4-5]。全球喀斯特分布面积约2200万km2,占据陆地表面积的15%,对陆地生态系统碳吸收的影响相当显著,政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次气候变化评估报告（AR5）最新公布的剩余陆地碳汇“residual land sink”为2.5 Pg C yr-1,全球岩石风化碳汇为0.11~0.608 Pg C yr-1,占剩余陆地碳汇的4.4%~24.3%,岩溶作用在加剧岩石风化的同时强烈影响着区域生态系统环境和质量[6-10]。喀斯特地区碳酸、碳酸氢盐、碳酸盐的混合（CO32--CO2-H2O系统）使水中溶解性无机碳（DIC）浓度一定条件下达到1231 μmol/L,是同样条件下CO2-H2O系统DIC浓度的66倍[11]。故水中DIC成为评估岩石风化碳汇的重要参数,被纳入大气CO2移除方法之一,且喀斯特地区碳循环与CO32--CO2-H2O系统的耦联构成了岩溶动力系统[12-13]。而另一些研究发现,碳酸盐岩的溶解并不能稳定吸收大气CO2,水中CO2的再沉积可能意味着碳酸盐岩风化不会产生净的大气CO2汇[14-15]。
地球科学中“关键带”（Critical Zone）研究与生态学中“生态系统”的概念具有显著的一致性,地球关键带是指异质的近地表环境,岩石—土壤—水—生物—大气在其中发生着复杂的相互作用,也是与人类联系最为密切的地球圈层,决定着社会发展所需的资源供应[16-18]。在关键带视角下,纵向上由地表植物冠层向下至地下含水层基岩,更加完整的表述了人类社会发展所在的资源环境带。生态系统研究发现,陆地生态系统的土壤碳循环与水循环、养分循环有着密切的耦合关系,生态恢复和土地利用方式的改变可增强喀斯特地区的碳汇[19-22]。本文通过对喀斯特地区碳汇的研究的回顾,整理和分析了主流评估方法及成果,并在前人研究基础上对喀斯特岩溶碳汇进行再评估,最后在关键带科学概念下,对喀斯特地区的碳汇和生态服务功能进行分析和展望。
2 喀斯特关键带地理分布特征
全球喀斯特区域主要分布在东亚、地中海沿岸、北美及加勒比等地区,其中东亚片区在世界三大喀斯特集中分布区中发育最为成熟[23]。中国喀斯特分布面积达344万km2,超过中国总陆地面积的1/3,其中裸露的碳酸盐岩面积约90.7万km2,约占中国总陆地面积的1/7,以贵州为中心的滇黔桂等8省区,也是全球最大的喀斯特集中分布区之一[24]。喀斯特石漠化带来的生态环境效应主要表现为水土流失、河道淤积和自然灾害频发等,同时石漠化使土地生产力减弱,严重影响农、林、牧业生产,甚至威胁到人类生存[25]。中国典型喀斯特区域土壤平均厚度仅为30~50 cm,远低于华北平原（> 200 cm）,而对于大部分农作物来说,只有土层厚度为50~60 cm时,才能维持较高的生产力[26-28]。喀斯特地貌主要是由于水文过程对碳酸盐岩（如石灰岩、白云岩、大理石等）的溶解作用形成的,喀斯特土壤的形成速度减缓,发育程度弱,而土壤的物质组成、理化性质和生产能力的变化正是喀斯特土壤石漠化的本质[29]。在喀斯特地区,纬度、经度地带性的水热连续分布被地质构造和岩性差异所打破,风化层和土壤的侵蚀程度受化学和水力作用的强烈调控,出现地带性土壤与非地带性土壤交错分布,不同类型及厚度的土壤垂直镶嵌分布,形成喀斯特地表和风化壳的三维高度时空异质性;同时,在水平方向岩石露头,土壤不连续分布,以及在垂直方向土壤、岩石、植被比例各不相同[30]。
中国喀斯特地区按地理位置可划分为东部的热带喀斯特、亚热带喀斯特和温带喀斯特,以及西部干旱区和寒冻高原区,按照岩石分布类型可分为裸露型、覆盖型和埋藏型,按石漠化强度可划分为3~6个强度等级[31-33]。根据植被覆盖率、岩石裸露率、平均土壤厚度和植被类型等指标,李瑞玲等[34]将喀斯特土地石漠化评价体系分为轻度、中度和强度石漠化3个等级。
3 喀斯特地区岩石风化碳汇评估
3.1 喀斯特地区固碳速率估算方法
固碳速率作为碳汇评估的重要参数,目前不同方法对其计算的差异很大,且存在相当程度的不确定性。国内外喀斯特碳汇评估的方法可分为两大类：反演模拟法（Reverse Methodology）通过分析河流水文化学参数与岩石风化产物之间的密切关系,对确定岩石类型的小流域碳吸收具有较为精确的估算;正演模拟法（Forward Modeling）受温带流模型（Temperate Stream Model）的启发由Amiotte-Suchet和Probst修改成型,主要基于岩石风化速率和岩石类型之间的关系,并考虑了岩溶作用的首要控制因子径流的影响[35-39]。国外****通过大量关于岩石风化速率的研究,总结出了喀斯特地区碳吸收速率的全球经验公式：式中：qs、qu分别表示月平均地表水和地下水流量;a表示取决于岩石类型的经验常数,其中Bluth等[40]估算值a为0.0294 g C mm-1,Amiotte等[41]估算值a为0.0383 g C mm-1。应用该公式计算得出中国西南后寨河喀斯特地区固碳速率分别为22.3 g C m-2 yr-1和29.0 g C m-2 yr-1 [11]。尽管该方法在估算全球碳吸收速率中被广泛应用,但大多数估算方案中没有考虑径流的季节性变化,且现有碳吸收速率和径流以及岩石类型之间的经验常数缺乏中国喀斯特地区的数据支持。
中国喀斯特地区固碳速率的估算方法主要有：水化学径流法、溶蚀试片法、扩散边界层（DBL）理论、模型模拟法、反演模拟法等[11, 42-43]。应用最为广泛的是水化学径流法和溶蚀试片法,在这两种方法的基础上又发展建立了潜在最大溶蚀法,多重因子综合法等估算方法[44]。此外,监测技术和固碳速率估算方法协同发展,在生态系统、区域和全球碳汇评估中,涡度相关技术、定量遥感观测技术、激光雷达技术、稳定同位素示踪、GIS空间分析等技术正逐渐被引入全球碳循环监测体系[45-46]。
3.2 中国喀斯特地区岩石风化碳汇评估
3.2.1 水化学径流法原理与应用 水化学径流法适用于具有封闭边界且全排型的流域,在较宏观尺度上估算岩溶流域碳汇强度,该方法除对研究区域的条件要求较严格和水化学监测工作量大以外,还存在地球深部CO2释放（如地壳变质碳和深部幔源碳）和外源酸（主要是硫酸和硝酸）等问题[47-53]。水化学径流法主要原理是根据地表水和地下水中HCO3-浓度以及水流量估算碳酸盐岩风化导致的碳吸收速率,进而外推至区域或国家尺度估算喀斯特地区固碳速率。喀斯特地区两种主要碳酸盐矿物石灰岩和白云岩的岩溶作用对大气CO2的吸收可以简化为：虽然岩石风化消耗的CO2一部分来源于土壤中CO2,并非全部直接来源于大气,但岩石风化对土壤CO2的消耗将减少土壤向大气释放的CO2量,对大气CO2的吸收具有间接作用。两个方程式分别表示溶解1 mol CaCO3和CaMg(CO3)2需要1 mol或2 mol的CO2。大气中的CO2溶解在水中,系统中高浓度的CO2会同时溶解地表和地下碳酸盐岩,水中溶解的碳通过水生生物吸收和土壤固定等多种形式保存。根据方程式（2）和（3）推算出岩溶作用固碳速率的简化计算公式：
式中：c表示喀斯特区域水中的HCO3-浓度;q表示水流量;MC、
3.2.2 溶蚀试片法原理与应用 溶蚀试片法由袁道先院士引入中国,并在IGCP-299和IGCP-379项目中广泛应用[55]。溶蚀试片法适用于上覆土壤中不含碳酸盐矿物的区域,具有短期监测、制作简单、方法相对成熟等优点。但由于喀斯特地区空间异质性大、覆盖土壤的组成差异和不连续性、流水侵蚀方式的多样性、水—岩作用时间相对短暂等原因,溶蚀试片法存在区域代表性问题和空间尺度转换问题,直接外推至区域尺度可能造成较大偏差[44, 56]。该方法通常以一个水文年为溶蚀时间,根据试片重量的变化计算消耗的大气或土壤CO2量并评估岩溶作用强度,计算公式为：
式中：F为碳酸盐岩岩溶作用碳汇强度（g C m-2 yr-1）;W1-W2为埋放时间内试片绝对溶蚀量（g）;R为试片中CaCO3相对百分含量;S为试片的表面积（cm2）;T为埋放时间（d）。使用溶蚀试片法,曾成等[56]估算陈旗岩溶泉区域岩溶作用碳汇强度为2.53 g C m-2 yr-1。章程等[57]利用溶蚀试片法研究土下溶蚀速率时发现,总体上溶蚀量由大到小依次为园地、林地、耕地、休耕地与灌丛。
3.2.3 中国喀斯特地区固碳速率再评估 喀斯特脆弱生态系统很大程度上是由于人类活动干扰造成的,中国长久以来的植树造林、退耕还林和生态移民等政策试图恢复部分因植被衰落、生态系统退化和人为干扰产生的石漠化现象,因净初级生产力（NPP）是绿色植物在单位时间和面积上生产的有机干物质总量,根据不同区域NPP,累计后可表征地表植被固碳量[58-60]。而全面准确评估喀斯特地区碳吸收潜力需要综合考虑土壤—大气、植被—大气等多个界面碳循环过程,并结合多种估算方法和模型联合评估。Liu等[43]结合碳酸盐岩岩溶、水循环及水生生物光合作用对DIC的利用估算出全球碳沉降通量为0.8242 Pg C yr-1,净碳沉降通量为0.7052 Pg C yr-1。Piao等[4]用不同方法估算中国陆地生态系统固碳速率为0.19~0.26 Pg C yr-1,其中利用大气CO2浓度反演方法计算的中国陆地生态系统碳汇速率为0.26 Pg C yr-1。蒋忠诚等[61-62]统计的中国喀斯特面积是346.3万km2,其中南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原区和埋藏岩溶区的面积分别为56.48万km2、32.58万km2、55.60万km2、200.01万km2,应用水化学径流法分别取4个分区岩溶水中平均HCO3-浓度和径流模数,计算得出中国喀斯特地区CO2汇为3699.1×104 t yr-1,即10.09 Tg C yr-1（图1）。而张之淦认为该计算结果存在较大偏差,本研究根据张之淦[15]的分析修正了北方岩溶区和埋藏岩溶区的评估数据,并增加了排除外源酸等干扰因子的校正系数α = 0.65,对中国喀斯特地区碳吸收速率进行再评估（表1）。修正后中国喀斯特CO2汇为1737.6×104 t yr-1,即碳汇4.74 Tg C yr-1,和Jiang等[9]研究结果接近。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1中国喀斯特类型分区图[
-->Fig. 1Divisions of karst types in China
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Tab. 1
表1
表1中国各喀斯特分区CO2汇计算结果[
Tab. 1Estimated result of CO2 sink in each karst region of China
| 岩溶类型区 | 面积(104km2) | HCO3 (g/L) | 岩溶水径流模数(107 L/(km2 yr)) | 校正系数 | CO2汇(104 t yr-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 南方岩溶区 | 56.48 | 0.23 | 40.59 | 0.65 | 1241.5 |
| 北方岩溶区 | 32.58 | 0.25 | 6.31 | 0.65 | 118.1 |
| 青藏高原区 | 55.60 | 0.15 | 19.95 | 0.65 | 377.0 |
| 埋藏岩溶区 | 200.01 | 0.23 | 0.01 | 0.65 | 1.1 |
| 合计 | 344.67 | 1737.6 |
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Tab. 2
表2
表2中国喀斯特地区固碳速率估算汇总
Tab. 2Carbon sequestration rate of China karst CZ by different methods
| 估算方法 | 估算区域(裸岩=90.7万km2,全国=344万km2) | 固碳速率 (Tg C yr-1) | 全球固碳速率 (Pg C yr-1) | 资料来源 |
|---|---|---|---|---|
| 水化学径流法 | 裸岩 | 12 | — | [11] |
| 水化学径流法 | 裸岩 | 4.8 | — | [54] |
| 溶蚀试片法 | 裸岩 | 3.2 | — | [54] |
| DBL理论(潜在速率) | 全国 | 64.2 | 0.41 | [42] |
| 水化学径流法 | 全国 | 17.9 | 0.11 | [42] |
| 溶蚀试片法 | 全国 | 17.5 | 0.11 | [42] |
| 溶蚀试片法 | 全国 | 3.21 | — | [9] |
| 水化学径流法 | 全国 | 4.84 | — | [9] |
| 累加法(按省份) | 全国 | 5.07 | — | [9] |
| GIS-溶蚀试片法 | 全国 | 3.88 | — | [9] |
| GEM-CO2模型 | 全国 | 14.1 | — | [63] |
| 水化学径流法(分区) | 全国 | 10.09 | — | [62] |
| 水化学径流法(分区) | 全国 | 4.74 | — | 本研究 |
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3.3 中国喀斯特地区碳汇的不确定性分析
3.3.1 外源酸对碳汇估算的干扰 喀斯特水体中的HCO3-不完全是碳酸溶蚀碳酸盐岩的结果,硫酸和硝酸对碳酸盐岩的溶蚀产生了HCO3-,而不消耗大气或土壤中的CO2,这使水化学径流法估算的喀斯特区域固碳速率偏高。研究通过化学质量守恒和稳定同位素测定证实了硫酸参与碳酸盐岩风化的过程,这对估算喀斯特区域固碳速率具有重要影响[64-65]。Yan等[11]对贵州后寨河流域水中Ca2+、Mg2+、HCO3-和SO42-的监测发现其占总溶解性固体质量的96%,SO42-是占质量比例仅次于HCO3-的阴离子。水中SO42-的浓度与其对岩石风化的贡献率直接相关,刘丛强等[53]认为中国西南地区因硫酸风化碳酸盐岩释放的CO2为4.4×1012 g yr-1,因此推算中国大陆340万km2碳酸盐岩向大气释放的CO2总通量为28×1012 g yr-1,相当于每年碳酸盐岩风化消耗温室气体CO2总通量的33%。张兴波等[66]测定的青木关地下河流域因硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC占总量的33.8%,与刘丛强等的估算十分接近。国外****估算大气硫酸沉降对岩石风化的贡献约为22%[67-68]。Li等[64]对中国雅砻江流域的研究表明,约13%的DIC是由于硫酸参与碳酸盐岩风化所致,并推算出流域内碳酸盐风化和硅酸盐风化消耗的大气CO2量分别为2.8×105 mol km-2 yr-1、0.9×105 mol km-2 yr-1。沁河流域硫酸参与的碳酸盐岩风化释放的CO2量为0.63×105 mol km2 yr-1,高于松花江流域,低于中国南方喀斯特流域[69]。此外,流域内非喀斯特区域的汇水也会对碳吸收速率的估算产生直接影响,是当前大多数估算中没有考虑的因素之一。
3.3.2 碳酸盐再沉淀的影响 在地质时间尺度上,碳酸盐岩风化消耗的大气CO2会因碳酸盐矿物沉淀释放出等量的CO2,不能成为稳定的碳汇途径;硅酸盐矿物风化消耗净大气CO2转变为重碳酸根,在海洋中以碳酸盐形式固定下来,是长期的净碳汇关键因素[35, 70]。
同时,有研究认为水中CO2相对比较稳定,暗示岩溶地下水回到地表后水体中的HCO3-不会全部转化为CO2回到大气中,碳的有机循环会增加岩溶碳汇的速率和稳定性[71]。如生物（水生生物和微生物等）主要以化学降解、生物物理作用和酶的作用直接或间接参与碳酸盐岩风化作用,其中碳酸酐酶对碳酸盐岩中Ca2+和Mg2+的释放速度有显著增加,可使CO2在水中的溶解速率增加一个数量级[72-73]。同时,水生植物光合作用和生物对颗粒有机碳的吸收是产生稳定碳汇的重要原因,水生植物光合作用生物量的88%源于水体中的DIC[22, 74]。因此,碳酸盐再沉淀对喀斯特地区碳汇的影响有限,喀斯特地区碳汇可通过多种途径同时进行。
3.3.3 现存问题与展望 除岩石风化碳汇之外,喀斯特地区碳汇还包括土壤—植被系统的有机过程和地表水系统（河流、水库和湖泊等）的生物泵过程产生的碳汇,故未来在关键带框架中全面、系统和深入评估喀斯特碳汇可能成为研究的重点[43]。此外,空间尺度转换问题仍是喀斯特地区碳汇估算过程中的不确定因素之一,合理的将监测数据联系起来,外推到流域、区域和全国也是喀斯特碳汇研究面临的关键问题。
3.4 模型辅助估算喀斯特地区碳汇
目前陆地生态模型在过程机理、运行方式和研究对象等各方面均有很大差异,且少有适用于喀斯特地区的模型改装和开发,使用模型辅助估算法还面临较大的挑战和不确定性。NCAR-CLM是美国国家大气研究中心（NCAR）开发的国际上发展较为完善的陆面过程模型,但其应用于青藏高原陆面过程的模拟结果与观测值仍有较大偏差[75]。中国陆地生态系统模型主要有基于碳、氮、水耦合模型AVIM2、CEVSA和GEOPRO模型;基于不同岩石类型风化经验系数的GEM-CO2模型;基于植物光合作用和自养呼吸的光能利用效率GLO-PEM、CASA和GEOLUE模型;基于生态模式的TEM模型等[59, 63]。周才平等用TEM模型估算整个青藏高原的净初级生产力为302.44 Tg C yr-1 [76]。近年来,基于稳定同位素的示踪辅助模型与传统模型的结合为评估和改进模型结构、提高模型精确度提供了新的思路。刘亚荣等[77]利用AVIM2模拟的祁连山1958-2008年植被净初级生产力为127 g C m-2 yr-1,且有增加的趋势,对温度变化的响应比降水量变化更敏感。在贵州喀斯特地区特殊地形和气候条件下,马建勇等[78]利用AVIM2模型估算50年贵州净生态系统生产力平均值为23.9 g C m-2 yr-1,不足祁连山非喀斯特区域的1/5。在喀斯特地区碳汇研究中,邱冬生等[63]应用GEM-CO2模型估算出中国岩石风化碳汇为14.1 Tg C yr-1,并指出碳酸盐岩和硅酸盐岩风化对碳吸收的贡献分别为52.65%和 47.35%。生态系统碳模型、区域尺度反演模型和遥感观测系统的结合与相互验证将为精确评估喀斯特地区碳汇提供有力支撑,未来需要对相同机理模型进行整合和优化,增加碳循环模型在喀斯特地区的适用研究。
4 喀斯特关键带生态服务功能
在关键带科学视角下分析喀斯特生态、环境、经济问题,对解决喀斯特地区可持续发展过程中的挑战具有重要价值。如喀斯特生态系统的不可逆演化、碳—氮—水耦合循环、不同界面的交互作用和三维异质性等问题,都能在关键带框架中找到新的解决启发。土壤生态系统服务是地球关键带的核心,关键带结构的稳定性和服务功能的可持续性直接影响人类福祉[79]（图2）。传统土壤学认为土壤除受地带性气候条件影响,也强烈依赖于非地带性的岩性构造和地貌、不同侵蚀类型和程度、不同覆盖植被活动和人类活动的影响,但往往局限于表层和淋溶层研究[80]。在喀斯特关键带框架中土壤是立体空间结构,需要在风化壳、覆盖植被、基岩或沉积物以及地下水相互作用的三维结构中对其研究,地上部分的生命活动显著影响土壤的生物地球化学循环,但是传统认识的土壤阻碍了对生态系统结构和功能的全面理解[16]。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2喀斯特关键带核心土壤生态系统
-->Fig. 2Karst CZ core: Soil ecosystem
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中国西南喀斯特地区岩石主要以石灰岩和白云岩为主,关键带中的网络通道概念包括岩石在自然条件下形成的裂纹和缝隙,以及石灰岩被腐蚀形成的大孔隙（竖井、漏斗）,也涵盖生物维管通道。喀斯特地区植被与岩石在长期地质时期演化中达到相对稳定的平衡状态。物质和能量通过网络通道流动,在植物—大气界面过程中,形成光合作用—气孔行为—蒸腾作用之间的相互作用和反馈机制,气孔主导的光合—蒸腾作用的平衡关系对土壤有效水分十分敏感[81]。土壤—植物根系界面,是植物获取养分和水分主要通道,根际微生物依赖根际分泌物等获取碳源,同时分解有机质供植物吸收利用。土壤的孔隙系统、微生物系统和植物根茎叶维管系统相互作用形成的连续的水分和养分运输通道相当程度上决定着关键带物理结构和生物功能的匹配。因此,网络通道的认识对恢复喀斯特脆弱生态系统功能具有一定价值。
喀斯特植被类型顺向演替系列为裸岩及稀疏草丛→草丛→草灌丛→灌木丛→灌乔→常绿落叶阔叶混交林→顶级群落,由于物种本身繁殖策略、土壤生态因子、气候因子、群落内部环境和干扰等条件不同,群落演替的途径可能更为复杂,或人工恢复条件下产生跳跃式演替[82-83]。而人为干扰下生态系统退化将导致生态群落逆向演替[84]。章程发现不同土地利用下的土下溶蚀速率存在显著差异,原始林地下岩溶作用碳汇量是次生林地的3倍,灌丛的9倍,从耕地或灌丛演化到次生林地,岩溶作用产生的碳汇可提高5.71~7.02 g C m-2 yr-1,若演化到原始林地碳汇可提高24.86~26.17 g C m-2 yr-1,植被的正向演替对岩溶碳汇有显著的促进作用[7]。
植物净初级生产力（NPP）是衡量生态系统服务功能和植被活性的核心指标;土壤呼吸表征植物和微生物生理活动的代谢强度;生态系统碳循环表征生物与非生物系统的紧密联系[85-86]。Gao等提出生态系统碳—氮—水循环的平衡关系决定了土壤生态系统碳储存的阈值与平衡,深入了解生态系统碳—氮—水耦合关系对理解喀斯特关键带碳动态平衡及其临界阈值、科学管理和制定“减排增汇”决策具有重要的意义[21, 58]。根据生态系统碳质量平衡理论,如果生态系统吸收的碳过量或不足,将造成生态系统碳循环的过程紊乱和反馈调节,生态系统水分利用效率（WUE）、氮素利用效率（NUE）趋于稳定常数,因此过多的碳将通过土壤侵蚀或其他过程流失[20]。中国石漠化最严重的贵州省石漠化面积占全省总面积的29%,贫困人口910万,占全省总人口的1/4和全国贫困人口的1/7,形成了“生态脆弱—贫困—掠夺式开发—环境退化—进一步贫困”的恶性循环[87]。中国西南喀斯特地区石漠化与贫困问题交织,高强度的人为干扰造成严重的土壤退化和流失,基于喀斯特关键带的碳汇研究定能为恢复该地区生态系统服务和功能做出重要贡献。
5 喀斯特关键带碳汇研究展望
喀斯特是困扰地质学、水文学、土壤学、生态学和环境科学等众多领域科研工作者的全球性问题,喀斯特关键带的研究不仅需要打破学科界限,更需要寻求国际合作,对其进行全面、深入、持续的跨学科研究。2015年新启动的中国国家自然基金委员会（NSFC）的中英国际合作重大项目将喀斯特地区作为研究的重要区域,重点研究喀斯特关键带的不可逆演化、碳—氮—水耦合循环、不同界面的交互作用和三维异质性等问题,以关键带的综合研究视角分析喀斯特生态环境经济问题,解决区域可持续发展过程中的挑战,极大地促进了国际交流与合作,为喀斯特关键带的研究提供了有力的支撑平台。目前,喀斯特关键带碳汇尚未准确定量评估,其生态服务于功能研究受到限制。喀斯特关键带在岩石—土壤—生物—水—大气连续体层面有更为错综复杂的相互作用关系,未来在关键带研究框架下,利用ChinaFLUX数据-模型融合系统、陆地生态系统相关模型、涡度相关观测技术和遥感观测等多种技术手段联合对喀斯特关键带碳汇进行多尺度监测与计算,多种方法对比分析,将成为碳汇评估的重要发展方向。喀斯特关键带碳汇研究作为喀斯特地区的前沿和创新问题,需要更多科学家们共同探讨。The authors have declared that no competing interests exist.
