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中国地质碳汇潜力研究
2014-01-24
中国地质碳汇潜力研究由中国地质科学院岩溶地质研究所蒋忠诚研究员主持完成，项目编号为12120110871。该项目以评估对全球气候变化的影响为目标，研究岩溶、土壤和矿物等的地质作用下的碳汇机制，构建地质碳汇评价模型，调查、评价我国地质碳汇潜力。发挥我国岩溶、土壤和矿物的地质碳汇调查研究的地域优势，形成系列国际领先水平创新成果，培育地质碳汇调查研究水平专业队伍，提高我国地质碳汇的研究水平及在应对全球气候变化研究中的学术地位。建立我国地质碳汇监测网络和评价信息平台，加强我国全球变化研究的基地建设和信息平台建设。同时发掘地质过程增汇技术方法，为国家实施碳减排提供新途径。
主要成果
1．地质碳汇调查取得了新的科技认识和发现
通过开展我国典型地区的岩溶碳汇、土壤碳汇和矿物碳汇调查，发现了地质碳汇被水生生物大量吸收，促进了生态系统碳汇；地质碳汇过程并不局限于碳酸盐岩岩溶地区，而是整个流域全覆盖，因岩性不同存在量上差异；岩溶区石灰土剖面中CO2浓度普遍出现双向梯度，且石灰土土壤有机碳比酸性土稳定；土地覆盖和土地利用方式对地质碳汇具有显著影响，地质碳汇是人为可以干预的；玄武岩风化形成碳汇的速度与碳酸盐岩岩溶速度相当；我国富镁的尾矿与矿山环境中微生物种类丰富，有利于实施二氧化碳封存。
2．地质碳汇监测表明，地质碳汇过程对环境变化敏感，并存在促进碳汇稳定性的机制
通过监测，发现不同类型岩溶水系统的碳循环及碳水钙反应过程均非常迅速，而且该过程对环境变化非常敏感。土壤CO2呼吸具有日和季节变化规律，但不同土地利用方式的土壤呼吸速率和强度存在明显差异，耕地和休耕地的土壤呼吸峰值强度大于自然荒地，自然荒地的碳稳定性更大。监测还表明，地质碳汇除了以溶解无机碳形式被带入海洋外，还有相当部分的量通过生物作用被固定在水体、植物和土壤等陆地生态系统中。
3．对我国地质碳汇通量进行了重新估算
利用我国主要河流中硅酸盐和碳酸盐矿物风化所形成的阳离子组分，结合流域面积和流量数据来计算硅酸盐和碳酸盐风化所消耗的大气CO2，我国大陆地区无机地质碳汇总量为31.7百万吨碳。
4．探索了水生植物体光合作用固碳过程和碳汇强度
结果表明，水生植物体光合作用可为碳储作贡献，是一种潜在的碳减排途径。通过一些岩溶湖泊和水库取得的调查研究资料，初步计算了水生植物利用重碳酸氢根固定的碳汇。以草海为例，沉水植物、挺水植物和浮水植物均具有固定重碳酸氢根的能力，以沉水植物固碳能力最强。
5．揭示了我国东部农耕区的土壤有机碳密度的变化及差异
21世纪初与上世纪80年代之间土壤有机碳密度变化对比表明，东北平原区表现为土壤碳源，而华东地区起到了土壤碳汇作用。中国东部147.47万km2农耕区1米深度范围内土壤平均碳密度为9.94kg/m2，但不同地区土壤有机碳密度差异较大，其中，以成都盆地土壤有机碳密度最大（14kg/m2），西北地区最低（一般低于2kg/m2），此外，华北农田区土壤平均碳密度也较低，土壤碳汇潜力很大。
6．圈定了典型省份土壤碳汇源区
根据第二次土壤普查资料和多目标地球化学调查资料，完成吉林、海南、河北三省土壤碳汇源区的圈定。三省结果显示，从上世纪80年代到本实际初，农耕区土壤表层海南、吉林为碳源区，河北为碳汇区。其中吉林省碳源区占主体，河北省碳汇区占主体，海南省碳源区略大于碳汇区。
