陆地岩石风化过程对大气CO2的捕获影响着全球的气候,碳酸盐岩风化即岩溶作用是这一碳汇过程的重要机制。由于碳酸盐的快速溶解动力学特性,碳酸盐岩风化产生的碳汇强度远高于其他岩石类型,全球大型河流的研究表明较少的全球碳酸盐岩分布(15.2%)贡献了大部分的溶解无机碳(DIC)通量。非岩溶区碳酸盐的这一特性也起到了重要的作用,如研究发现富含碳酸盐的土壤可产生类似于岩溶区的碳汇通量,历史时期干旱区累积的高土壤碳酸盐含量导致一些硅酸盐岩为主的流域受到了碳酸盐矿物风化的显著控制。微量碳酸盐的重要性也在人类活动中得到了体现,如过去几十年在美国一些农业流域中发现了河流DIC通量增加与流域碳酸盐岩粉末的使用(撒石灰)呈较好的关系,因此人为碳酸盐岩粉末的播撒被认为是一种增加风化碳汇的潜在手段。全球有着广阔的非岩溶区,在这些地区使用碳酸盐粉末可产生多大的碳汇并带来怎样的环境效应?　　

 针对上述问题,中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室刘再华研究员与国际学者合作,利用长时间序列的全球气象水文数据以及土壤、岩性数据,计算了全球碳酸盐岩出露区的风化碳汇强度,并分析了全球受到土壤碳酸盐影响地区风化所产生DIC汇通量,同时,评估了在非岩溶区使用碳酸盐岩粉末可获得的碳增汇潜力。结果表明全球非岩溶流域土壤碳酸钙含量达5%以上的面积与流域风化产物碳酸盐贡献比例呈较好的关系(图1),这些地区可被视为受到碳酸盐风化控制区。据分析统计,全球岩溶区以及土壤富含碳酸盐(>5%)的非岩溶区产生的DIC汇为每年1.66亿吨,这一结果与全球河流研究得到的碳酸盐风化碳汇量相近。非岩溶区使用碳酸盐岩粉末或可增加DIC汇每年达8.43亿吨,是已存碳酸盐风化DIC汇总量的近5倍,说明土地利用变化增加碳酸盐风化碳汇潜力巨大。该研究也同时发现未来碳酸盐风化过程会受到气候和土地利用的综合影响,全球不同区域需在碳酸盐风化行为的特点之上制定相应的碳汇调控策略。植树护林增加DIC浓度,加强农业用水的管理以提高径流,或在使用碳酸盐岩粉末的地区集中用水都是较好的碳增汇策略。全球大范围使用碳酸盐岩粉末将消耗大量能源与劳动力,而较好的降低这些成本的方向是在DIC汇通量高的地区优先使用这一增汇手段。该研究进一步对现存碳酸盐风化碳汇(ATCR)和未来土地利用变化碳增汇潜力(PCR)全球20强进行了排序(表1)。该研究探讨了全球尺度碳酸盐风化碳汇的人为调控潜力,为下一步基于土地利用策略的碳增汇实施(图2)提供了重要的科学支撑。

　　图1 全球一些大型非岩溶流域碳酸盐风化贡献比与流域内富含土壤碳酸盐(CaCO3>5%)面积比的关系。

　　图2 (a)全球碳酸盐岩出露区,土壤富含碳酸盐区(CaCO3>5%)与非岩溶区空间分布 (b)历史时期全球碳酸盐岩风化碳汇通量与非岩溶区碳汇通量潜力分布。

该研究发表在地学顶级期刊Earth-Science Reviews上。论文第一作者为柏林自由大学曾思博博士,通讯作者为刘再华研究员。该成果得到了中国科学院先导专项(XDB40020000)和国家自然科学基金项目(42130501,42131008,U1612441,41921004)的资助。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825221004165 

                                                                                            　                (地化所刘再华课题组供稿)