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被引期刊影响因子
| [1] | . The terrestrial carbon sink has been large in recent decades, but its size and location remain uncertain. Using forest inventory data and long-term ecosystem carbon studies, we estimate a total forest sink of 2.4 ± 0.4 petagrams of carbon per year (Pg C year(-1)) globally for 1990 to 2007. We also estimate a source of 1.3 ± 0.7 Pg C year(-1) from tropical land-use change, consisting of a gross tropical deforestation emission of 2.9 ± 0.5 Pg C year(-1) partially compensated by a carbon sink in tropical forest regrowth of 1.6 ± 0.5 Pg C year(-1). Together, the fluxes comprise a net global forest sink of 1.1 ± 0.8 Pg C year(-1), with tropical estimates having the largest uncertainties. Our total forest sink estimate is equivalent in magnitude to the terrestrial sink deduced from fossil fuel emissions and land-use change sources minus ocean and atmospheric sinks. |
| [2] | . Knowledge of carbon exchange between the atmosphere, land and the oceans is important, given that the terrestrial and marine environments are currently absorbing about half of the carbon dioxide that is emitted by fossil-fuel combustion. This carbon uptake is therefore limiting the extent of atmospheric and climatic change, but its long-term nature remains uncertain. Here we provide an overview of the current state of knowledge of global and regional patterns of carbon exchange by terrestrial ecosystems. Atmospheric carbon dioxide and oxygen data confirm that the terrestrial biosphere was largely neutral with respect to net carbon exchange during the 1980s, but became a net carbon sink in the 1990s. This recent sink can be largely attributed to northern extratropical areas, and is roughly split between North America and Eurasia. Tropical land areas, however, were approximately in balance with respect to carbon exchange, implying a carbon sink that offset emissions due to tropical deforestation. The evolution of the terrestrial carbon sink is largely the result of changes in land use over time, such as regrowth on abandoned agricultural land and fire prevention, in addition to responses to environmental changes, such as longer growing seasons, and fertilization by carbon dioxide and nitrogen. Nevertheless, there remain considerable uncertainties as to the magnitude of the sink in different regions and the contribution of different processes. |
| [3] | . <p>碳主要在通气状态下释放出CO<sub>2</sub>以温室效应的形式影响全球变化。当前，农田土壤固碳过程是土壤碳循环研究中的一个前沿领域，其中农田土壤再分布过程能否导致土壤固碳已引起科学上、政治上以及社会上广泛的兴趣。本文从不同的尺度阐述土壤再分布过程对土壤有机碳的影响。分别阐述土壤侵蚀和再沉积过程在全球碳循环，陆地碳库研究中的作用，土壤侵蚀与农田景观土壤有机碳动态、活性组份以及碳通量之间的关系，土壤再分布过程引起的土壤固碳机理。在此基础上指出今后迫切需要解决的问题。</p> . <p>碳主要在通气状态下释放出CO<sub>2</sub>以温室效应的形式影响全球变化。当前，农田土壤固碳过程是土壤碳循环研究中的一个前沿领域，其中农田土壤再分布过程能否导致土壤固碳已引起科学上、政治上以及社会上广泛的兴趣。本文从不同的尺度阐述土壤再分布过程对土壤有机碳的影响。分别阐述土壤侵蚀和再沉积过程在全球碳循环，陆地碳库研究中的作用，土壤侵蚀与农田景观土壤有机碳动态、活性组份以及碳通量之间的关系，土壤再分布过程引起的土壤固碳机理。在此基础上指出今后迫切需要解决的问题。</p> |
| [4] | . |
| [5] | China is the world's most populous country and a major emitter of greenhouse gases. Consequently, much research has focused on China's influence on climate change but somewhat less has been written about the impact of climate change on China. China experienced explosive economic growth in recent decades, but with only 7% of the world's arable land available to feed 22% of the world's population, China's economy may be vulnerable to climate change itself. We find, however, that notwithstanding the clear warming that has occurred in China in recent decades, current understanding does not allow a clear assessment of the impact of anthropogenic climate change on China's water resources and agriculture and therefore China's ability to feed its people. To reach a more definitive conclusion, future work must improve regional climate simulations-especially of precipitation-and develop a better understanding of the managed and unmanaged responses of crops to changes in climate, diseases, pests and atmospheric constituents. |
| [6] | . 以中国南方喀斯特地区具有代表性的贵州为例,选取三个典型石漠化 综合治理示范区,以2006年4月野外监测和2009年4月重复采样的数据为基础,分析喀斯特脆弱生态区实施石漠化综合治理工程的土壤有机碳时空动态特征 和发展趋势.结果表明:经过3年的石漠化综合治理,不同等级石漠化样地表层土壤有机碳密度增幅不一,其中轻、中度石漠化样地提升幅度最大,无、潜在石漠化 样地次之,强度石漠化样地最小；不同工程措施下表层土壤有机碳密度特征表现为:封山育林育草＞退耕还林还草＞坡改梯；增幅表现为:退耕还林还草＞封山育林 育草＞坡改梯.石漠化治理过程中,随着轻度以上石漠化土地面积的减少,表土碳储量进一步增大,而且表层土壤有机碳多分布于潜在和无石漠化区.随着石漠化综 合治理进程的推进,表土有机碳密度可能呈S型曲线增长,但由于潜在、无石漠化区多为基本农田,土壤有机碳密度将在较长时间内保持相对平稳的状态.而轻、中 度石漠化样地在治理初期其表土有机碳密度增幅将最快.因此,采取有效的土地利用方式与加强可持续管理对提高表层土壤的固碳潜力具有非常重要的意义. . 以中国南方喀斯特地区具有代表性的贵州为例,选取三个典型石漠化 综合治理示范区,以2006年4月野外监测和2009年4月重复采样的数据为基础,分析喀斯特脆弱生态区实施石漠化综合治理工程的土壤有机碳时空动态特征 和发展趋势.结果表明:经过3年的石漠化综合治理,不同等级石漠化样地表层土壤有机碳密度增幅不一,其中轻、中度石漠化样地提升幅度最大,无、潜在石漠化 样地次之,强度石漠化样地最小；不同工程措施下表层土壤有机碳密度特征表现为:封山育林育草＞退耕还林还草＞坡改梯；增幅表现为:退耕还林还草＞封山育林 育草＞坡改梯.石漠化治理过程中,随着轻度以上石漠化土地面积的减少,表土碳储量进一步增大,而且表层土壤有机碳多分布于潜在和无石漠化区.随着石漠化综 合治理进程的推进,表土有机碳密度可能呈S型曲线增长,但由于潜在、无石漠化区多为基本农田,土壤有机碳密度将在较长时间内保持相对平稳的状态.而轻、中 度石漠化样地在治理初期其表土有机碳密度增幅将最快.因此,采取有效的土地利用方式与加强可持续管理对提高表层土壤的固碳潜力具有非常重要的意义. |
| [7] | . <p>不同土地利用下的岩溶作用研究不仅关系到区域岩溶碳汇估算, 也关系到岩溶区陆地碳源/汇的准确评估. 利用标准溶蚀试片法研究了2 个典型岩溶动力系统内3 个岩溶泉小流域不同土地利用下的土下溶蚀速率. 结果表明, 不同土地利用下的土下溶蚀速率差异较明显, 耕地、灌丛、次生林、草地、原始林平均值分别为4.02, 7.0, 40.0, 20.0 和63.5 t km<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>. 因此, 在进行区域尺度岩溶作用碳汇估算时, 除了考虑气候、水文、地质等条件外, 还必须考虑土地利用类型的差异. 植被的正向演替对岩溶碳汇有显著的促进作用, 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, 也就是说, 从耕地或灌丛演化到次生林地, 由岩溶作用产生的碳汇可提高5.71~7.02 t km<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>, 若演化到原始林地则达24.86~26.17 t km<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>. 岩溶区地表森林系统的增汇过程发生的同时, 地下也同步发生着类似的增汇过程.</p> . <p>不同土地利用下的岩溶作用研究不仅关系到区域岩溶碳汇估算, 也关系到岩溶区陆地碳源/汇的准确评估. 利用标准溶蚀试片法研究了2 个典型岩溶动力系统内3 个岩溶泉小流域不同土地利用下的土下溶蚀速率. 结果表明, 不同土地利用下的土下溶蚀速率差异较明显, 耕地、灌丛、次生林、草地、原始林平均值分别为4.02, 7.0, 40.0, 20.0 和63.5 t km<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>. 因此, 在进行区域尺度岩溶作用碳汇估算时, 除了考虑气候、水文、地质等条件外, 还必须考虑土地利用类型的差异. 植被的正向演替对岩溶碳汇有显著的促进作用, 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, 也就是说, 从耕地或灌丛演化到次生林地, 由岩溶作用产生的碳汇可提高5.71~7.02 t km<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>, 若演化到原始林地则达24.86~26.17 t km<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>. 岩溶区地表森林系统的增汇过程发生的同时, 地下也同步发生着类似的增汇过程.</p> |
| [8] | . 对桂林岩溶试验场土壤溶解有机碳(DOC)进行了逐月的观测,结 果显示DOC是岩溶生态系统中活跃的有机碳组分,在岩溶地区碳循环中发挥着重要的作用.一年中土壤DOC的变化特征表现为3个阶段:(1)3～7月,随气 温升高、降雨量增加,土壤生物活性和新陈代谢能力极大提高,土壤溶解有机碳呈升高趋势;(2)8～11月,气温保持较高的水平,但降雨量偏低,土壤干燥, 土壤微生物活性极大地减弱,土壤DOC质量分数全年最低;(3)12月至次年2月,随温度的降低,土壤生物活性逐渐降低,土壤DOC呈缓慢升高趋势,且与 土壤微生物量碳之间存在互为消长的关系.土壤碳酸盐岩的溶蚀速率季节变化与土壤DOC之间存在负相关.文章还提出了岩溶地区土壤碳循环模式及DOC在其中 的作用. . 对桂林岩溶试验场土壤溶解有机碳(DOC)进行了逐月的观测,结 果显示DOC是岩溶生态系统中活跃的有机碳组分,在岩溶地区碳循环中发挥着重要的作用.一年中土壤DOC的变化特征表现为3个阶段:(1)3～7月,随气 温升高、降雨量增加,土壤生物活性和新陈代谢能力极大提高,土壤溶解有机碳呈升高趋势;(2)8～11月,气温保持较高的水平,但降雨量偏低,土壤干燥, 土壤微生物活性极大地减弱,土壤DOC质量分数全年最低;(3)12月至次年2月,随温度的降低,土壤生物活性逐渐降低,土壤DOC呈缓慢升高趋势,且与 土壤微生物量碳之间存在互为消长的关系.土壤碳酸盐岩的溶蚀速率季节变化与土壤DOC之间存在负相关.文章还提出了岩溶地区土壤碳循环模式及DOC在其中 的作用. |
| [9] | The carbon cycle in a global sense is the biogeochemical process by which carbon is exchanged among the biosphere, pedosphere, geosphere, hydrosphere, and atmosphere of the earth. For epikarst systems, it is the exchange of carbon among the atmosphere, water, and carbonate rocks. Southern China is located in the subtropical zone; its warm and humid weather creates favorable conditions for the dynamic physical, chemical, and ecological processes of the carbon cycle. This paper presents the mechanisms and characteristics of the carbon cycle in the epikarst systems in south China. The CO 2 concentration in soils has clear seasonal variations, and its peak correlates well with the warm and rainy months. Stable carbon isotope analysis shows that a majority of the carbon in this cycle is from soils. The flow rate and flow velocity in an epikarst system and the composition of carbonate rocks control the carbon fluxes. It was estimated that the karst areas in south China contribute to about half of the total carbon sink by the carbonate system in China. By enhancing the movement of elements and dissolution of more chemical components, the active carbon cycle in the epikarst system helps to expand plant species. It also creates favorable environments for the calciphilic plants and biomass accumulation in the region. The findings from this study should help in better understanding of the carbon cycle in karst systems in south China, an essential component for the best management practices in combating rock desertification and in the ongoing study of the total carbon sink by the karst flow systems in China. |
| [10] | . . |
| [11] | . Using an estimated bicarbonate concentration ([HCO(3)(-)]) in water and discharge rates of surface water and underground water from the Houzhai Basin, southwest China, from 1986 to 2007, we estimate that the mean carbon uptake rate was 20.7 g C m(-2) yr(-1). The surface water and underground water contribute about equally to the total carbon uptake from 1986 to 2007. About 97% of the interannual variation of annual carbon uptake can be explained by the discharge rate. Within a year, the net carbon uptake rate by karst during the wet season (May-October) was found to be about 2.4 times that during the dry season (November-April). If the seasonal variations of discharge rate and bicarbonate concentrations are not accounted for, estimates of annual net carbon uptake by karst can be biased by >25%, but that bias becomes very small (<5%) when averaged from 1986 to 2007 for the Houzhai Basin. We also found that one of the empirical models as used in global modeling overestimated the net carbon uptake by karst at Houzhai Basin by 29%. Carbon uptake from chemical weathering of all karsts in China is estimated to be about 12 Tg C yr(-1) at present (1 Tg = 10(12) g), or about 57% of the rate of net carbon accumulated in the forest biomass from 1981 to 1998 in China; we therefore recommend the inclusion of carbon uptake from chemical weathering in the regional carbon budget of China. |
| [12] | . 本图册是国土资源部岩溶动力学重点实验室成立十周年纪念册。全书共分五个章节：历史的回顾，岩溶动力学理论概述，岩溶动力学重点实验室建设与人才培养，岩溶动力学研究的重要成果及经济社会公益服务，国际地质对比计划与国际岩溶研究中心。 . 本图册是国土资源部岩溶动力学重点实验室成立十周年纪念册。全书共分五个章节：历史的回顾，岩溶动力学理论概述，岩溶动力学重点实验室建设与人才培养，岩溶动力学研究的重要成果及经济社会公益服务，国际地质对比计划与国际岩溶研究中心。 |
| [13] | . <p>岩石风化碳汇特别是碳酸盐岩风化碳汇积极参与了全球碳循环过程。最新的IPCC第五次气候变化评估报告（AR5）指出全球岩石风化碳汇约为0.4 Pg C/a,占不平衡碳通量的1/2~1/3,并改进和区分了岩石风化碳汇的时间尺度,将硅酸盐岩风化碳汇时间尺度视为10<sup>4</sup>~10<sup>6</sup>年,碳酸盐岩风化碳汇时间尺度视为10<sup>3</sup>~10<sup>4</sup>年。AR5报告将岩石风化碳汇列为CO<sub>2</sub>移除的4种方法之一,其碳酸盐岩风化碳汇时间尺度属于百年至千年级。虽然AR5报告提出了前述新认识,但仍认为岩石风化碳汇速率太慢,未纳入全球碳收支核算。结合近年来的研究进展,讨论了AR5报告目前对岩石风化碳汇在通量、时间尺度和风化碳汇效应等方面认识的不足,提出了加强岩石风化碳汇速率、稳定性、影响因素和尺度转换方面的研究建议,以期进一步加强岩石风化碳汇研究工作,为平衡全球碳收支做出科学贡献。</p> . <p>岩石风化碳汇特别是碳酸盐岩风化碳汇积极参与了全球碳循环过程。最新的IPCC第五次气候变化评估报告（AR5）指出全球岩石风化碳汇约为0.4 Pg C/a,占不平衡碳通量的1/2~1/3,并改进和区分了岩石风化碳汇的时间尺度,将硅酸盐岩风化碳汇时间尺度视为10<sup>4</sup>~10<sup>6</sup>年,碳酸盐岩风化碳汇时间尺度视为10<sup>3</sup>~10<sup>4</sup>年。AR5报告将岩石风化碳汇列为CO<sub>2</sub>移除的4种方法之一,其碳酸盐岩风化碳汇时间尺度属于百年至千年级。虽然AR5报告提出了前述新认识,但仍认为岩石风化碳汇速率太慢,未纳入全球碳收支核算。结合近年来的研究进展,讨论了AR5报告目前对岩石风化碳汇在通量、时间尺度和风化碳汇效应等方面认识的不足,提出了加强岩石风化碳汇速率、稳定性、影响因素和尺度转换方面的研究建议,以期进一步加强岩石风化碳汇研究工作,为平衡全球碳收支做出科学贡献。</p> |
| [14] | <p>风化碳汇概念被提出至今已有18 年(Berner, 1992). 而今, 我们可以用最新的数据对其地质含义进行重新评估. 近来, Ryskov 等人以碳同位素的分析数据为基础认为: 在过去5000 年干旱时期的成土过程中, 俄罗斯的土壤以土壤碳酸盐的形式将大气中的CO<sub>2</sub> 固定下来, 其中黑钙土的固碳速率为2.2 kg C m<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>、深栗钙土为1.13 kg C m<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>、浅栗钙土为0.86 kg C m<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>. 然而, 他们对数据的解释却是间接而缺乏说服力的, 因此, 其观点很可能误导读者. Dart 等人则持有相反的观点, 他们的研究表明, 澳大利亚风化层碳酸盐形成并没有吸收任何额外的CO<sub>2</sub>, 而仅是在库与库之间进行简单迁移的结果. 本文从以下两个问题对上述观点及其解释进行评述: (1) 土壤碳酸盐的成因: 硅酸盐风化和碳酸盐风化的比较; (2) 用碳同位素示踪土壤碳酸盐来源存在的问题. 得出的结论是: 土壤碳酸盐可能根本不是一个重要的大气CO<sub>2</sub> 汇, 也即是说, 碳酸盐风化成因的土壤碳酸盐没有吸收任何额外的CO<sub>2</sub>; 另一方面, 由于硅酸盐风化过程相当缓慢, 其形成的土壤碳酸盐在短时间尺度内对大气CO<sub>2</sub> 汇的能力很弱.</p> <p>风化碳汇概念被提出至今已有18 年(Berner, 1992). 而今, 我们可以用最新的数据对其地质含义进行重新评估. 近来, Ryskov 等人以碳同位素的分析数据为基础认为: 在过去5000 年干旱时期的成土过程中, 俄罗斯的土壤以土壤碳酸盐的形式将大气中的CO<sub>2</sub> 固定下来, 其中黑钙土的固碳速率为2.2 kg C m<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>、深栗钙土为1.13 kg C m<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>、浅栗钙土为0.86 kg C m<sup>-2</sup> a<sup>-1</sup>. 然而, 他们对数据的解释却是间接而缺乏说服力的, 因此, 其观点很可能误导读者. Dart 等人则持有相反的观点, 他们的研究表明, 澳大利亚风化层碳酸盐形成并没有吸收任何额外的CO<sub>2</sub>, 而仅是在库与库之间进行简单迁移的结果. 本文从以下两个问题对上述观点及其解释进行评述: (1) 土壤碳酸盐的成因: 硅酸盐风化和碳酸盐风化的比较; (2) 用碳同位素示踪土壤碳酸盐来源存在的问题. 得出的结论是: 土壤碳酸盐可能根本不是一个重要的大气CO<sub>2</sub> 汇, 也即是说, 碳酸盐风化成因的土壤碳酸盐没有吸收任何额外的CO<sub>2</sub>; 另一方面, 由于硅酸盐风化过程相当缓慢, 其形成的土壤碳酸盐在短时间尺度内对大气CO<sub>2</sub> 汇的能力很弱.</p> |