7．探索了基性和超基性岩矿物尾矿固碳潜力及条件
通过对蛇纹石、石棉、铜镍硫化物、超贫钒钛磁铁矿等超基性岩矿的尾矿实地调查分析，发现我国基性、超基性岩矿产资源开发利用产生的尾矿量巨大。针对超基性岩尾矿开展了微生物淋滤实验。通过氧化亚铁硫杆菌与蛇纹石作用实验，发现在氧化亚铁硫杆菌与单质硫的存在下，蛇纹石的溶解作用十分明显，有利于硫化物尾矿与超基性岩尾矿共存矿区的CO2封存。在富镁的尾矿与矿山环境中发现一种能在高Mg、Ni环境下生存的真菌，其能显著加快超基性岩尾矿固碳，为开展低成本、工业化超基性岩尾矿固碳提供了条件。
8．揭示生态环境和土地利用方式因素对地质碳汇的影响
打狗河东西两岸地下河流域的土地覆盖条件及岩溶碳汇分析表明，生态恢复和土地利用方式的改善对促进岩溶碳汇具有重要作用。植被和土壤覆盖好的流域，其地下河的岩溶碳汇比石漠化流域的地下河高十倍以上。原始林地土下岩溶作用碳汇量是次生林地的3倍、灌丛的9倍、耕地的15倍。
9．发现了西南石漠化治理工程具有巨大的增汇潜力
初步估算，“十一五”期间西南石漠化治理工程增加的岩溶碳汇量约1000万吨，相当于该区植树造林生物碳汇的25%。如果进一步研发利用广泛存在于岩溶区植物、土壤和水环境中的碳酸酐酶生物技术，还可加速岩溶作用及生物固碳作用，增汇效果还可提高1个数量级，因此，我国西南岩溶地区石漠化治理的碳汇潜力巨大。
10．提出了我国地质过程固碳增汇的对策和措施
地质碳汇潜力大、成本低，应当列入国家增汇政策和行动中。具体提出了七个方面的地质碳汇增汇措施：因地制宜治理石漠化，大幅度提高岩溶碳汇；人工干预水生生态系统，增强水生生物的固碳效应；加强湿润地区水土保持，防止土壤有机碳迁移；调整土地利用结构、提高农业耕作水平，增加农田土壤碳汇；实施石灰土的土壤改良工程，促进岩溶土壤有机碳的固定；加强矿物尾矿固碳试验，开辟大气二氧化碳地质封存新途径；开发利用碳酸酐酶生物技术，显著提高地质碳汇效果。
研究意义
近年来，科学界建立了现代地球系统碳循环平衡模型，主要针对工业革命以来人类活动不断增加大气CO2浓度，全球变暖而建立的。根据地球各碳库之间的源汇的估算，源值大于汇值，存在一个遗漏汇，即“未知汇”，该遗漏汇从1985年的1.7PgC/yr，增加到2005年的2.5PgC/yr。目前，对如此大的“遗漏汇”，多数人认为是估算的可靠性问题，没有考虑地质碳汇。该项目研究表明，生物作用参与下的地质碳汇过程主要是短时间尺度过程，能及时响应气候、降雨、植被的变化，而且碳汇量和潜力大，是“未知汇”的重要部分，这是科学研究的新发现。
我国具有岩溶面积辽阔（占全球岩溶面积的1/6）、土壤类型多样、矿物利用潜力大的地质优势，自然地质过程产生的碳汇就很可观，并随着大气二氧化碳浓度的升高，地质碳汇明显增加。更加重要的是，不同植被覆盖和土地利用方式下岩溶碳汇和土壤碳汇效应差别很大，石漠化治理、生态建设、湿地建设、农田管理、土壤改良和水土保持等措施都可使区域地质碳汇量显著增加。因此，地质碳汇是我国一个重要汇项，其调查研究成果可为我国增汇行动开辟新的技术途径，对于降低大气CO2浓度具有重要意义，也可为我国参加国家政府间履约谈判提供新的数据支撑。