| [15] | . 对2011年《中国岩溶》第4期文章《中国岩溶作用产生的大气 CO2碳汇的分区计算》及其引用和认可的两个重要碳汇数据,就碳汇测定方法原理、参数取值、计算公式和计算结果做了一些讨论.认为,①由于参数取值不妥等 原因,北方区计算结果可能偏大3倍以上；因运算有误以及径流模数评估不当,埋藏区岩溶碳汇计算结果可能偏大200多倍；②由于方法原理的固有缺欠,该文所 引用的、用定点磨片溶蚀法取得的全球岩溶碳汇通量(6.08×108 tC/a)可能偏大4倍；③所引用数据的原始计算中新提出的主要水循环碳汇项,由于考虑其地球化学产生机制过于简单,各项评估结果都可能偏大20倍以上； 结果使给出的全球水循环碳汇净通量(0.6433 GtC/a)偏大2倍多,实际上,比用化学通量法测定的全球碳酸盐风化碳汇值(0.2433±0.05 GtC/a)大不了很多；水生光合碳汇截留量可能不会很大；④使用的化学径流碳汇计算公式,虽是当前国内外通用公式,但因属于只考虑大气/土壤CO2溶蚀 的简化公式,需要对非大气/土壤CO2溶蚀做进一步校正；校正后全球岩溶碳汇通量将再减少35％左右；⑤综合分析现有测定结果显示,在有世界大河化学径流 记录以来的100多年里,全球岩溶碳汇通量平均大概不会超过0.1士0.02 GtC/a太多；由于其基数太低,即使进行人为干预,也只能是一个局部或附属的大气CO2汇(如附属于局部地区森林生长量的成倍增长)；如果再考虑被碳酸 盐风化作用临时吸收的大气CO2,绝大部分最终要因碳酸盐矿物再沉淀而重返大气,全球岩溶碳汇净通量可能比0.1士0.02 GtC/a还要小1个数量级,即使在现今大气碳循环被严重扰动的条件下,似也不会成为一种重要的遗漏碳汇. . 对2011年《中国岩溶》第4期文章《中国岩溶作用产生的大气 CO2碳汇的分区计算》及其引用和认可的两个重要碳汇数据,就碳汇测定方法原理、参数取值、计算公式和计算结果做了一些讨论.认为,①由于参数取值不妥等 原因,北方区计算结果可能偏大3倍以上；因运算有误以及径流模数评估不当,埋藏区岩溶碳汇计算结果可能偏大200多倍；②由于方法原理的固有缺欠,该文所 引用的、用定点磨片溶蚀法取得的全球岩溶碳汇通量(6.08×108 tC/a)可能偏大4倍；③所引用数据的原始计算中新提出的主要水循环碳汇项,由于考虑其地球化学产生机制过于简单,各项评估结果都可能偏大20倍以上； 结果使给出的全球水循环碳汇净通量(0.6433 GtC/a)偏大2倍多,实际上,比用化学通量法测定的全球碳酸盐风化碳汇值(0.2433±0.05 GtC/a)大不了很多；水生光合碳汇截留量可能不会很大；④使用的化学径流碳汇计算公式,虽是当前国内外通用公式,但因属于只考虑大气/土壤CO2溶蚀 的简化公式,需要对非大气/土壤CO2溶蚀做进一步校正；校正后全球岩溶碳汇通量将再减少35％左右；⑤综合分析现有测定结果显示,在有世界大河化学径流 记录以来的100多年里,全球岩溶碳汇通量平均大概不会超过0.1士0.02 GtC/a太多；由于其基数太低,即使进行人为干预,也只能是一个局部或附属的大气CO2汇(如附属于局部地区森林生长量的成倍增长)；如果再考虑被碳酸 盐风化作用临时吸收的大气CO2,绝大部分最终要因碳酸盐矿物再沉淀而重返大气,全球岩溶碳汇净通量可能比0.1士0.02 GtC/a还要小1个数量级,即使在现今大气碳循环被严重扰动的条件下,似也不会成为一种重要的遗漏碳汇. |
| [16] | . Summary I. II. III. IV. V. VI. References: Integrative concepts of the biosphere, ecosystem, biogeocenosis and, recently, Earth's critical zone embrace scientific disciplines that link matter, energy and organisms in a systems-level understanding of our remarkable planet. Here, we assert the congruence of Tansley's (1935) venerable ecosystem concept of 'one physical system' with Earth science's critical zone. Ecosystems and critical zones are congruent across spatial-temporal scales from vegetation-clad weathering profiles and hillslopes, small catchments, landscapes, river basins, continents, to Earth's whole terrestrial surface. What may be less obvious is congruence in the vertical dimension. We use ecosystem metabolism to argue that full accounting of photosynthetically fixed carbon includes respiratory and that propagate to the base of the critical zone itself. Although a small fraction of respiration, the downward diffusion of helps determine rates of soil formation and, ultimately, ecosystem evolution and resilience. Because life in the upper portions of terrestrial ecosystems significantly affects biogeochemistry throughout weathering profiles, the lower boundaries of most terrestrial ecosystems have been demarcated at depths too shallow to permit a complete understanding of ecosystem structure and function. Opportunities abound to explore connections between upper and lower components of critical-zone ecosystems, between soils and streams in watersheds, and between plant-derived and deep microbial communities and mineral weathering. |
| [17] | . 当今经济社会所面临的资源、环境和生态问题相互关联、相互耦合,迫切需要打破传统的学科界限,搭建一个新的技术框架,进行跨学科、多领域系统研究.地球关键带将与经济社会最密切的近地表环境作为独立的开放系统,为这种需求提供了一个完整的系统框架.本文在界定地球关键带内涵与特征的基础上,分析了关键带科学研究的DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)体系框架和3M(填图-监测-建模)循环体系框架,从填图、监测、建模三个方面总结了关键带研究进展.通过将地质学、水文学、土壤学、生态学等学科进行融合,关键带科学为气候变化、生态管护、水资源安全、自然灾害防治等重大问题的解决展示了-种新的图景.在此基础上,提出了对我国地质调查工作的建议:将地球关键带作为重点靶区开展基础地质和水工环地质综合调查,建立三维地质框架;选择基础条件较好的小流域建设关键带观测站,为地质学与其他学科的融合搭建一个开放平台. . 当今经济社会所面临的资源、环境和生态问题相互关联、相互耦合,迫切需要打破传统的学科界限,搭建一个新的技术框架,进行跨学科、多领域系统研究.地球关键带将与经济社会最密切的近地表环境作为独立的开放系统,为这种需求提供了一个完整的系统框架.本文在界定地球关键带内涵与特征的基础上,分析了关键带科学研究的DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)体系框架和3M(填图-监测-建模)循环体系框架,从填图、监测、建模三个方面总结了关键带研究进展.通过将地质学、水文学、土壤学、生态学等学科进行融合,关键带科学为气候变化、生态管护、水资源安全、自然灾害防治等重大问题的解决展示了-种新的图景.在此基础上,提出了对我国地质调查工作的建议:将地球关键带作为重点靶区开展基础地质和水工环地质综合调查,建立三维地质框架;选择基础条件较好的小流域建设关键带观测站,为地质学与其他学科的融合搭建一个开放平台. |
| [18] | . 中国岩溶地区资源环境问题突出,制约着经济社会的发展。“十八大”以来国家大力推进科技创新和生态文明建设。科技创新不仅有助于解决和应对岩溶地区的资源环境问题,也将推动岩溶科学的发展,服务我国生态文明建设。今后的岩溶研究应当落实地球系统科学在岩溶学中的应用,发挥我国岩溶研究的地域优势,探索我国岩溶关键带的特征和重要过程;加强岩溶作用应对全球变化、岩溶碳汇速率和稳定性的研究,建立应对极端气候的长效机制;考虑古纬度和古气候对古岩溶形成的影响;深入探索微生物对深部碳酸盐岩岩溶形成的作用;系统梳理和总结我国第一期石漠化治理工程的经验和存在的问题,更好地指导下一步的治理工作;思考从南北方岩溶分界线的角度开展岩溶自然遗产地的申报工作;将现代大数据等技术运用到岩溶资源环境、水文地质研究中,做好地质灾害的预警预报和应对资源短缺问题的研究,服务国家需求。 . 中国岩溶地区资源环境问题突出,制约着经济社会的发展。“十八大”以来国家大力推进科技创新和生态文明建设。科技创新不仅有助于解决和应对岩溶地区的资源环境问题,也将推动岩溶科学的发展,服务我国生态文明建设。今后的岩溶研究应当落实地球系统科学在岩溶学中的应用,发挥我国岩溶研究的地域优势,探索我国岩溶关键带的特征和重要过程;加强岩溶作用应对全球变化、岩溶碳汇速率和稳定性的研究,建立应对极端气候的长效机制;考虑古纬度和古气候对古岩溶形成的影响;深入探索微生物对深部碳酸盐岩岩溶形成的作用;系统梳理和总结我国第一期石漠化治理工程的经验和存在的问题,更好地指导下一步的治理工作;思考从南北方岩溶分界线的角度开展岩溶自然遗产地的申报工作;将现代大数据等技术运用到岩溶资源环境、水文地质研究中,做好地质灾害的预警预报和应对资源短缺问题的研究,服务国家需求。 |
| [19] | 陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是全球变化科学研究的三大主题,而陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其生物调控机制则是全球变化生态学研究的前沿性科学问题。目前,对陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其调控机制认识的不足是制约评估陆地增汇/减排效果,预测分析全球变化对生态系统生产力和固碳功能影响的瓶颈性问题。本文在综合分析陆地生态系统碳氮水循环的耦合过程基础上,论述了制约生态系统碳氮水循环空间格局耦联关系的生物地理学机制,制约典型生态系统碳氮水循环耦合关系的生物生理生态学机制,以及典型生态系统碳氮水耦合循环的关键生物物理和生物化学过程。重点评述了生态系统碳氮水耦合循环的主要过程及其生物调控机制研究进展,包括：（1）植物叶片冠层生物学过程和根系冠层生物学过程及其对生态系统碳氮水耦合循环控制机制,以及二者之间的关联与互作关系;（2）土壤微生物功能群网络及其对碳氮循环过程的影响;（3）生态系统碳氮水交换通量的时空变化规律,以及生态系统的生态化学计量学理论与实践。本文最后还简要介绍了国家基金委重大研究项目＂森林生态系统碳氮水耦合循环的生物控制机制＂的研究思路及其主要研究内容。期望能够通过这些探讨对推动我国该研究领域的基础理论建设和新技术发展有所贡献。 . 陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是全球变化科学研究的三大主题,而陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其生物调控机制则是全球变化生态学研究的前沿性科学问题。目前,对陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其调控机制认识的不足是制约评估陆地增汇/减排效果,预测分析全球变化对生态系统生产力和固碳功能影响的瓶颈性问题。本文在综合分析陆地生态系统碳氮水循环的耦合过程基础上,论述了制约生态系统碳氮水循环空间格局耦联关系的生物地理学机制,制约典型生态系统碳氮水循环耦合关系的生物生理生态学机制,以及典型生态系统碳氮水耦合循环的关键生物物理和生物化学过程。重点评述了生态系统碳氮水耦合循环的主要过程及其生物调控机制研究进展,包括：（1）植物叶片冠层生物学过程和根系冠层生物学过程及其对生态系统碳氮水耦合循环控制机制,以及二者之间的关联与互作关系;（2）土壤微生物功能群网络及其对碳氮循环过程的影响;（3）生态系统碳氮水交换通量的时空变化规律,以及生态系统的生态化学计量学理论与实践。本文最后还简要介绍了国家基金委重大研究项目＂森林生态系统碳氮水耦合循环的生物控制机制＂的研究思路及其主要研究内容。期望能够通过这些探讨对推动我国该研究领域的基础理论建设和新技术发展有所贡献。 |
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| [21] | . The world has long neglected the negative impacts that carbon (C) sequestration has on ecosystem health. Accordingly, the aims of this study were to advocate a conceptual C health threshold model devised for terrestrial ecosystems while proposing a method by which to qualify the C health threshold of ecosystems. Since coupling relationships between C, nitrogen (N), and water can shape the response of ecosystems to conditions of global climate change, this study concentrated on C sequestration, N input, and water erosion impacts on ecosystem health. If C storage exceeds the terrestrial ecosystem C health threshold, ecological degradation will either take place or ecosystems will fall into a sub-health state in accordance with the C health threshold model. Additionally, C sequestration engineering approaches, excess N inputs, and water erosion destroy the balance of C cycling processes and may consequently have an effect on the C health threshold. Therefore, analysis related to the interannual variability of C cycles and their potential future behavior must take into account mechanisms driven through the coupling of water, C, and N cycles. Defining ecosystem health will help familiarize and eventually lead to proficiency in understanding C health threshold awareness. This will aid in determining the appropriate ecological restoration measures to take when dealing with climate change impacts, leading to the preservation of biogeochemical C cycling native to terrestrial ecosystems. (C) 2013 Elsevier B. V. All rights reserved. |
| [22] | . 岩溶作用促进大气二氧化碳汇过程不仅局限于碳酸盐岩地区,而是涉及全球陆地地质岩石地区,因此以前仅考虑岩溶面积计算的岩溶碳汇量偏低,需要以河流流域为单元全面计算全球岩溶碳汇效应。除了产生河流溶解无机碳被带入海洋外,岩溶作用还可通过水体生物吸收形成颗粒有机碳以及在岩溶土壤中固定有机碳等方式形成碳汇,因此,岩溶地质过程固碳形式多样。其中,仅全球水生生物固定岩溶水重碳酸根产生的有机碳近0.5Gt,生态恢复可促进岩溶土壤有机碳固定及岩溶流域碳汇,我国西南石漠化治理工程至少可增加岩溶碳汇2～3亿t,如果重视岩溶增汇技术的应用,全球岩溶碳汇效应将非常显著。所以,岩溶碳汇研究意义重大,岩溶碳汇效应更不可忽略。 . 岩溶作用促进大气二氧化碳汇过程不仅局限于碳酸盐岩地区,而是涉及全球陆地地质岩石地区,因此以前仅考虑岩溶面积计算的岩溶碳汇量偏低,需要以河流流域为单元全面计算全球岩溶碳汇效应。除了产生河流溶解无机碳被带入海洋外,岩溶作用还可通过水体生物吸收形成颗粒有机碳以及在岩溶土壤中固定有机碳等方式形成碳汇,因此,岩溶地质过程固碳形式多样。其中,仅全球水生生物固定岩溶水重碳酸根产生的有机碳近0.5Gt,生态恢复可促进岩溶土壤有机碳固定及岩溶流域碳汇,我国西南石漠化治理工程至少可增加岩溶碳汇2～3亿t,如果重视岩溶增汇技术的应用,全球岩溶碳汇效应将非常显著。所以,岩溶碳汇研究意义重大,岩溶碳汇效应更不可忽略。 |
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| [24] | . <p>对全球碳循环的系统研究已有几十年的历史,至今已取得很多重要成果,但对占整个地球陆地面积约10%的喀斯特地区碳循环的研究却在近10~20年来才逐渐受到重视。近年来的研究表明,岩溶作用对全球碳循环具有重要影响。目前,科学家们对影响喀斯特地区碳循环的各种因素有了较为全面系统的认识,并对碳源或碳汇量进行了估算。然而,与非喀斯特地区不同,喀斯特地区普遍发育着大小和形态各异的溶洞/裂隙,为喀斯特地区地—气交换增加了一个通道（窗口）,其在喀斯特地区碳循环过程中扮演着什么样的角色,至今还少有报道。已有研究显示,喀斯特洞穴具有明显的烟囱效应,是不可忽略的。综述前人的研究发现,洞穴系统碳循环研究还存在诸多问题有待进一步研究,如烟囱效应对区域和全球大气CO<sub>2</sub>的贡献;烟囱效应的区域差异、季节变化及其原因（驱动力）;烟囱效应对当地生态系统的影响等。随着现代科学技术（如涡度相关、大孔径闪烁和同位素）的发展,为解决上述问题提供了可能。因此,有必要运用现有的先进手段对洞穴系统碳循环进行自动连续监测和研究,这对喀斯特地区碳循环,甚至全球碳循环研究均具有重要意义。</p> . <p>对全球碳循环的系统研究已有几十年的历史,至今已取得很多重要成果,但对占整个地球陆地面积约10%的喀斯特地区碳循环的研究却在近10~20年来才逐渐受到重视。近年来的研究表明,岩溶作用对全球碳循环具有重要影响。目前,科学家们对影响喀斯特地区碳循环的各种因素有了较为全面系统的认识,并对碳源或碳汇量进行了估算。然而,与非喀斯特地区不同,喀斯特地区普遍发育着大小和形态各异的溶洞/裂隙,为喀斯特地区地—气交换增加了一个通道（窗口）,其在喀斯特地区碳循环过程中扮演着什么样的角色,至今还少有报道。已有研究显示,喀斯特洞穴具有明显的烟囱效应,是不可忽略的。综述前人的研究发现,洞穴系统碳循环研究还存在诸多问题有待进一步研究,如烟囱效应对区域和全球大气CO<sub>2</sub>的贡献;烟囱效应的区域差异、季节变化及其原因（驱动力）;烟囱效应对当地生态系统的影响等。随着现代科学技术（如涡度相关、大孔径闪烁和同位素）的发展,为解决上述问题提供了可能。因此,有必要运用现有的先进手段对洞穴系统碳循环进行自动连续监测和研究,这对喀斯特地区碳循环,甚至全球碳循环研究均具有重要意义。</p> |
| [25] | . 我国西南部喀斯特地区的石漠化是西部生态建设中面临的十分突出的 地域环境问题,也是西南喀斯特地区实现可持续发展的主要障碍之一.参考国内研究的相关文献,运用比较分析法,从喀斯特石漠化的概念、分布、评价指标、生态 效应、成因分析及综合治理等六方面回顾了近年来我国喀斯特地区石漠化研究的进展情况.研究结果认为,目前研究中还存在基础理论研究落后于实践活动、定量分 析不足、基础数据采集工作欠缺和现有治理模式具有较大的局限性等不足,并建议从研究重点区域、探究喀斯特石漠化演变机理、在喀斯特石漠化地区开展生态综合 整治工作及建设相关的信息系统等方面开展先行研究工作. . 我国西南部喀斯特地区的石漠化是西部生态建设中面临的十分突出的 地域环境问题,也是西南喀斯特地区实现可持续发展的主要障碍之一.参考国内研究的相关文献,运用比较分析法,从喀斯特石漠化的概念、分布、评价指标、生态 效应、成因分析及综合治理等六方面回顾了近年来我国喀斯特地区石漠化研究的进展情况.研究结果认为,目前研究中还存在基础理论研究落后于实践活动、定量分 析不足、基础数据采集工作欠缺和现有治理模式具有较大的局限性等不足,并建议从研究重点区域、探究喀斯特石漠化演变机理、在喀斯特石漠化地区开展生态综合 整治工作及建设相关的信息系统等方面开展先行研究工作. |
| [26] | . 灰岩溶蚀速率快而难溶物含量很低的特点显示岩溶区厚层连续风化壳的形成需要消耗巨厚的碳酸盐岩地层 ,有利于地貌向准平原化方向发展 .由于岩溶作用对地下水动力条件的敏感性 ,在地下水以垂直作用方式为主的地区会出现“土壤丢失”现象 ,导致溶蚀残余物质或地表原有的风化壳转入近地表岩溶裂隙(为石漠化提供了有利条件 ) ,从根本上制约了地表残余物质的长时间积累和连续风化壳的持续发展。所以 ,厚层连续的风化壳只能发育于地下水以水平作用方式为主的水文地质条件下 ,而这种条件从大的时间、空间尺度上只能出现在地貌发育晚期已经接近侵蚀基准的夷平面上 ,因此 ,厚层连续的岩溶风化壳具有明确的旋回意义。 . 灰岩溶蚀速率快而难溶物含量很低的特点显示岩溶区厚层连续风化壳的形成需要消耗巨厚的碳酸盐岩地层 ,有利于地貌向准平原化方向发展 .由于岩溶作用对地下水动力条件的敏感性 ,在地下水以垂直作用方式为主的地区会出现“土壤丢失”现象 ,导致溶蚀残余物质或地表原有的风化壳转入近地表岩溶裂隙(为石漠化提供了有利条件 ) ,从根本上制约了地表残余物质的长时间积累和连续风化壳的持续发展。所以 ,厚层连续的风化壳只能发育于地下水以水平作用方式为主的水文地质条件下 ,而这种条件从大的时间、空间尺度上只能出现在地貌发育晚期已经接近侵蚀基准的夷平面上 ,因此 ,厚层连续的岩溶风化壳具有明确的旋回意义。 |
| [27] | . 采用LSD法对华北平原不同灌水条件下（设4个水分处理：0水、1水、2水和3水）两品种 （科麦一号和石家庄8号）冬小麦田土壤水分动态变化进行了观测,并对产量、产量构成要素及其生态指标进行了定量分析,以探讨品种间的差异。研究发现：所有 灌水处理0-140 cm土层土壤水分变化较大,而0水处理的0-40 cm和80-140 cm土层含水量变化比较活跃,其幅度低于灌水处理。品种间相同水分处理的土壤含水量变化趋势一致,除1水处理科麦一号变幅较大外,其他3个处理均以石家庄 8号变幅较大。科麦一号与石家庄8号均以3水处理的产量最高,比0水处理分别增产44.44%、42.88%,但由于该处理灌水充足,小麦相对晚熟耗水量 大,致使收获前土壤含水率急剧下降。在各水分处理中,产量构成要素穗数皆以3水最高;穗粒重皆以1水最高（两个品种穗粒重1水与2水差异不显著）;千粒重 皆以0水最高。穗粒数以1水最高。收获指数皆以0水最高。科麦一号对水分较为敏感,但耗水量明显小于石家庄8号。要达到经济高产的目标,科麦一号灌2水较 为合适,石家庄8号需灌3水。 . 采用LSD法对华北平原不同灌水条件下（设4个水分处理：0水、1水、2水和3水）两品种 （科麦一号和石家庄8号）冬小麦田土壤水分动态变化进行了观测,并对产量、产量构成要素及其生态指标进行了定量分析,以探讨品种间的差异。研究发现：所有 灌水处理0-140 cm土层土壤水分变化较大,而0水处理的0-40 cm和80-140 cm土层含水量变化比较活跃,其幅度低于灌水处理。品种间相同水分处理的土壤含水量变化趋势一致,除1水处理科麦一号变幅较大外,其他3个处理均以石家庄 8号变幅较大。科麦一号与石家庄8号均以3水处理的产量最高,比0水处理分别增产44.44%、42.88%,但由于该处理灌水充足,小麦相对晚熟耗水量 大,致使收获前土壤含水率急剧下降。在各水分处理中,产量构成要素穗数皆以3水最高;穗粒重皆以1水最高（两个品种穗粒重1水与2水差异不显著）;千粒重 皆以0水最高。穗粒数以1水最高。收获指数皆以0水最高。科麦一号对水分较为敏感,但耗水量明显小于石家庄8号。要达到经济高产的目标,科麦一号灌2水较 为合适,石家庄8号需灌3水。 |
| [28] | . 东北黑土区是中国重要的粮食生产基地，自开垦以来，土壤生产力退化严重。探索简易可行的黑土生产力评价方法，可为合理利用和保护黑土资源提供科学依据。以位于典型黑土区北端的鹤北小流域为例，基于黑土厚度和土壤理化性质的野外调查，构建了用黑土层厚度评价土壤生产力的方法。结果表明，黑土层厚度与土壤生产力水平间呈对数关系，当黑土厚度小于40-50cm时，随着厚度增加，土壤生产力增加明显；当黑土厚度大于40—50cm时，随厚度增加土壤生产力增加速度减缓。多年大豆单产及当地土地分等定级的双重验证表明用黑土层厚度评价土壤生产力简易可行，能够揭示土壤生产力的空间分异。研究区耕作方式对土壤生产力影响显著：同一地块内从坡顶到坡脚生产力呈增加趋势，但在等高种植情况下，地块土壤生产力差异较小，顺坡或与等高线交叉情况下，地块土壤生产力差异较大。 . 东北黑土区是中国重要的粮食生产基地，自开垦以来，土壤生产力退化严重。探索简易可行的黑土生产力评价方法，可为合理利用和保护黑土资源提供科学依据。以位于典型黑土区北端的鹤北小流域为例，基于黑土厚度和土壤理化性质的野外调查，构建了用黑土层厚度评价土壤生产力的方法。结果表明，黑土层厚度与土壤生产力水平间呈对数关系，当黑土厚度小于40-50cm时，随着厚度增加，土壤生产力增加明显；当黑土厚度大于40—50cm时，随厚度增加土壤生产力增加速度减缓。多年大豆单产及当地土地分等定级的双重验证表明用黑土层厚度评价土壤生产力简易可行，能够揭示土壤生产力的空间分异。研究区耕作方式对土壤生产力影响显著：同一地块内从坡顶到坡脚生产力呈增加趋势，但在等高种植情况下，地块土壤生产力差异较小，顺坡或与等高线交叉情况下，地块土壤生产力差异较大。 |
| [29] | . 喀斯特土壤石漠化是我国西南喀斯特地区诱发重要地质灾害的生态环境问题,是制约区域社会经济发展的关键因素。通过分析贵州喀斯特地区土壤的机械组成、物质成分、理化性质和微生物特性,探讨了土壤石漠化的本质。结果表明:土壤侵蚀,细粒物质减少,表层土壤消失,岩土界面缺少风化母质的过渡层,或者被裸露基岩取代;土壤质地出现砂化,颗粒变粗;土壤有机质及养分含量减少,保水保肥性能减弱;土壤微生物功能多样性降低;超载的社会经济压力等是导致喀斯特地区土壤石漠化最重要的驱动力。 . 喀斯特土壤石漠化是我国西南喀斯特地区诱发重要地质灾害的生态环境问题,是制约区域社会经济发展的关键因素。通过分析贵州喀斯特地区土壤的机械组成、物质成分、理化性质和微生物特性,探讨了土壤石漠化的本质。结果表明:土壤侵蚀,细粒物质减少,表层土壤消失,岩土界面缺少风化母质的过渡层,或者被裸露基岩取代;土壤质地出现砂化,颗粒变粗;土壤有机质及养分含量减少,保水保肥性能减弱;土壤微生物功能多样性降低;超载的社会经济压力等是导致喀斯特地区土壤石漠化最重要的驱动力。 |
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| [31] | . <p>构建了贵州20 世纪80 年代、90 年代和21 世纪初等3 期历史石漠化数据， 利用其空 间变换和数学模型详细探讨和评价了石漠化的时空演变过程， 研究发现： (1) 研究时段内贵州 省石漠化总面积变化不明显， 但石漠化内部类型之间的相互演变非常显著， 各类型之间的演 变具有转移、多变、“此消彼长” 的特点。(2) 石漠化的时空演变过程可分为单变方式、层变 方式、返变方式等3 种基本类型， 其中以层变方式为主， 单变方式为辅， 返变方式较少。(3) 石漠化正向演变与逆向演变并存， 治理速度赶不上恶化速度， 两者的比值为82.29%， 局部治 理， 整体恶化。(4) 各石漠化类型总的演变速率是398.31 km<sup>2</sup>·a<sup>-1</sup>， 石漠化等级越高， 演变速 率越慢。(5) 石漠化演变频率最快的是中度石漠化和潜在石漠化， 轻度石漠化的演变频率明显 低于中度石漠化。对石漠化的空间演变区域特征和影响因子做了宏观的定性分析、并根据石 漠化演变特点对综合治理提出了相应的建议。</p> . <p>构建了贵州20 世纪80 年代、90 年代和21 世纪初等3 期历史石漠化数据， 利用其空 间变换和数学模型详细探讨和评价了石漠化的时空演变过程， 研究发现： (1) 研究时段内贵州 省石漠化总面积变化不明显， 但石漠化内部类型之间的相互演变非常显著， 各类型之间的演 变具有转移、多变、“此消彼长” 的特点。(2) 石漠化的时空演变过程可分为单变方式、层变 方式、返变方式等3 种基本类型， 其中以层变方式为主， 单变方式为辅， 返变方式较少。(3) 石漠化正向演变与逆向演变并存， 治理速度赶不上恶化速度， 两者的比值为82.29%， 局部治 理， 整体恶化。(4) 各石漠化类型总的演变速率是398.31 km<sup>2</sup>·a<sup>-1</sup>， 石漠化等级越高， 演变速 率越慢。(5) 石漠化演变频率最快的是中度石漠化和潜在石漠化， 轻度石漠化的演变频率明显 低于中度石漠化。对石漠化的空间演变区域特征和影响因子做了宏观的定性分析、并根据石 漠化演变特点对综合治理提出了相应的建议。</p> |
| [32] | . 由于碳酸盐岩岩性的不同,发育的喀斯特在生态环境因子的组合和质量上有较大的差异,形成了不同的石漠化类型。在大量典型样地调查的基础上,以岩性、小生境种数、小生境组合、裸露石面面积、石砾含量和土壤总量6个因子为指标,通过聚类分析和主成分分析相结合的方法,将喀斯特石漠化分为2大类型,即显性石漠化和隐性石漠化,分析比较了它们的主要特征。同时,分别石漠化类型选择了程度评价指标,用坐标综合评定法和欧氏距离公式建立了石漠化数量评价模型,即石漠化程度指数模型,用石漠化程度指数对样地的石漠化现状进行了评价,将6 4个样地划分为未石漠化,轻度、中度、强度和极强度5个等级。 . 由于碳酸盐岩岩性的不同,发育的喀斯特在生态环境因子的组合和质量上有较大的差异,形成了不同的石漠化类型。在大量典型样地调查的基础上,以岩性、小生境种数、小生境组合、裸露石面面积、石砾含量和土壤总量6个因子为指标,通过聚类分析和主成分分析相结合的方法,将喀斯特石漠化分为2大类型,即显性石漠化和隐性石漠化,分析比较了它们的主要特征。同时,分别石漠化类型选择了程度评价指标,用坐标综合评定法和欧氏距离公式建立了石漠化数量评价模型,即石漠化程度指数模型,用石漠化程度指数对样地的石漠化现状进行了评价,将6 4个样地划分为未石漠化,轻度、中度、强度和极强度5个等级。 |
| [33] | . 通过运用遥感、地理信息系统以及全球卫星定位系统等技术手段,借助于景观生态学中的景观格局指数以及构建生态价值指数,对位于贵州中部典型喀斯特地区的猫跳河流域1973年以来的土地利用/覆被变化及其对整个区域生态环境状况的影响以及近30年来土地利用的合理性进行了评价。研究表明,在过去的30年间,研究区的土地覆被发生了显著的变化,并对区域的生态环境造成了深刻的影响。1973-1990年,猫跳河流域的景观趋于破碎化,斑块总数从3438个增加到3619个,生态服务价值指数从3626.58降低到3343.47,土地利用具有明显的不可持续性;1990-2002年,猫跳河流域的景观破碎度降低,斑块数量从1990年的3619个减少到3312个,整个流域的生态服务指数从3343.47上升到3738.4,生态环境质量开始向好的方向发展。 . 通过运用遥感、地理信息系统以及全球卫星定位系统等技术手段,借助于景观生态学中的景观格局指数以及构建生态价值指数,对位于贵州中部典型喀斯特地区的猫跳河流域1973年以来的土地利用/覆被变化及其对整个区域生态环境状况的影响以及近30年来土地利用的合理性进行了评价。研究表明,在过去的30年间,研究区的土地覆被发生了显著的变化,并对区域的生态环境造成了深刻的影响。1973-1990年,猫跳河流域的景观趋于破碎化,斑块总数从3438个增加到3619个,生态服务价值指数从3626.58降低到3343.47,土地利用具有明显的不可持续性;1990-2002年,猫跳河流域的景观破碎度降低,斑块数量从1990年的3619个减少到3312个,整个流域的生态服务指数从3343.47上升到3738.4,生态环境质量开始向好的方向发展。 |
| [34] | . 从喀斯特石漠化的科学内涵出发,探讨喀斯特石漠化评价的具体内容,指出喀斯特石漠化评价应从现状、危险性以及发展速率3个方面进行.评价指标选取所依据的原则,探讨了指标体系适用的时、空尺度范围;根据已有研究成果,分析喀斯特石漠化不同等级指标量化界线确定的生态基准,初步建立了石漠化评价的指标体系. . 从喀斯特石漠化的科学内涵出发,探讨喀斯特石漠化评价的具体内容,指出喀斯特石漠化评价应从现状、危险性以及发展速率3个方面进行.评价指标选取所依据的原则,探讨了指标体系适用的时、空尺度范围;根据已有研究成果,分析喀斯特石漠化不同等级指标量化界线确定的生态基准,初步建立了石漠化评价的指标体系. |
| [35] | . The main problem associated with the study of silicate weathering using river dissolved load is that the main control of solute chemistry is lithology and that all rivers are influenced by carbonate and evaporite weathering. In this paper, newly compiled data on the 60 largest rivers of the world are used to calculate the contribution of main lithologies, rain and atmosphere to river dissolved loads. Technically, an inverse method is used to solve a model containing of a series of mass budget equations relating river concentrations to chemical weathering products and atmospheric inputs. New estimates of global silicate weathering fluxes and associated CO 2 consumption fluxes are given. The role of basalt weathering on oceanic islands and volcanic arcs is emphasized. For each large river, an attempt is made to calculate chemical weathering rates of silicates per unit area. Only relative chemical weathering rates can be calculated. The relationships between the chemical weathering rates of silicates and the possible controlling parameters are explored. A combined effect of runoff-temperature and physical denudation seems to explain the variability of modern silicate chemical weathering rates. The results of this study highlight the coupling between the physical and the chemical processes of silicate weathering. Only an active physical denudation of continental rocks seems to be able to maintain high chemical weathering rates and significant CO 2 consumption rates. |
| [36] | . <h2 class="secHeading" id="section_abstract">Abstract</h2><p id="">Solute-based geochemical mass balance methods are commonly used in small-watershed studies to estimate rates of a variety of geochemical processes at the Earth’s surface, including primary-mineral weathering and soil formation, and the quantitative contribution of these elemental transfer processes to cation budgets, nutrient cycling, and landscape susceptibility to acid deposition. Weathering rates of individual minerals in watershed mass-balance studies are determined by solving a system of simultaneous linear geochemical mass-balance equations with constant (stoichiometric) coefficients. These equations relate the measured net fluxes to the (known) stoichiometries and (unknown) rates of weathering reactions for multiple minerals in the weathering profiles. Solving the system of equations requires petrologic, mineralogic, hydrologic, botanical, and aqueous geochemical data. The number of mineral-weathering rates that can be determined is limited by the number of elements for which solute mass-balance equations can be written. In addition to calculating mineral weathering rates, elemental transfer into or out of the biomass may also be calculated. Elemental uptake by aggrading forest vegetation can act as an intrawatershed sink for at least some mineral-derived cations, producing mineral weathering rates higher than would be estimated from solute fluxes alone; similarly, element release from decaying forest biomass can result in higher solute fluxes than are produced by weathering alone. The mathematics of, significant contributions from, role of biomass in, and recent advances in, watershed geochemical mass-balance methods are discussed using examples from the Appalachian headwaters watersheds of the Coweeta Hydrologic Laboratory in the southern Blue Ridge Physiographic Province of North Carolina, USA.</p> |
| [37] | . ABSTRACT. Combination of water analyses characteristic of major rock types with their relative outcrop proportions at the surface of the continents leads to a theoretical average composition of river waters close to the actual measured value. The representative anal- |
| [38] | . The flux of atmospheric/soil COconsumed by chemical weathering of the continents (F) can be estimated from river fluxes of bicarbonates. Using published data for 232 small monolithologic watersheds, empirical relationships between Fand runoff (Q) have been determined for the major rock types outcropping on the continents. For validation, the models fitted to these relationships are applied to the Garonne, Congo and Amazon river basins to calculate the average COconsumption on these large river basins; the model results are close to previous estimates based on field measurements. The model (GEM-CO: Global Erosion Model for COfluxes) is then applied at the global scale and allows the determination of latitudinal variations of the consumption of atmospheric/soil COby chemical erosion. The main results show that the consumption of COis mainly localized in the Northern hemisphere, because of large continental area with a high proportion of carbonate rocks, and in equatorial regions which are very humid. Finally, the mean annual COconsumption for the whole continents amount to 0.26 Gt C y, and 72% of this flux is removed in the Northern hemisphere. |
| [39] | . ABSTRACT Prediction of CO2-consumption by chemical weathering is important to understand the global carbon cycle, and island arcs are assumed to contribute significantly to the transfer of atmospheric/soil CO2 to the oceans. Previous work established empirical functions for bicarbonate-flux and CO2-consumption in dependence of runoff for five to six lithological classes. These functions were applied in global studies. However, it has remained uncertain, if improvements can be achieved by considering further factors or by an enhanced lithological classification scheme. This study applies a new lithological map of Japan with an enhanced lithological classification, a hydrochemical data set representing 382 catchments (covering 65 44.4% of the Japanese Archipelago) and a multi-lithological model approach to predict bicarbonate-fluxes and CO2-consumption by chemical weathering. Because of significant carbonate contents in sediments (different from carbonate sedimentary rocks), acid plutonics and metamorphics, firstly a bicarbonate-flux model approach is established and, secondly, silicate and carbonate CO2-consumption is estimated, based on the geochemical composition of rocks.In accordance with previous studies on the catchment scale, the most important factors controlling bicarbonate-fluxes are lithology and runoff. The anion ratio HCO361/(SO4261 + Cl61) is identified as the third most important predictor, because anion sources and anion composition of river water have a great effect on bicarbonate concentrations. And last but not least, potential predictors such as gradient of slope, temperature and physical erosion explain some part of the observed bicarbonate-flux variation. These potential predictors have been discussed in literature, but quantification of the effects of these factors remains difficult due to their correlation with runoff and lithology. However, all tested models reproduce a total of observed bicarbonate-fluxes within 10% on the regional scale including the simplest model which recognizes only lithology and runoff as predictors.Model results suggest that bicarbonate-flux from the Japanese Archipelago is about 6.61 t C km61 2 a61 1, and CO2-consumption by chemical weathering is about 6.05 t C km61 2 a61 1 (91.6% of bicarbonate-flux). This CO2-consumption rate is 3.2 times above the global average rate. The silicate to carbonate CO2-consumption ratio is comparatively high. It amounts to 9.9 which is above the global value. The latter one being 1 to 1.5. Carbonate sedimentary rocks contribute only 1.3% to bicarbonate-fluxes due to their low areal proportion (0.2%). Acid volcanic rocks (VA) show the lowest bicarbonate-fluxes, on average, while basic and intermediate volcanics (VB) as well as pyroclastics (PY) are in the range of the Japanese average value. The carbonate weathering contribution to bicarbonate-fluxes from mixed sediments, siliciclastic sediments, metamorphics and acid plutonics is estimated to be 69.2%, 23.3%, 63.4% and 24.8%, respectively. Only an average carbonate CO2-consumption per lithological class is calculated because no function based on typical predictors could be established to calculate carbonate weathering contribution to silicate-dominated lithological classes. This can be attributed to large spatial differences in carbonate content in rocks and to corresponding contributions to bicarbonatefluxes. In the following, results are compared to bicarbonate-flux models of previous studies and identified differences are discussed. In conclusion, recognition of carbonate abundance in silicate-dominated lithological classes (including trace calcite) is important to calculate silicate/carbonate CO2-consumption ratios. Presented results are relevant for studies modelling CO2-consumption by chemical weathering in context of the global C-cycle. |
| [40] | . Thanks to Elsevier editor. The definitive version is available at http://www.sciencedirect.com The original PDF of the article can be found at Chemical Geology: http://www.elsevier.com/wps/find/journaldescription.cws_home/503324/description#description |
| [41] | . The chemistries of rivers draining a variety of lithologic and climatic regions have been surveyed for the purpose of quantifying the fluxes of bicarbonate and silica from rivers with respect to bedrock lithology and runoff. In all, 101 different rivers, each draining a primary lithology, were examined across the United States, Puerto Rico, and Iceland. To minimize seasonal effects, only rivers with at least two years of data were used. Basaltic catchments were examined in the greatest detail. In a survey of Hawaiian Island watersheds, the average river chemistries could be related to the distribution of soil associations within each catchment. An analysis of cation activity relationships among rivers draining basaltic catchments shows that the river compositions define slopes which are consistent with an equilibrium (ion exchange) control on cation ratios. Among different lithologies, unique weathering rate relationships were developed with yields at typical present-day runoff rates (1 100 cm/y) increasing in the order sandstones, granites, basalts, shales, and carbonates. The bicarbonate and silica fluxes for each of these lithologies have been quantified for use in global studies of chemical denudation. Our study confirms that the dissolved yield of a given drainage basin is determined by a balance between physical and chemical weathering; thus, a warm, wet climate, or the presence of abundant vegetation cannot guarantee high rates of chemical denudation unless accompanied by high rates of physical removal. |
| [42] | . <a name="Abs1"></a>To accurately predict future CO<sub>2</sub> levels in the atmosphere, which is crucial in predicting global climate change, the sources and sinks of the atmospheric CO<sub>2</sub> and their change over time must be determined. In this paper, some typical cases are examined using published and unpublished data. Firstly, the sensitivity of carbonate rock weathering (including the effects by both dissolution and reprecipitation of carbonate) to the change of soil CO<sub>2 </sub> and runoff will be discussed, and then the net amount of CO<sub>2</sub> removed from the atmosphere in the carbonate rock areas of mainland China and the world will be determined by the hydrochem-discharge and carbonate-rock-tablet methods, to obtain an estimate of the contribution of carbonate rock weathering to the atmospheric CO<sub>2</sub> sink. These contributions are about 0.018 billion metric tons of carbon/a and 0.11 billion metric tons of carbon/a for China and the world, respectively. Further, by the DBL (Diffusion Boundary Layer)-model calculation, the potential CO<sub>2</sub> sink by carbonate rock dissolution is estimated to be 0.41 billion metric tons of carbon/a for the world. Therefore, the potential CO<sub>2</sub> source by carbonate reprecipitation is 0.3 billion metric tons of carbon/a. |
| [43] | . The magnitudes, variations, locations and mechanisms responsible for the global atmospheric CO 2 sink are uncertain and under continuing debate. Previous studies have focused mainly on the sinks in the oceans, and soil and vegetation on the continents. Here, we show, based on theoretical calculations and field monitoring evidence, that there is an important but previously underestimated sink for atmospheric CO 2 as DIC-dissolved inorganic carbon that results from the combined action of carbonate dissolution, the global water cycle and the photosynthetic uptake of DIC by aquatic organisms in ocean and land. The sink constitutes up to 0.824202Pg C/a, amounting to 29.4% of the terrestrial CO 2 sink, or 10.4% of the total anthropogenic CO 2 emission. 0.244 Pg02C/a are transferred to the sea via continental rivers and 0.227802Pg C/a by meteoric precipitation over the seas. 0.11902Pg C/a is released back to the atmosphere again, and 0.233402Pg C/a is stored in the continental aquatic ecosystem. Therefore, the net sink is estimated as 0.705202Pg C/a. This sink may increase with an intensification of the global water cycle as a consequence of global warming, rising anthropogenic emissions of CO 2 and carbonate dust in atmosphere, and afforestation, which increases the soil pCO 2 and thus the carbonate dissolution. Fertilization with the elements N, P, C, Fe, Zn, and Si increases the organic matter storage/burial by aquatic organisms and thus decreases the CO 2 return to the atmosphere. Based on the ensemble mean projection of global warming for the year 2100 by IPCC, it is estimated that the atmospheric CO 2 sink will increase by 21%, or about 0.1802Pg C/a. However, the uncertainty in the estimation of this sink needs further exploration. |
| [44] | . 岩溶作用通过碳酸盐岩溶解时消耗大气或土壤CO2成为重要的碳汇过程。本文首先简要介绍了定量评价岩溶作用及其碳汇强度的水化学径流法和碳酸盐岩溶蚀试片法及其优缺点,即水化学径流法仅适用于边界清楚且为全排型的流域,而试片法仅适用于土壤中不含碳酸盐矿物的条件。继而推导出了岩溶作用及其碳汇强度计算的＂入渗-平衡化学法＂（或称＂潜在最大溶蚀法＂）,该方法的优点在于只要知道了相关地区的基本气候资料,如温度、降水和蒸发蒸腾数据,即可计算出该地区的岩溶作用及其碳汇强度。 . 岩溶作用通过碳酸盐岩溶解时消耗大气或土壤CO2成为重要的碳汇过程。本文首先简要介绍了定量评价岩溶作用及其碳汇强度的水化学径流法和碳酸盐岩溶蚀试片法及其优缺点,即水化学径流法仅适用于边界清楚且为全排型的流域,而试片法仅适用于土壤中不含碳酸盐矿物的条件。继而推导出了岩溶作用及其碳汇强度计算的＂入渗-平衡化学法＂（或称＂潜在最大溶蚀法＂）,该方法的优点在于只要知道了相关地区的基本气候资料,如温度、降水和蒸发蒸腾数据,即可计算出该地区的岩溶作用及其碳汇强度。 |
| [45] | . 准确估计陆地碳汇时空变化是预测气候变化和执行温室气体控制协议的基础，近10年来，以大型试验环境控制、涡度相关测定和定量遥感为代表的新技术手段的应用推动了多尺度生态观测网络的建立，获得和积累了大量有关陆地生态系统碳循环变化的数据，但是这些高强度和多尺度观测并没有显著降低对陆地碳汇及其变化估计和机理认识的不确定性，其主要原因是这些观测主要是在各个尺度上分别进行的，而生态系统碳循环变化取决于从生物个体的短期反应到区域生态系统格局长期变化各个尺度过程的相互作用，试验和观测总是在特定尺度上进行的，认识和定量表达跨尺度相互作用需要应用机理模拟的方法，但是，现有的生态机理模型以单一尺度试验观测数据为基础，不能现实地模拟生态系统大尺度格局、结构和过程对环境变化的动态响应和适应，估计和预测由多尺度过程相互作用决定的陆地碳汇变化要求构建新的生态系统理论框架和机理模型，集成和定量表达从生理生态过程响应到生态系统格局适应性变化的传递机理和非平衡生态系统演替机制，多尺度数据一模型融合(Data-model fusion)是近年来发展起来的生态系统碳循环研究的新方法，它包括应用多尺度观测数据建立跨尺度机理模拟模型；应用多种观测数据在不同尺度上对模型进行检验和验证；应用动态观测数据连续驱动和引导机理模拟运行，以现实地估计和预测生态系统碳循环时空变化，总之，陆地碳汇研究的突破口在于应用多尺度试验观测和跨尺度机理模拟方法认识和定量表达不同尺度生态系统过程相互作用对生态系统碳循环通量和贮量的控制作用。 . 准确估计陆地碳汇时空变化是预测气候变化和执行温室气体控制协议的基础，近10年来，以大型试验环境控制、涡度相关测定和定量遥感为代表的新技术手段的应用推动了多尺度生态观测网络的建立，获得和积累了大量有关陆地生态系统碳循环变化的数据，但是这些高强度和多尺度观测并没有显著降低对陆地碳汇及其变化估计和机理认识的不确定性，其主要原因是这些观测主要是在各个尺度上分别进行的，而生态系统碳循环变化取决于从生物个体的短期反应到区域生态系统格局长期变化各个尺度过程的相互作用，试验和观测总是在特定尺度上进行的，认识和定量表达跨尺度相互作用需要应用机理模拟的方法，但是，现有的生态机理模型以单一尺度试验观测数据为基础，不能现实地模拟生态系统大尺度格局、结构和过程对环境变化的动态响应和适应，估计和预测由多尺度过程相互作用决定的陆地碳汇变化要求构建新的生态系统理论框架和机理模型，集成和定量表达从生理生态过程响应到生态系统格局适应性变化的传递机理和非平衡生态系统演替机制，多尺度数据一模型融合(Data-model fusion)是近年来发展起来的生态系统碳循环研究的新方法，它包括应用多尺度观测数据建立跨尺度机理模拟模型；应用多种观测数据在不同尺度上对模型进行检验和验证；应用动态观测数据连续驱动和引导机理模拟运行，以现实地估计和预测生态系统碳循环时空变化，总之，陆地碳汇研究的突破口在于应用多尺度试验观测和跨尺度机理模拟方法认识和定量表达不同尺度生态系统过程相互作用对生态系统碳循环通量和贮量的控制作用。 |
| [46] | . 定量评估区域和不同类型生态系统的碳收支，可以为科学预测气候变化、服务于减缓和适应气候变化的区域碳管理提供科学依据，是生态系统与全球变化科学研究的重要科技问题。虽然区域碳收支的定量评估和认证还很难用当前的各种直接观测和评估方法来精确实现，但是，近年来这方面做了很多研究工作，也取得了一定进展。为此，本文综述了陆地生态系统碳收支的观测技术体系，重点分析区域尺度陆地生态系统碳收支评估方法及其不确定性。分析结果认为，为了定量认证中国区域的陆地生态系统、主要行业以及与碳汇相关项目的碳汇功能及其时空格局，急需采用“多尺度观测、多方法印证、多过程融合、跨尺度认知和跨尺度模拟”的研究思路，构建基于野外台站的碳循环及其通量的观测和实验研究网络、发展地面站点-陆地样带-生态网络与卫星和航空观测结合的多尺度观测系统，发展观测数据-生态过程模型-卫星遥感模型-GIS 空间分析系统。同时，本文指出：生态系统碳-氮-水循环间的耦合机制及其对碳源汇时空格局影响研究必将成为生态系统碳循环及其区域碳收支评估和定量认证科学研究的重要发展方向和新的研究热点。 . 定量评估区域和不同类型生态系统的碳收支，可以为科学预测气候变化、服务于减缓和适应气候变化的区域碳管理提供科学依据，是生态系统与全球变化科学研究的重要科技问题。虽然区域碳收支的定量评估和认证还很难用当前的各种直接观测和评估方法来精确实现，但是，近年来这方面做了很多研究工作，也取得了一定进展。为此，本文综述了陆地生态系统碳收支的观测技术体系，重点分析区域尺度陆地生态系统碳收支评估方法及其不确定性。分析结果认为，为了定量认证中国区域的陆地生态系统、主要行业以及与碳汇相关项目的碳汇功能及其时空格局，急需采用“多尺度观测、多方法印证、多过程融合、跨尺度认知和跨尺度模拟”的研究思路，构建基于野外台站的碳循环及其通量的观测和实验研究网络、发展地面站点-陆地样带-生态网络与卫星和航空观测结合的多尺度观测系统，发展观测数据-生态过程模型-卫星遥感模型-GIS 空间分析系统。同时，本文指出：生态系统碳-氮-水循环间的耦合机制及其对碳源汇时空格局影响研究必将成为生态系统碳循环及其区域碳收支评估和定量认证科学研究的重要发展方向和新的研究热点。 |
| [47] | . 深部碳循环是全球碳循环中的重要组成部分,它指通过板块俯冲过程把大洋底部的碳酸盐岩带到地幔中,然后再通过火山作用以CO2气体形式释放到大气中.目前对于深部碳循环的研究仍处在一个起步阶段.其中一个很重要的科学问题是火山作用释放的CO2中与俯冲相关的碳和原始幔源碳的比例.传统碳同位素可以很好的区分有机碳和无机碳,但火山作用释放的CO2中,大约95%的与俯冲相关的碳和原始幔源碳均是无机碳,因此传统的碳同位素方法无法区分.近年来Ca和Mg同位素在示踪壳内物质循环方面的研究取得很大的进展,本文针对以上科学问题,总结了近年来对于深部碳存储总量、通量及存在形式,洋壳俯冲过程中碳的行为,含碳地幔的熔融,深入探讨了C,Ca和Mg同位素示踪深部碳循环的原理和途径,以及前人在C,Ca和Mg同位素示踪深部碳循环等方面的研究成果. . 深部碳循环是全球碳循环中的重要组成部分,它指通过板块俯冲过程把大洋底部的碳酸盐岩带到地幔中,然后再通过火山作用以CO2气体形式释放到大气中.目前对于深部碳循环的研究仍处在一个起步阶段.其中一个很重要的科学问题是火山作用释放的CO2中与俯冲相关的碳和原始幔源碳的比例.传统碳同位素可以很好的区分有机碳和无机碳,但火山作用释放的CO2中,大约95%的与俯冲相关的碳和原始幔源碳均是无机碳,因此传统的碳同位素方法无法区分.近年来Ca和Mg同位素在示踪壳内物质循环方面的研究取得很大的进展,本文针对以上科学问题,总结了近年来对于深部碳存储总量、通量及存在形式,洋壳俯冲过程中碳的行为,含碳地幔的熔融,深入探讨了C,Ca和Mg同位素示踪深部碳循环的原理和途径,以及前人在C,Ca和Mg同位素示踪深部碳循环等方面的研究成果. |
| [48] | . In the past few decades numerous studies have quantified the load of dissolved solids in large rivers to determine chemical weathering rates in orogenic belts and volcanic areas, mainly motivated by the notion that over timescales greater than 65100 kyr, silicate hydrolysis may be the dominant sink for atmospheric CO |
| [49] | . The origins of gases from hot springs and earthquake activity in the western part of Sichuan Province, Southwestern China, are discussed in terms of helium and carbon isotopes and energy released by earthquakes. δ 13 C values of CO 2 in free and dissolved gases range from 613.34 to 6117.09‰, and 3 He/ 4 He ratios vary from 1.5×10 618 to 3.63×10 616 . The isotopic compositions indicate that carbon dioxide from the hot springs is a mixture of crustal and mantle CO 2 , and helium is derived from the crust, mantle and atmosphere. The thermal springs in different earthquake and/or fault zones, as well as in different parts of the same zone, have different values of δ 13 C and 3 He/ 4 He. The more tectonically active the district is, the larger the δ 13 C and 3 He/ 4 He values and the greater the frequency of earthquakes. This means that more heat energy is derived from the deep earth with upward migration of anatectic fluids in the active-tectonic district, such as in the Kangding district. Therefore, hot spring gases (He, CO 2 etc.) may be important geochemical markers for determination of seismological and tectonic activity. |
| [50] | . Consumption of CO 2 in mineral weathering reactions is one of the major fluxes in the global carbon cycle that drives the weathering and transport of its products by surface water from land to the ocean. In the weathering cycle, carbon dioxide, as an acid derived directly from the atmosphere and(or) remineralization of organic matter in soil, is supplemented by small, but perhaps regionally important, amounts of sulfuric acid forming in the oxidation of pyrite (FeS 2 ). Reactions of dissolved CO 2 and H 2 SO 4 with carbonate and silicate minerals in continental sediments and crystalline crust produce the bicarbonate ion HCO 3 61 and release metal cations, such as the four major cationic components of river water, Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , and K + , and dissolved silica to solution. Depending on the reactions that may either only consume CO 2 or uncommonly also produce it, a general relationship describing the CO 2 consumption by weathering reactions with carbonate and silicate minerals is a weathering potential ψ 02=02(net CO 2 consumed)02/02(HCO 3 61 produced). The lower values of this ratio, about 0.54, are for carbonate rocks and evaporites, about 0.75 for shales and sandstones, and 1 for the crystalline igneous continental crust. In an average world river (of which there is more than one estimate of chemical composition), the mass proportions of the main cations and anions differ from those in the weathering source that consists of the sediments and part of the continental crust because of the differences in mineral solubilities and dissolution rates. A dissolution model of a weathering source that consists of 63wt% average sediment and 37 wt% upper continental crust gives the concentrations of the major dissolved constituents in an average river that agree very well with the range of composition given by other investigators. This dissolution model also provides an average CO 2 consumption potential of ψ 02=020.72 and a sequence of relative stability or order of persistence in the weathering of the mineral constituents of the sedimentary carbonate, silicate, and evaporitic rocks, and the crustal silicates. The CO 2 consumption rate translates into a weathering flux of about 2202×0210 12 mol C/yr, derived mainly from soil–atmosphere CO 2 that forms by decomposition of organic matter in soils. Anthropogenic emissions of SO 2 to the atmosphere, as projected for the future and at the upper bound of the projection, may provide H 2 SO 4 to the continental surface that is 3 to 5 times greater than the natural H 2 SO 4 production by the oxidation of pyrite in sediments. The higher input rates of H 2 SO 4 may increase the dissolved ionic solid concentrations in river waters by about 13%, without significantly affecting the CO 2 consumption in weathering. In the global carbon cycle, the CO 2 uptake in weathering is comparable to other interreservoir fluxes in the atmosphere–land–ocean system. |
| [51] | Author information: (1)Institut de Physique du Globe de Paris, University Paris-Diderot, CNRS, France. gaillardet@ipgp.jussieu.fr |
| [52] | . 对长江及其主要支流河水水化学和溶解无机碳(DIC)同位素组成(δ13CDIC)进行了研究。河水阳离子组成以Ca2+、Mg2+为主,阴离子以HCO 3-、SO42-为主,水化学组成主要受流域碳酸盐岩矿物的化学侵蚀控制。DIC含量为0.3～2.5 mmol/L,从上游到河口逐渐降低。δ13CDIC值为-12.0‰～-3.4‰,与DIC含量具有相似的变化趋势。H2CO3溶解碳酸盐岩是控制河水DIC来源及其δ13CDIC组成的主要机制。H2SO4溶解碳酸盐岩加剧了流域碳酸盐岩的化学侵蚀,一方面导致了河水的DIC含量增加,另一方面也使河水的δ13CDIC值升高。 . 对长江及其主要支流河水水化学和溶解无机碳(DIC)同位素组成(δ13CDIC)进行了研究。河水阳离子组成以Ca2+、Mg2+为主,阴离子以HCO 3-、SO42-为主,水化学组成主要受流域碳酸盐岩矿物的化学侵蚀控制。DIC含量为0.3～2.5 mmol/L,从上游到河口逐渐降低。δ13CDIC值为-12.0‰～-3.4‰,与DIC含量具有相似的变化趋势。H2CO3溶解碳酸盐岩是控制河水DIC来源及其δ13CDIC组成的主要机制。H2SO4溶解碳酸盐岩加剧了流域碳酸盐岩的化学侵蚀,一方面导致了河水的DIC含量增加,另一方面也使河水的δ13CDIC值升高。 |
| [53] | . 流域化学侵蚀及其速率与流域生态和环境之间的关系是当前地表地球化学研究的重要前沿领域，其中碳酸盐岩的硫酸风化机制及其与区域碳循环的关系则是科学家们最为关注的科学问题。因此，近年通过研究西南喀斯特流域地表水地球化学对这一科学问题进行了研究，发现西南喀斯特地区河水一般含有较多的SO42-，从化学计量学、SO42-和δ34S和溶解无机碳(DIC)的δ13C分析发现，硫循环中形成的硫酸广泛参与了流域碳酸盐矿物的溶解和流域侵蚀：西南喀斯特流域碳酸盐岩的侵蚀速率为97 t／(km2·a)，消耗CO2量为25 t／(km ·a)。对乌江流域河水硫酸盐离子的硫同位素研究结果认为：参与流域侵蚀的硫酸主要来自煤系地层硫化物和矿床硫化物的氧化及大气酸沉降，分别对河水SO42-的贡献为50％、27％和20．5％(其余2．5％的SO42-为硫酸盐蒸发岩的溶解)；硫酸风化碳酸盐岩向大气净释放CO2的总通量为8．2 t／(km ·a)，依此计算西南喀斯特区域向大气释放CO2的通量为4．4×10 g／a，相当于每年西南碳酸盐岩风化消耗CO2总通量的33％。将乌江流域的研究结果对我国大陆碳酸盐岩分布区域进行相应计算发现，硫酸风化碳酸盐矿物向大气释放的CO2总通量为28×10 g／a，相当于全球硅酸盐风化消耗CO2量的26％ 。硫酸参与流域侵蚀改变了区域碳循环，人为过程可以通过释放酸沉降、矿业活动和土地利用等形式加速流域侵蚀和影响流域元素的生物地球化学循环。 . 流域化学侵蚀及其速率与流域生态和环境之间的关系是当前地表地球化学研究的重要前沿领域，其中碳酸盐岩的硫酸风化机制及其与区域碳循环的关系则是科学家们最为关注的科学问题。因此，近年通过研究西南喀斯特流域地表水地球化学对这一科学问题进行了研究，发现西南喀斯特地区河水一般含有较多的SO42-，从化学计量学、SO42-和δ34S和溶解无机碳(DIC)的δ13C分析发现，硫循环中形成的硫酸广泛参与了流域碳酸盐矿物的溶解和流域侵蚀：西南喀斯特流域碳酸盐岩的侵蚀速率为97 t／(km2·a)，消耗CO2量为25 t／(km ·a)。对乌江流域河水硫酸盐离子的硫同位素研究结果认为：参与流域侵蚀的硫酸主要来自煤系地层硫化物和矿床硫化物的氧化及大气酸沉降，分别对河水SO42-的贡献为50％、27％和20．5％(其余2．5％的SO42-为硫酸盐蒸发岩的溶解)；硫酸风化碳酸盐岩向大气净释放CO2的总通量为8．2 t／(km ·a)，依此计算西南喀斯特区域向大气释放CO2的通量为4．4×10 g／a，相当于每年西南碳酸盐岩风化消耗CO2总通量的33％。将乌江流域的研究结果对我国大陆碳酸盐岩分布区域进行相应计算发现，硫酸风化碳酸盐矿物向大气释放的CO2总通量为28×10 g／a，相当于全球硅酸盐风化消耗CO2量的26％ 。硫酸参与流域侵蚀改变了区域碳循环，人为过程可以通过释放酸沉降、矿业活动和土地利用等形式加速流域侵蚀和影响流域元素的生物地球化学循环。 |
| [54] | . ABSTRACT The CO2 source-sink of atmospheric green- house has a close relationship with karst pro- cesses. The corrosion of carbonate rocks leads to the sink of atmospheric CO 2, whereas the deposition of carbonate rocks gives off CO 2 into atmosphere, which is one of the sources of atmospheric CO2. According to the exposed areas of carbonate rocks in China, the flux of atmospheric CO2 consumed in karst processes is estimated at about 1.77× 10 13 g CO2/a. Con- sidering the global karst area, the flux of atmospheric CO2 consumed in corrosion may be an important part of the missing sink. And the sink has a tendency of continuous increase. The release of CO2 from karst water is usually less than the sink of atmospheric CO 2 con- sumed in karst processes. But in active tectonic zone the release of high CO 2 concentration of mantle source in the geothermal karst water should not be neglected. |
| [55] | . <p>IGCP 379项“岩溶作用与碳循环”是中国建议并组织实施的,于1995～1999年执行。作者对1995年以来项目的实施情况及其研究进展作了总结,并对每一科学目标的研究进展进行了综述:①表层岩溶系统碳循环与大气CO2源汇的主要进展有3方面:扩展了研究地区;揭示了表层岩溶系统碳循环的运行机制;对表层岩溶作用回收大气CO2量进行了估算。②深部CO2释放问题的主要进展有:发现了更多的深部CO2释放带;揭示了深部CO2气体来源问题;对西藏地区CO2源汇问题进行了深入的探讨。③以岩溶记录重建环境变化过程的主要进展有:研究时空范围不断扩大;采取多种新技术、新方法获取更多古环境信息;不断提高研究分辨率。</p> . <p>IGCP 379项“岩溶作用与碳循环”是中国建议并组织实施的,于1995～1999年执行。作者对1995年以来项目的实施情况及其研究进展作了总结,并对每一科学目标的研究进展进行了综述:①表层岩溶系统碳循环与大气CO2源汇的主要进展有3方面:扩展了研究地区;揭示了表层岩溶系统碳循环的运行机制;对表层岩溶作用回收大气CO2量进行了估算。②深部CO2释放问题的主要进展有:发现了更多的深部CO2释放带;揭示了深部CO2气体来源问题;对西藏地区CO2源汇问题进行了深入的探讨。③以岩溶记录重建环境变化过程的主要进展有:研究时空范围不断扩大;采取多种新技术、新方法获取更多古环境信息;不断提高研究分辨率。</p> |
| [56] | . 溶蚀试片法和水化学径流法是计算岩溶作用碳汇强度的两种重要方法,利用这两种方法对贵州普定陈旗岩溶泉系统的岩溶作用碳汇强度分别进行了计算,结果发现:通过溶蚀试片法估算出的岩溶作用碳汇强度仅为水化学径流法估算值的1/6左右,这主要是因为陈旗岩溶泉域内埋放溶蚀试片处的上覆土体中含有石灰岩角砾和土骨架中存在少量原生与次生碳酸盐矿物,这些碳酸盐的先期溶蚀大大降低了下部试片的溶蚀量。可见,溶蚀试片法具有一定的局限性,即在该方法应用之前,必须对试片上覆土体的碳酸盐矿物含量进行分析,以评价该方法的适宜性。 . 溶蚀试片法和水化学径流法是计算岩溶作用碳汇强度的两种重要方法,利用这两种方法对贵州普定陈旗岩溶泉系统的岩溶作用碳汇强度分别进行了计算,结果发现:通过溶蚀试片法估算出的岩溶作用碳汇强度仅为水化学径流法估算值的1/6左右,这主要是因为陈旗岩溶泉域内埋放溶蚀试片处的上覆土体中含有石灰岩角砾和土骨架中存在少量原生与次生碳酸盐矿物,这些碳酸盐的先期溶蚀大大降低了下部试片的溶蚀量。可见,溶蚀试片法具有一定的局限性,即在该方法应用之前,必须对试片上覆土体的碳酸盐矿物含量进行分析,以评价该方法的适宜性。 |
| [57] | . <p>土地利用可使土壤理化性质产生一系列的变化,从而影响到岩溶作用的方向和强度。以广西马山县弄拉典型峰丛洼地区为例,通过野外溶蚀试片法探讨了不同土地利用方式对岩溶作用的影响。结果表明不同土地利用类型土下溶蚀量存在显著差异。林地与园地土下溶蚀量极大部分大于20 mg/a,明显高于灌丛地及 (休) 耕地 (多小于20 mg/a)。总体上,溶蚀量从大到小依次为园地、林地、耕地、休耕地与灌丛。其中至少有两个主要控制因素：土壤有机质和土壤CO<sub>2</sub>：林地和园地土下溶蚀作用主要受前者控制,土壤有机质含量越高、pH越低,土下溶蚀量越大。在耕地与灌丛条件下由于土壤有机质含量较低,土下溶蚀量主要受土壤CO<sub>2</sub>控制。</p> . <p>土地利用可使土壤理化性质产生一系列的变化,从而影响到岩溶作用的方向和强度。以广西马山县弄拉典型峰丛洼地区为例,通过野外溶蚀试片法探讨了不同土地利用方式对岩溶作用的影响。结果表明不同土地利用类型土下溶蚀量存在显著差异。林地与园地土下溶蚀量极大部分大于20 mg/a,明显高于灌丛地及 (休) 耕地 (多小于20 mg/a)。总体上,溶蚀量从大到小依次为园地、林地、耕地、休耕地与灌丛。其中至少有两个主要控制因素：土壤有机质和土壤CO<sub>2</sub>：林地和园地土下溶蚀作用主要受前者控制,土壤有机质含量越高、pH越低,土下溶蚀量越大。在耕地与灌丛条件下由于土壤有机质含量较低,土下溶蚀量主要受土壤CO<sub>2</sub>控制。</p> |
| [58] | . Forests play a vital role in global carbon (C) cycling. Accordingly, afforestation engineering programs that promote increased terrestrial C stocks are an important means to help gradually decrease atmospheric CO2 emissions. China, however, had increased its afforested area bordering hydroclimatic zones to 275.71 million hm(2) between 1949 and 2010. Ecosystem water use efficiency (EWUE) and plant water use efficiency (PVVUE) provide data on ecosystem sensitivity to water availability across rainfall regimes. The water consumption cost of C sequestration (WCCC) is also an important parameter that gauges the cost of C sequestration under afforestation. However, abrupt changes in EWUE and PWUE (threshold values of 1.5 and 3.6 gC kg(-1) H2O, respectively) have been measured within the 400-500 mm precipitation climatic isoline boundary situated between semi-humid and arid zones. The threshold value of the corresponding WCCC was 1.0 kg H2O gC(-1). Forest ecosystems in China typically generate high EVVUE and PWUE values (2.80 +/- 0.77 and 4.25 +/- 1.02 gC kg(-1) H2O, respectively) but low WCCC values (0.52 +/- 0.42 kg H2O g(-1) C), providing proof that afforestation is the best choice in increasing terrestrial C stocks. However, China's major afforestation engineering programs have concentrated efforts toward low EWUE and PWUE and high WCCC in the western region of the 400-500 mm precipitation isoline boundary, belonging to the arid and semiarid zones, which introduced potential environmental risks. Therefore, policies related to large-scale C sequestration initiatives under afforestation must first fully consider the statuses of WCCC and WUE. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved. |
| [59] | . 采用MOD13A1和MCD12Q1遥感数据、气温和降水数据以及一次能源消费、水泥生产量、生物质能源消费等统计数据，基于生态平衡视角，运用CASA模型、碳排放测算模型，分别估算2000—2010年陕西省及各市地表植被NPP和人类活动碳排量，并进行差量分析，进而探讨其碳通量和碳平衡演变过程。结果表明：陕西省地表植被每年NPP总量在5.00×107~8.00×107 t，波动中呈现升高趋势，NPP总量空间分布为：陕南>关中>陕北；陕西省人类活动碳排放从2.61×107 t增加到了7.76×107 t，碳排放空间分布为：关中>陕北>陕南；2000—2010年西安和渭南一直处于碳赤字状况，宝鸡、延安、汉中、安康和商洛碳盈余，承载着陕西省大部分碳吸收功能，在维持省域碳盈余中起关键作用，铜川、咸阳和榆林则由碳盈余逐渐变为碳赤字。最后提出陕西省应逐步着手建立碳排放权交易市场等建议。 . 采用MOD13A1和MCD12Q1遥感数据、气温和降水数据以及一次能源消费、水泥生产量、生物质能源消费等统计数据，基于生态平衡视角，运用CASA模型、碳排放测算模型，分别估算2000—2010年陕西省及各市地表植被NPP和人类活动碳排量，并进行差量分析，进而探讨其碳通量和碳平衡演变过程。结果表明：陕西省地表植被每年NPP总量在5.00×107~8.00×107 t，波动中呈现升高趋势，NPP总量空间分布为：陕南>关中>陕北；陕西省人类活动碳排放从2.61×107 t增加到了7.76×107 t，碳排放空间分布为：关中>陕北>陕南；2000—2010年西安和渭南一直处于碳赤字状况，宝鸡、延安、汉中、安康和商洛碳盈余，承载着陕西省大部分碳吸收功能，在维持省域碳盈余中起关键作用，铜川、咸阳和榆林则由碳盈余逐渐变为碳赤字。最后提出陕西省应逐步着手建立碳排放权交易市场等建议。 |
| [60] | . <p>应用生态系统机理性模型估算1981～1998年中国陆地生态系统净初级生产力 (NPP) 的时空变化，并分析了NPP对年际间气候变化的响应。结果表明，中国陆地生态系统1981～1998年NPP总量波动于2.86～3.37 Gt C/yr之间，平均约为3.09 Gt C /yr ，单位NPP平均约为342 g C m<sup>2</sup>/yr。在研究时段内，NPP有缓慢增长趋势，年增长率约为0.32%，NPP总量平均值从 1980年代 (1981～1989年) 的3.03 Gt C/yr上升到1990年代 (1990～1998年) 的3.14 Gt C/yr。在一些厄尔尼诺 (El Nino) 发生年，NPP有明显的下降，但由于地域差异和季风环流的影响，NPP同ENSO的关系还十分复杂。从全国来看，在厄尔尼诺现象发生的1982年、1986年、1991年和1997年，NPP都有一定程度的减少。但在1993年和1994年两个厄尔尼诺发生年，NPP并没有表现为明显的下降趋势，1994年NPP总量甚至比上一年增加了0.12Gt，这主要是由于温度和降水量在不同地区的分布差异以及不同地区对厄尔尼诺现象的响应差异造成的。</p> . <p>应用生态系统机理性模型估算1981～1998年中国陆地生态系统净初级生产力 (NPP) 的时空变化，并分析了NPP对年际间气候变化的响应。结果表明，中国陆地生态系统1981～1998年NPP总量波动于2.86～3.37 Gt C/yr之间，平均约为3.09 Gt C /yr ，单位NPP平均约为342 g C m<sup>2</sup>/yr。在研究时段内，NPP有缓慢增长趋势，年增长率约为0.32%，NPP总量平均值从 1980年代 (1981～1989年) 的3.03 Gt C/yr上升到1990年代 (1990～1998年) 的3.14 Gt C/yr。在一些厄尔尼诺 (El Nino) 发生年，NPP有明显的下降，但由于地域差异和季风环流的影响，NPP同ENSO的关系还十分复杂。从全国来看，在厄尔尼诺现象发生的1982年、1986年、1991年和1997年，NPP都有一定程度的减少。但在1993年和1994年两个厄尔尼诺发生年，NPP并没有表现为明显的下降趋势，1994年NPP总量甚至比上一年增加了0.12Gt，这主要是由于温度和降水量在不同地区的分布差异以及不同地区对厄尔尼诺现象的响应差异造成的。</p> |
| [61] | . 为了应对全球环境变化,中国地质科学院岩溶地质研究所等单位在地质调查项目的资助下,在中国典型岩溶流域开展了岩溶碳汇调查,建立了岩溶碳汇观测网站,深化了岩溶碳汇过程、影响因素和形成机理研究,发现了岩溶区外源水、土地合理利用、植被恢复和水生光合作用等增加岩溶碳汇的途径,取得了大量的科技创新进展。在调查研究的基础上,将我国岩溶区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,利用GIS技术计算各区的岩溶面积和岩溶碳汇量,获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a,这是我国344万km2岩溶区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇。该项研究进展在2011年的《Science》通讯报道中获得高度评价。 . 为了应对全球环境变化,中国地质科学院岩溶地质研究所等单位在地质调查项目的资助下,在中国典型岩溶流域开展了岩溶碳汇调查,建立了岩溶碳汇观测网站,深化了岩溶碳汇过程、影响因素和形成机理研究,发现了岩溶区外源水、土地合理利用、植被恢复和水生光合作用等增加岩溶碳汇的途径,取得了大量的科技创新进展。在调查研究的基础上,将我国岩溶区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,利用GIS技术计算各区的岩溶面积和岩溶碳汇量,获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a,这是我国344万km2岩溶区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇。该项研究进展在2011年的《Science》通讯报道中获得高度评价。 |
| [62] | . 根据中国岩溶碳汇计算的需要,将我国岩溶地区划分为南方岩溶区、 北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,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.各区岩溶水的径流模数和岩溶作用强度存在差异,南方岩溶区比其他区的岩溶作用强度明显大得多.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1 909.9万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3 699.1万tCO2/a.该结果比前人的研究更全面地反映了当前我国岩溶地区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇量. . 根据中国岩溶碳汇计算的需要,将我国岩溶地区划分为南方岩溶区、 北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,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.各区岩溶水的径流模数和岩溶作用强度存在差异,南方岩溶区比其他区的岩溶作用强度明显大得多.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1 909.9万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3 699.1万tCO2/a.该结果比前人的研究更全面地反映了当前我国岩溶地区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇量. |
| [63] | . 岩石的风化作用同时参与了短时间尺度和长时间尺度的全球碳循环，对碳酸盐岩而言，它的风化作用在短时间尺度上对大气二氧化碳循环具有重要影响，但在长时间尺度上不产生净碳汇；而硅酸盐岩等其他类型岩石的风化过程由于反应速率较慢，在短时间尺度上对全球碳循环及其变化反应不灵敏，但它所产生的净碳汇是遗漏汇的组成之一。为了准确估计我国岩石风化所致的碳汇能力，简要评价了现有的各种模型和方法，并基于GEM—CO2模型进行了计算。计算结果表明，我国岩石每年因溶蚀、风化作用共消耗的CO2约为4．72×10^7t，折合成C为1．41×10^7t，其中由碳酸盐类岩石风化消耗的碳量最多，约为0．74×10^7t／a，占总量的52．65％。硅酸盐岩及其他类型岩石风化消耗的碳量约为0．67×10^7t／a，占总量的47．35％。岩石风化所致碳汇能力的空间分布首先取决于岩石类型，其次受地区的气候条件控制。 . 岩石的风化作用同时参与了短时间尺度和长时间尺度的全球碳循环，对碳酸盐岩而言，它的风化作用在短时间尺度上对大气二氧化碳循环具有重要影响，但在长时间尺度上不产生净碳汇；而硅酸盐岩等其他类型岩石的风化过程由于反应速率较慢，在短时间尺度上对全球碳循环及其变化反应不灵敏，但它所产生的净碳汇是遗漏汇的组成之一。为了准确估计我国岩石风化所致的碳汇能力，简要评价了现有的各种模型和方法，并基于GEM—CO2模型进行了计算。计算结果表明，我国岩石每年因溶蚀、风化作用共消耗的CO2约为4．72×10^7t，折合成C为1．41×10^7t，其中由碳酸盐类岩石风化消耗的碳量最多，约为0．74×10^7t／a，占总量的52．65％。硅酸盐岩及其他类型岩石风化消耗的碳量约为0．67×10^7t／a，占总量的47．35％。岩石风化所致碳汇能力的空间分布首先取决于岩石类型，其次受地区的气候条件控制。 |
| [64] | . To better understand chemical weathering and controlling processes in the Yalong River of the eastern Tibetan Plateau, this study presents major ion concentrations and stable isotopes of the dissolved loads. The isotopic compositions (delta C-13-DIC, delta S-34 and delta O-18-SO4) of the dissolved loads are very useful to quantify solute sources and define the carbon budget related with chemical weathering in riverine systems. The isotopic composition of sulphate demonstrates that most of the sulphate is derived from sulphide oxidation, particularly in the upper reach of the Yalong River. The correlations between delta C-13-DIC, water chemistry and isotopes of sulphate, suggest that the carbon dynamics are mainly affected by carbonate weathering by sulphuric acid and equilibration processes. Approximately 13% of the dissolved inorganic carbon in the Yalong River originates from carbonate weathering by strong acid. The CO2 consumption rates are estimated to be 2.8 x 10(5) mol/km(2)/yr and 0.9 x 10(5) mol/km2/yr via carbonate and silicate weathering in the Yalong River, respectively. In this study, the influence of sulphide oxidation and metamorphic CO2 on the carbon budget is estimated for the Yalong River draining the eastern Tibetan Plateau. (c) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved. |
| [65] | . <a name="Abs1"></a>Natural and anthropogenic impacts on karst ground water, Zunyi, Southwest China, are discussed using the stable isotope composition of dissolved inorganic carbon and particulate organic carbon, together with carbon species contents and water chemistry. The waters can be mainly characterized as HCO<sub>3</sub>–Ca type, HCO<sub>3</sub> · SO<sub>4</sub>–Ca type, or HCO<sub>3</sub> · SO<sub>4</sub>–Ca · Mg type, according to mass balance considerations. It is found that the average δ<sup>13</sup>C<sub>DIC</sub> values of ground waters are higher in winter (low-flow season) than in summer (high-flow season). Lower contents of dissolved inorganic carbon (DIC) and lower values of δ<sup>13</sup>C<sub>DIC</sub> in summer than in winter, indicate that local rain events in summer and a longer residence time of water in winter play an important role in the evolution of ground water carbon in karst flow systems; therefore, soil CO<sub>2</sub> makes a larger contribution to the DIC in summer than in winter. The range of δ<sup>13</sup>C<sub>DIC</sub> values indicate that dissolved inorganic carbon is mainly controlled by the rate of carbonate dissolution. The concentrations of dissolved organic carbon and particulate organic carbon in most ground water samples are lower than 2.0 mg C L<sup>−1</sup> and 0.5 mg C L<sup>−1</sup>, respectively, but some waters have slightly higher contents of organic carbon. The waters with high organic carbon contents are generally located in the urban area where lower δ<sup>13</sup>C<sub>DIC</sub> values suggest that urbanization has had an effect on the ground water biogeochemistry and might threaten the water quality. |
| [66] | . <p>以受农业活动影响强烈的重庆青木关地下河流域为研究对象，利用CTDP300多参数水质自动记录仪、WGZ-1型光电数字水位计、HOBO小型气象站在线自动监测电导率、水位以及降雨等数据，并获取流域耕地面积数据，于2010年分月采集地下水样，分析常规水化学和地下水溶解无机碳<em>δ</em><sup>13</sup>C，初步探讨流域农业活动对岩溶作用过程和碳汇的影响，发现农业活动对岩溶作用过程产生明显的影响，进而影响到岩溶地质碳汇。地下水水化学以及地下水<em>δ</em><sup>13</sup>C-DIC值证实了流域地下水DIC是碳酸、硝酸和硫酸共同溶蚀碳酸盐岩的产物；每月碳酸溶蚀碳酸盐岩产生DIC占地下水中总DIC的比例在55.53%~81.25%之间，雨季(62.98%)普遍低于旱季(74.86%)；碳酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC的量为14.67×10<sup>6</sup> mol/a，其中岩溶作用产生的净CO<sub>2</sub>汇量为7.335×10<sup>6</sup> mol/a，而硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC总量为7.48×10<sup>6</sup> mol/a，约占地下水中总DIC的33.8%，单位面积耕地上硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生DIC的强度为1.89×10<sup>6</sup> mol/(km<sup>2</sup>·a)。人类活动引入的硝酸和硫酸参与碳酸盐岩的溶解并改变了区域碳循环。</p> . <p>以受农业活动影响强烈的重庆青木关地下河流域为研究对象，利用CTDP300多参数水质自动记录仪、WGZ-1型光电数字水位计、HOBO小型气象站在线自动监测电导率、水位以及降雨等数据，并获取流域耕地面积数据，于2010年分月采集地下水样，分析常规水化学和地下水溶解无机碳<em>δ</em><sup>13</sup>C，初步探讨流域农业活动对岩溶作用过程和碳汇的影响，发现农业活动对岩溶作用过程产生明显的影响，进而影响到岩溶地质碳汇。地下水水化学以及地下水<em>δ</em><sup>13</sup>C-DIC值证实了流域地下水DIC是碳酸、硝酸和硫酸共同溶蚀碳酸盐岩的产物；每月碳酸溶蚀碳酸盐岩产生DIC占地下水中总DIC的比例在55.53%~81.25%之间，雨季(62.98%)普遍低于旱季(74.86%)；碳酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC的量为14.67×10<sup>6</sup> mol/a，其中岩溶作用产生的净CO<sub>2</sub>汇量为7.335×10<sup>6</sup> mol/a，而硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC总量为7.48×10<sup>6</sup> mol/a，约占地下水中总DIC的33.8%，单位面积耕地上硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生DIC的强度为1.89×10<sup>6</sup> mol/(km<sup>2</sup>·a)。人类活动引入的硝酸和硫酸参与碳酸盐岩的溶解并改变了区域碳循环。</p> |
| [67] | . Chemical denudation rates and strontium isotope ratios in streams vary substantially and systematically in the foreland of the retreating Bench Glacier in south-central Alaska. To study weathering of young glacier sediments, we sampled 12 streams draining a chronosequence of till and moraine soils derived from Cretaceous metagraywacke etapelite bedrock. Both sediment age and vegetation cover increase with distance from the glacier. Cation denudation rates decline with increasing distance from the glacier, whereas silica denudation rates increase. Carbonate dissolution and sulfide oxidation account for roughly 90% of the solute flux from the youngest sediments. Biotite alteration accounts for 5 11% of the solute flux; its peak contribution is found in the glacier outlet stream. Silicate weathering is the dominant reaction only in the oldest sediments. In a laboratory dissolution experiment using fresh glacial sediment, carbonate dissolution dominated the solute flux during the first 700 hours, paralleling the behavior of young sediments in the field. In contrast to trends in the field, the silica flux did not increase after the carbonate was exhausted from the reactor. A possible reason for this difference is that establishment of vegetation causes an increase in silicate weathering. The 87 Sr/ 86 Sr ratio in the glacier outlet stream is greater than that in proglacial streams and in bulk rock, due to a greater contribution of biotite weathering in the outlet than in proglacial streams. Strontium isotope ratios decline with sediment exposure age in the proglacial streams, and are consistent with a carbonate source. Because the dominant weathering reactions in the young sediments are of carbonate and sulfide rather than silicate minerals, weathering at the glacier margin is not an important long-term sink for atmospheric CO 2 . |
| [68] | . Not Available |
| [69] | . 硫酸参与碳酸盐岩的风化机制及与区域碳循环的关系是全球气候变化研究的重要课题.选择我国北方小流域(沁河)为研究对象,结合水化学及溶解性无机碳碳同位素组成,通过化学计算法,分析了河水溶解性组分的来源及混入比例,验证了硫酸参与区域碳酸盐的风化过程.结果表明:河水阳离子以Ca<sup>2+</sup>和Mg<sup>2+</sup>为主,阴离子以HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>和SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>为主;沁河流域碳酸盐岩风化、大气输入及蒸发盐溶解对河水阳离子贡献较大,平均比例分别为48.5%、35.3%和14.1%,硅酸盐风化和人为输入贡献比例较小,平均比例分别为1.7%和0.6%;沁河流域碳酸盐类、硅酸盐类及蒸发盐类风化速率分别为8.41、0.07和2.43 t·km<sup>-2</sup>·a<sup>-1</sup>,碳酸盐和硅酸盐矿物风化CO<sub>2</sub>消耗量分别为1.43×10<sup>5</sup> mol·km<sup>-2</sup>·a<sup>-1</sup>和0.03×10<sup>5</sup> mol·km<sup>-2</sup>·a<sup>-1</sup>;沁河流域硫酸参与碳酸盐风化产生的CO<sub>2</sub>净释放量为0.63×10<sup>5</sup> mol·km<sup>-2</sup>·a<sup>-1</sup>,小于我国南方喀斯特地区CO<sub>2</sub>净释放量,可能与不同的气候条件及硫化物赋存条件和含量等有关. . 硫酸参与碳酸盐岩的风化机制及与区域碳循环的关系是全球气候变化研究的重要课题.选择我国北方小流域(沁河)为研究对象,结合水化学及溶解性无机碳碳同位素组成,通过化学计算法,分析了河水溶解性组分的来源及混入比例,验证了硫酸参与区域碳酸盐的风化过程.结果表明:河水阳离子以Ca<sup>2+</sup>和Mg<sup>2+</sup>为主,阴离子以HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>和SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>为主;沁河流域碳酸盐岩风化、大气输入及蒸发盐溶解对河水阳离子贡献较大,平均比例分别为48.5%、35.3%和14.1%,硅酸盐风化和人为输入贡献比例较小,平均比例分别为1.7%和0.6%;沁河流域碳酸盐类、硅酸盐类及蒸发盐类风化速率分别为8.41、0.07和2.43 t·km<sup>-2</sup>·a<sup>-1</sup>,碳酸盐和硅酸盐矿物风化CO<sub>2</sub>消耗量分别为1.43×10<sup>5</sup> mol·km<sup>-2</sup>·a<sup>-1</sup>和0.03×10<sup>5</sup> mol·km<sup>-2</sup>·a<sup>-1</sup>;沁河流域硫酸参与碳酸盐风化产生的CO<sub>2</sub>净释放量为0.63×10<sup>5</sup> mol·km<sup>-2</sup>·a<sup>-1</sup>,小于我国南方喀斯特地区CO<sub>2</sub>净释放量,可能与不同的气候条件及硫化物赋存条件和含量等有关. |
| [70] | . This study estimated the catchment-and global-scale weathering rates of silicate rocks from global rivers using global compilation datasets from the GEMS/Water and HYBAM. These datasets include both time-series of chemical concentrations of major elements and synchronous discharge. Using these datasets, we first examined the sources of uncertainties in catchment and global silicate weathering rates. Then, we proposed future sampling strategies and geochemical analyses to estimate accurate silicate weathering rates in global rivers and to reduce uncertainties in their estimates. For catchment silicate weathering rates, we considered uncertainties due to sampling frequency and variability in river discharge, concentration, and attribution of weathering to different chemical sources. Our results showed that uncertainties in catchment-scale silicate weathering rates were due mostly to the variations in discharge and cation fractions from silicate substrates. To calculate unbiased silicate weathering rates accounting for the variations from discharge and concentrations, we suggest that at least 10 and preferably similar to 40 temporal chemical data points with synchronous discharge from each river are necessary. For the global silicate weathering rate, we examined uncertainties from infrequent sampling within an individual river, the extrapolation from limited rivers to a global flux, and the inverse model selections for source differentiation. For this weathering rate, we found that the main uncertainty came from the extrapolation to the global flux and the model configurations of source differentiation methods. This suggests that to reduce the uncertainties in the global silicate weathering rates, coverage of synchronous datasets of river chemistry and discharge to rivers from tectonically active regions and volcanic provinces must be extended, and catchment-specific silicate end-members for those rivers must be characterized. With current available synchronous datasets, we suggest that the global silicate weathering rate (Ca + Mg silicate weathering flux) was similar to 2.17 (2 sigma range of 1.59-2.75) x 10(-12) mol/yr, and the global CO2 consumption rates from silicate weathering was similar to 7.85 (5.78-9.93) x 10(-12) mol/yr. Since current synchronous datasets are not available for some rivers in tectonically active regions and highly active volcanic rocks, our estimate should be considered as lower limit of estimates. Including the estimates from volcanic provinces from Dessert et al. (2003), the global CO2 consumption rates from silicates can be estimated as 11.93 (9.86-14.01) x 10(-12) mol/yr, which is similar to the previous estimates of Gaillardet et al. (1999). (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved. |
| [71] | . |
| [72] | . <p>从土壤及岩生微生物影响岩溶作用的速度和微生物捕获CO<sub>2</sub> 及诱导碳酸盐形成等方面分析了岩溶生态系统中微生物对岩溶作用的影响, 指出岩溶作用的速度和碳汇稳定性以及岩溶地区的碳循环与微生物有密切关联. 提出需要结合不同生态环境来定量研究自然条件下微生物对岩溶作用的影响, 以揭示生物对环境变迁的响应及其与岩溶效应之间的关系.</p> . <p>从土壤及岩生微生物影响岩溶作用的速度和微生物捕获CO<sub>2</sub> 及诱导碳酸盐形成等方面分析了岩溶生态系统中微生物对岩溶作用的影响, 指出岩溶作用的速度和碳汇稳定性以及岩溶地区的碳循环与微生物有密切关联. 提出需要结合不同生态环境来定量研究自然条件下微生物对岩溶作用的影响, 以揭示生物对环境变迁的响应及其与岩溶效应之间的关系.</p> |
| [73] | . . |
| [74] | . Variations in temperature, photosynthesis, and respiration force diel variations in pH and dissolved CO 2 concentrations of surface streams, possibly controlling carbonate equilibrium between river water and carbonate stream beds. Diel cycles of water chemistry and δ 13 C of dissolved inorganic carbon (DIC) were measured to assess how biogeochemical processes affect dissolution and precipitation of calcite and thus channel development in Ichetucknee River, a large spring-fed river (discharge >02602m 3 /s) flowing over carbonate karst terrain in north central Florida (USA). Samples were collected at a 4-h sampling interval during two one-week periods and at a 1-h interval during a single 24-h period. Simultaneously, temperature, pH, dissolved oxygen (DO) and NO 3 61 concentrations were measured using in situ sensors at 15-min or 1-h intervals. Ca 2+ , DIC and NO 3 61 concentrations decreased during the day and increased at night causing diel changes of in-stream specific conductivity. These changes were inversely related to diel changes in pH, PCO 2 and DO concentrations. This work shows that photosynthesis and respiration of subaquatic vegetation are the dominant processes influencing in-stream diel variation. During the day, a simultaneous increase of δ 13 C DIC and decrease in DIC indicates that photosynthesis was the primary control on DIC concentrations. Calcite saturation indices ranged from 0 to 0.5, with the highest value in daylight as a result of CO 2 consumption causing carbonate precipitation. The water remained saturated with respect to calcite at night and δ 13 C DIC values decreased, indicating that CO 2 production from ecosystem respiration was the dominant process affecting DIC concentrations but was insufficient to induce significant carbonate dissolution. At night outgassing maintained in-stream DIC concentrations lower than the supersaturated DIC springs source but a drop in δ 13 C DIC indicates that ecosystem respiration had a dominant influence over outgassing. Although CO 2 outgassing occurs, it is shown to be a minor component of the DIC mass balance while carbonate precipitation represents 88% of DIC loss. These results indicate that in-stream biological processes influence carbonate mineral diagenesis in large clear-water rivers. |
| [75] | . <p>NCAR-CLM是目前国际上发展较为完善的陆面过程模型.鉴于大多数研究利用气象站点的数据驱动CLM模型, 尝试将WRF气候模型的模拟结果作为驱动CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究.对WRF气候模型模拟的输出结果与青藏高原气象站观测数据进行比较分析表明, WRF模拟输出的气温和向下短波辐射数值与观测值的相关系数大于0.92(<em>p</em> >0.05), 气压和比湿的<em>R</em><sup>2</sup>在0.80以上(<em>p</em> >0.05), 降雨和风速的模拟性能不稳定, 但WRF模拟输出的强迫场也可以作为CLM模型的驱动数据. CLM模拟的地表温度、 感热和潜热通量与青藏高原气象站观测的地表温度以及涡度通量数据验证分析表明, 虽然CLM对地表温度的模拟在合理范围内, 但模拟与观测值还是有较大偏差, 潜热和感热之间的相关系数分别为0.87和0.68(<em>p</em> >0.05), 表明CLM的模拟结果在单点上是可靠的.据此, 在此模拟结果基础上分析了青藏高原地区的陆面能量时空分布特征.</p> . <p>NCAR-CLM是目前国际上发展较为完善的陆面过程模型.鉴于大多数研究利用气象站点的数据驱动CLM模型, 尝试将WRF气候模型的模拟结果作为驱动CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究.对WRF气候模型模拟的输出结果与青藏高原气象站观测数据进行比较分析表明, WRF模拟输出的气温和向下短波辐射数值与观测值的相关系数大于0.92(<em>p</em> >0.05), 气压和比湿的<em>R</em><sup>2</sup>在0.80以上(<em>p</em> >0.05), 降雨和风速的模拟性能不稳定, 但WRF模拟输出的强迫场也可以作为CLM模型的驱动数据. CLM模拟的地表温度、 感热和潜热通量与青藏高原气象站观测的地表温度以及涡度通量数据验证分析表明, 虽然CLM对地表温度的模拟在合理范围内, 但模拟与观测值还是有较大偏差, 潜热和感热之间的相关系数分别为0.87和0.68(<em>p</em> >0.05), 表明CLM的模拟结果在单点上是可靠的.据此, 在此模拟结果基础上分析了青藏高原地区的陆面能量时空分布特征.</p> |
| [76] | . <p>利用青藏高原贡嘎山、海北、五道梁、拉萨等4个野外台站2000~2002年的观测数据、陆地生态系统模型与2001年MODIS遥感数据相结合的方法来估算青藏高原区域的净初级生产力。结果表明：青藏高原区域的净初级生产力空间分布趋势表现出由东南向西北逐渐递减的梯度，该趋势也与水热梯度表现基本一致；整个青藏高原的净初级生产力为302.44×1012 gC yr<sup>-1</sup>，其中森林的净初级生产力最高，120.11×1012 gC yr<sup>-1</sup>，占整个高原净初级生产力的39.7％；全年中夏季 (6~8月) 的净初级生产力最高，246.7×1012 gC yr<sup>-1</sup>，约占全年总净初级生产力的80%。用实测数据验证模拟结果表明，二者非常相符。</p> . <p>利用青藏高原贡嘎山、海北、五道梁、拉萨等4个野外台站2000~2002年的观测数据、陆地生态系统模型与2001年MODIS遥感数据相结合的方法来估算青藏高原区域的净初级生产力。结果表明：青藏高原区域的净初级生产力空间分布趋势表现出由东南向西北逐渐递减的梯度，该趋势也与水热梯度表现基本一致；整个青藏高原的净初级生产力为302.44×1012 gC yr<sup>-1</sup>，其中森林的净初级生产力最高，120.11×1012 gC yr<sup>-1</sup>，占整个高原净初级生产力的39.7％；全年中夏季 (6~8月) 的净初级生产力最高，246.7×1012 gC yr<sup>-1</sup>，约占全年总净初级生产力的80%。用实测数据验证模拟结果表明，二者非常相符。</p> |
| [77] | . 本研究以分辨率为0.1°×0.1°的植被、土壤和气象数据为驱动,利用大气-植被相互作用模型（AVIM2）模拟了祁连山地区1958~2008年植被净初级生产力（NPP）,并对近51年来祁连山地区植被NPP对气候变化的响应进行了分析。结果表明：近51年来祁连山植被（常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木、农田）在气温升高和降水量增加的影响下,NPP总量呈增加趋势,且增加速率依次为：农田〉常绿针叶林〉落叶针叶林〉草地〉灌木。植被NPP的变化与气温和降水量的变化均呈正相关关系,且温度变化对植被NPP的影响大于降水,即温度变化是影响祁连山地区植被NPP变化的主导因素。从区域平均来看,气温年平均上升速率为0.043℃·a-1,降水量的平均增加速率为1.355mm·a-1,在气温和降水量的共同作用下,1958~2008年祁连山地区植被NPP总量呈增加趋势,平均增加速率为0.718g·m-2·a-1。 . 本研究以分辨率为0.1°×0.1°的植被、土壤和气象数据为驱动,利用大气-植被相互作用模型（AVIM2）模拟了祁连山地区1958~2008年植被净初级生产力（NPP）,并对近51年来祁连山地区植被NPP对气候变化的响应进行了分析。结果表明：近51年来祁连山植被（常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木、农田）在气温升高和降水量增加的影响下,NPP总量呈增加趋势,且增加速率依次为：农田〉常绿针叶林〉落叶针叶林〉草地〉灌木。植被NPP的变化与气温和降水量的变化均呈正相关关系,且温度变化对植被NPP的影响大于降水,即温度变化是影响祁连山地区植被NPP变化的主导因素。从区域平均来看,气温年平均上升速率为0.043℃·a-1,降水量的平均增加速率为1.355mm·a-1,在气温和降水量的共同作用下,1958~2008年祁连山地区植被NPP总量呈增加趋势,平均增加速率为0.718g·m-2·a-1。 |
| [78] | . 利用大气植被相互作用模型AVIM2(Atmosphere- Vegetation Interaction Model 2)估算分析了时间长度为50年、空间分辨率为0.02°×0.02°的贵州净生态系统生产力(NEP)，分析了其对气候变化的响应。结果表明，(1) AVIM2模型能够模拟出贵州森林净初级生产力(NPP)的变化，模拟偏差随着树龄的增大而不断减小，其模拟效果优于综合模型。(2)1961-2010 年，贵州NEP(以C计)平均值为23.9 g·m-2·a-1，碳源区面积比例仅为5%，且植被覆盖类型为南部部分常绿阔叶林。NEP总量的变动范围为-7.0~11.5 Tg ·a-1，平均每年吸收碳4.87Tg，碳汇量占中国区域的3~7%。(3)贵州境内31%的区域固碳能力下降明显(P<0.05)且主要集中在植 被类型为常绿针叶林及农作物的北部地区，还有7%的区域固碳能力升高明显(P<0.05)且位于南部部分常绿阔叶林地区。(4)贵州NEP与气温显 著负相关(P<0.01)，与降水量显著正相关(P<0.05)，气温对NEP的影响大于降水。 . 利用大气植被相互作用模型AVIM2(Atmosphere- Vegetation Interaction Model 2)估算分析了时间长度为50年、空间分辨率为0.02°×0.02°的贵州净生态系统生产力(NEP)，分析了其对气候变化的响应。结果表明，(1) AVIM2模型能够模拟出贵州森林净初级生产力(NPP)的变化，模拟偏差随着树龄的增大而不断减小，其模拟效果优于综合模型。(2)1961-2010 年，贵州NEP(以C计)平均值为23.9 g·m-2·a-1，碳源区面积比例仅为5%，且植被覆盖类型为南部部分常绿阔叶林。NEP总量的变动范围为-7.0~11.5 Tg ·a-1，平均每年吸收碳4.87Tg，碳汇量占中国区域的3~7%。(3)贵州境内31%的区域固碳能力下降明显(P<0.05)且主要集中在植 被类型为常绿针叶林及农作物的北部地区，还有7%的区域固碳能力升高明显(P<0.05)且位于南部部分常绿阔叶林地区。(4)贵州NEP与气温显 著负相关(P<0.01)，与降水量显著正相关(P<0.05)，气温对NEP的影响大于降水。 |
| [79] | . L’augmentation de la population humaine et sa quête de richesses créent une pression toujours croissante sur les sols du globe, créant pertes et dégradation de sols à l’échelle mondiale. La science de la Zone Critique étudie les relations d’impact entre ces pressions et, l’état environnemental des sols qui en résulte et les interventions potentielles pour la protection des sols et le renversement de la tendance à la dégradation. Une nouvelle recherche sur les processus pédologiques est pilotée par l’hypothèse scientifique selon laquelle les processus pédologiques peuvent être décrits au long d’un cycle de vie de développement du sol. Ceci commence avec la formation d’un sol neuf à partir du matériau parental, puis il y a développement d’un profil de sol et perte potentielle des fonctions d’un sol développé et du sol lui-même, en raison de son utilisation beaucoup trop intensive par l’homme, ceci cl00turant le cycle. Quatre observatoires européens de la zone critique ont été sélectionnés, focalisant la recherche sur des sites représentant des étapes clé au long du cycle hypothétique de vie du sol: formation naissante d’un sol; utilisation productive du sol pour l’agriculture et les forêts; et déclin du sol d04 à une agriculture intensive de longue durée. Les résultats préliminaires de la recherche montrent que le sol développe des propriétés bio-géochimiques importantes à l’échelle de la décennie et que le carbone du sol et la structure favorable du sol se mettent en place sur une échelle similaire de temps. Un nouveau modèle mathématique sur la formation et la dégradation des agrégats du sol prédit qu’une terre laissée à l’abandon près du site étudié le plus dégradé, peut développer une structure substantiellement améliorée, avec accumulation de carbone dans le sol sur une période de quelques années. Des résultats ultérieurs démontrent la dynamique rapide du carbone du sol- comment il peut être perdu rapidement - et démontrent aussi comment les données de CZOs peuvent être prises en compte pour déterminer les paramètres à utiliser pour les modèles à l’échelle du bassin. Une structure pour un nouveau modèle intégré de Zone Critique est proposée, combinant les descriptions de traitement des flux de carbone et de nutriments, une description simplifiée ce qui constitue la nourriture du sol et le transport réactif, tout ceci couplé à un modèle dynamique pour la structure du sol et l’agrégation du sol. Cette approche est proposée comme méthodologie pour analyser les données acquises au long du cycle de vie du sol et pour tester comment les processus pédologiques et leurs vitesses varient au sein d’un site et d’un site à l’autre, CZOs représentant différents stades du cycle de vie. En outre, des réseaux sont en discussion, qui aideraient à communiquer les résultats scientifiques acquis dans un format relevant plus de la politique, utilisant les approches de services écosystémiques. |
| [80] | . The Critical Zone (CZ) is a holistic framework for integrated studies of water with soil, rock, air, and biotic resources in terrestrial environments. This is consistent with the recognition of water as a unifying theme for research on complex environmental systems. The CZ ranges from the top of the vegetation down to the bottom of the aquifer, with a highly variable thickness (from 10 km). The pedosphere is the foundation of the CZ, which represents a geomembrance across which water and solutes, as well as energy, gases, solids, and organisms are actively exchanged with the atmosphere, biosphere, hydrosphere, and lithosphere to create a life-sustaining environment. Hydropedology - the science of the behaviour and distribution of soil-water interactions in contact with mineral and biological materials in the CZ - is an important contributor to CZ research. This article reviews and discusses the basic ideas and fundamental features of the CZ and hydropedology, and suggests ways for their advances. An "outward" growth model, instead of an "inward" contraction, is suggested for propelling soil science forward. The CZ is the right platform for synergistic collaborations across disciplines. The reconciliation of the geological (or "big") cycle and the biological (or "small") cycle that are orders of magnitude different in space and time is a key to understanding and predicting complex CZ processes. Because of the layered nature of the CZ and the general trend of increasing density with depth, response and feedback to climate change take longer from the above-ground zone down to the soil zone and further to the groundwater zone. Interfaces between layers and cycles are critical controls of the landscape-soil-water-ecosystem dynamics, which present fertile grounds for interdisciplinary research. Ubiquitous heterogeneity in the CZ can be addressed by environmental gradients and landscape patterns, where hierarchical structures control the landscape complex of flow networks embedded in mosaics of matrices. Fundamental issues of hydropedology are linked to the general characteristics of the CZ, including (1) soil structure and horizonation as the foundation of flow and transport characteristics in field soils; (2) soil catena and distribution pattern as a first control of water movement over the landscape; (3) soil morphology and pedogenesis as signatures of soil hydrology and soil change; and (4) soil functional classification and mapping as carriers of soil hydrologic properties and soil-landscape heterogeneity. Monitoring changes in the crucible of terrestrial life (soil) is an excellent (albeit complex) environmental assessment, as every soil is a "block of memory" of past and present biosphere-geosphere dynamics. Our capability to predict the behaviour and evolution of the CZ in response to changing environment can be improved significantly if a global alliance for monitoring, mapping, and modeling of the CZ can be fostered. |
| [81] | . 陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是生态系统生态学和全球变化科学研究长期被关注的三大物质循环，它们表征着全球、区域及典型生态系统的能量流动、养分循环和水循环。然而，自然界的生态系统碳循环、氮循环和水循环是相互联动、不可分割的耦合体系，在生态学、生理学、生物化学等方面受多个生物、物理、化学和生物学过程的调节和控制。本文在综合论述陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的理论和实践意义的基础上，探讨了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环的关键过程，提出该研究领域的基本科学问题，重点分析了植被-大气、土壤-大气和根系-土壤3个界面上碳、氮、水交换的生物物理过程，典型生态系统碳-氮-水耦合循环的生物学化学过程，制约典型生态系统碳-氮-水循环耦合关系的生态系统生态学机制，以及制约生态系统碳-氮-水循环空间格局耦联关系的生物地理生态学机制。在现有科学研究的基础上，构建了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环机制的逻辑框架系统，讨论了开展陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的主要技术途径与方法。 . 陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是生态系统生态学和全球变化科学研究长期被关注的三大物质循环，它们表征着全球、区域及典型生态系统的能量流动、养分循环和水循环。然而，自然界的生态系统碳循环、氮循环和水循环是相互联动、不可分割的耦合体系，在生态学、生理学、生物化学等方面受多个生物、物理、化学和生物学过程的调节和控制。本文在综合论述陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的理论和实践意义的基础上，探讨了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环的关键过程，提出该研究领域的基本科学问题，重点分析了植被-大气、土壤-大气和根系-土壤3个界面上碳、氮、水交换的生物物理过程，典型生态系统碳-氮-水耦合循环的生物学化学过程，制约典型生态系统碳-氮-水循环耦合关系的生态系统生态学机制，以及制约生态系统碳-氮-水循环空间格局耦联关系的生物地理生态学机制。在现有科学研究的基础上，构建了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环机制的逻辑框架系统，讨论了开展陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的主要技术途径与方法。 |
| [82] | . <p>研究了贵州茂兰国家级自然保护区退化喀斯特森林自然恢复过程中群落的动态特征。群落组成结构变化体现于不同适应等级种组的变化,不同恢复阶段各种组的优势地位不同,草本群落阶段与草灌过渡阶段,灌丛灌木阶段与灌乔过渡阶段,常绿落叶阔叶林阶段与顶极群落阶段其居优势地位的种组分别为先锋种,次先锋种和过渡种,次顶极种和顶极种,种组替代规律是先锋种经次先锋种、过渡种最终被次顶极种和顶极种替代。随着退化喀斯特群落自然恢复,群落高度(0.6～16.9m)、盖度(0.29～0.79)、显著度(0.8720～21.8981cm<sup>2</sup>·m<sup>-2</sup>)逐渐提高,而密度早期增大之后逐渐降低(36328～56116株·hm<sup>-2</sup>,56116～2372株·hm<sup>-2</sup>) ;物种数(16～50)、Shannon-Wiener多样性指数(0.99～4.72 )、均匀度(0.77～0.83)升高而生态优势度(0.16～0.05)降低;群落生物量(3.49～87.45t·hm<sup>-2</sup>)逐渐积累增大;萌生株数减少而实生株数增多,群落更新对策由早期阶段无性更新向后期阶段有性更新发展。</p> . <p>研究了贵州茂兰国家级自然保护区退化喀斯特森林自然恢复过程中群落的动态特征。群落组成结构变化体现于不同适应等级种组的变化,不同恢复阶段各种组的优势地位不同,草本群落阶段与草灌过渡阶段,灌丛灌木阶段与灌乔过渡阶段,常绿落叶阔叶林阶段与顶极群落阶段其居优势地位的种组分别为先锋种,次先锋种和过渡种,次顶极种和顶极种,种组替代规律是先锋种经次先锋种、过渡种最终被次顶极种和顶极种替代。随着退化喀斯特群落自然恢复,群落高度(0.6～16.9m)、盖度(0.29～0.79)、显著度(0.8720～21.8981cm<sup>2</sup>·m<sup>-2</sup>)逐渐提高,而密度早期增大之后逐渐降低(36328～56116株·hm<sup>-2</sup>,56116～2372株·hm<sup>-2</sup>) ;物种数(16～50)、Shannon-Wiener多样性指数(0.99～4.72 )、均匀度(0.77～0.83)升高而生态优势度(0.16～0.05)降低;群落生物量(3.49～87.45t·hm<sup>-2</sup>)逐渐积累增大;萌生株数减少而实生株数增多,群落更新对策由早期阶段无性更新向后期阶段有性更新发展。</p> |
| [83] | . 采用全面调查和样方调查的方法，以坡面为尺度，以顶极群落为对照，运用干扰理论和多样性分析方法，研究了桂西北喀斯特4类典型干扰区自然恢复22a之后植被特征及空间分布的变化。结果表明，干扰区的物种多样性丧失严重，共出现维管束植物91科206属241种，仅有自然保护区的26.6%，6种植被类型的顺向演替系列为石漠化稀疏草丛→草丛→灌丛→藤刺灌丛→落叶阔叶林→常绿落叶阔叶混交林片段。随着坡位的上升，群落的高度、盖度、生物量和物种多样性急剧下降，密度则呈少、多、次少的单峰分布状态，各项指标均远低于自然保护区。不同干扰方式对植被自然恢复的影响不同，其中整坡火烧＋垦殖的破坏性最大，呈现了石漠化景观，整坡火烧＋放牧次之，采樵属选择性干扰，采樵＋放牧＋坡脚火烧的恢复相对较快，没有放牧干扰的采樵＋坡脚火烧恢复更好。此外还针对性地提出了桂西北喀斯特干扰区在不同立地类型上人工与自然相结合的4条植被恢复途径。对因各种人为干扰导致的桂西北喀斯特生态系统处于极度退化状态下的植被恢复建设和生态重建具有重要的理论价值和实际意义。 . 采用全面调查和样方调查的方法，以坡面为尺度，以顶极群落为对照，运用干扰理论和多样性分析方法，研究了桂西北喀斯特4类典型干扰区自然恢复22a之后植被特征及空间分布的变化。结果表明，干扰区的物种多样性丧失严重，共出现维管束植物91科206属241种，仅有自然保护区的26.6%，6种植被类型的顺向演替系列为石漠化稀疏草丛→草丛→灌丛→藤刺灌丛→落叶阔叶林→常绿落叶阔叶混交林片段。随着坡位的上升，群落的高度、盖度、生物量和物种多样性急剧下降，密度则呈少、多、次少的单峰分布状态，各项指标均远低于自然保护区。不同干扰方式对植被自然恢复的影响不同，其中整坡火烧＋垦殖的破坏性最大，呈现了石漠化景观，整坡火烧＋放牧次之，采樵属选择性干扰，采樵＋放牧＋坡脚火烧的恢复相对较快，没有放牧干扰的采樵＋坡脚火烧恢复更好。此外还针对性地提出了桂西北喀斯特干扰区在不同立地类型上人工与自然相结合的4条植被恢复途径。对因各种人为干扰导致的桂西北喀斯特生态系统处于极度退化状态下的植被恢复建设和生态重建具有重要的理论价值和实际意义。 |
| [84] | . 通过对贵州中部喀斯特地区进行植被调查以及土壤和径流样品的分析,探讨石漠化过程中植被演替及其对径流水化学组成的影响。结果表明:喀斯特石漠化后,土壤出现粘质化,有机质含量急剧下降,土壤毛管孔隙度下降,干旱季节表层和次表层土壤的含水量明显减少,改变了生态系统的水分运动规律。喀斯特地表径流中离子浓度的大小排序为HCO -3 > SO2 -4 > Ca2 + >Mg2 + > K+ 、NO-3 、Cl - > Na + > NH+4 > PO3 -4 ,地表径流水化学类型以HCO32Ca 型为主;随着石漠化程度的增加,地表径流中PO3 -4 输出量明显增加,其次是Ca2 + 、NO-3 ,这部分养分的流失造成土壤养分水平下降,同时影响受纳水体的环境质量。地下径流离子组成与地表径流总体相似,但HCO-3 、Ca2 + 、Mg2 + 的含量高于地表径流,而K+ 、NH+4 的含量低于地表径流;石漠化发生后,地下径流中HCO-3 、Mg2 + 浓度明显减少,岩溶作用减弱,而NH+4 、NO-3 浓度明显增加,对地下水质产生一定的影响。 . 通过对贵州中部喀斯特地区进行植被调查以及土壤和径流样品的分析,探讨石漠化过程中植被演替及其对径流水化学组成的影响。结果表明:喀斯特石漠化后,土壤出现粘质化,有机质含量急剧下降,土壤毛管孔隙度下降,干旱季节表层和次表层土壤的含水量明显减少,改变了生态系统的水分运动规律。喀斯特地表径流中离子浓度的大小排序为HCO -3 > SO2 -4 > Ca2 + >Mg2 + > K+ 、NO-3 、Cl - > Na + > NH+4 > PO3 -4 ,地表径流水化学类型以HCO32Ca 型为主;随着石漠化程度的增加,地表径流中PO3 -4 输出量明显增加,其次是Ca2 + 、NO-3 ,这部分养分的流失造成土壤养分水平下降,同时影响受纳水体的环境质量。地下径流离子组成与地表径流总体相似,但HCO-3 、Ca2 + 、Mg2 + 的含量高于地表径流,而K+ 、NH+4 的含量低于地表径流;石漠化发生后,地下径流中HCO-3 、Mg2 + 浓度明显减少,岩溶作用减弱,而NH+4 、NO-3 浓度明显增加,对地下水质产生一定的影响。 |
| [85] | . ABSTRACT Cited By (since 1996):33, Export Date: 2 July 2013, Source: Scopus |
| [86] | . Not Available |
| [87] | . 作为最严重的环境地质问题,日益扩展的土地石漠化,正在吞噬着中国西南喀斯特地区民众的生存空间,已经构成灾害和贫困之源.喀斯特石漠化是土地荒漠化的主要类型之一,是人类不合理经济活动叠加于脆弱生态地质环境背景上的综合作用结果.它以脆弱的生态地质环境为基础,以强烈的人类活动为驱动力,以土地生产力退化为本质,以出现类似荒漠景观为标志.中国西南脆弱的喀斯特生态环境是经过漫长的地质历史演化而形成的,它对喀斯特石漠化具有明显的控制作用.构造运动塑造了陡峻而破碎的喀斯特地貌格局,古环境演化奠定了石漠化的物质基础.喀斯特地区的人口压力及不合理的人类活动,导致土地资源的严重退化、植被覆盖度锐减、水土流失加剧和生态环境严重恶化,超载的社会经济压力是导致喀斯特土地石漠化最重要的驱动力.尽管喀斯特石漠化综合治理非常艰巨,但仍具备恢复或重建生态环境的可能性. . 作为最严重的环境地质问题,日益扩展的土地石漠化,正在吞噬着中国西南喀斯特地区民众的生存空间,已经构成灾害和贫困之源.喀斯特石漠化是土地荒漠化的主要类型之一,是人类不合理经济活动叠加于脆弱生态地质环境背景上的综合作用结果.它以脆弱的生态地质环境为基础,以强烈的人类活动为驱动力,以土地生产力退化为本质,以出现类似荒漠景观为标志.中国西南脆弱的喀斯特生态环境是经过漫长的地质历史演化而形成的,它对喀斯特石漠化具有明显的控制作用.构造运动塑造了陡峻而破碎的喀斯特地貌格局,古环境演化奠定了石漠化的物质基础.喀斯特地区的人口压力及不合理的人类活动,导致土地资源的严重退化、植被覆盖度锐减、水土流失加剧和生态环境严重恶化,超载的社会经济压力是导致喀斯特土地石漠化最重要的驱动力.尽管喀斯特石漠化综合治理非常艰巨,但仍具备恢复或重建生态环境的可能性. |
