中國地質碳匯監測計劃啟動
中國巖溶碳匯效應顯著，土壤固碳潛力巨大，在國家二氧化碳增匯減排和緩解溫室氣體效應的計劃中，加強地質碳匯監測研究已經是不容回避的重大科學命題。
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袁道先院士在野外取樣 |
1月28日，國土資源部部長徐紹史在全國國土資源工作會議上表示，將加強應對全球氣候變化地質響應與對策的研究與調查工作，建立我國地質碳匯監測網絡，開展全國二氧化碳地質儲存潛力評價，啟動二氧化碳儲存示范工程。開展全國地熱資源現狀普查以及省會級城市淺層地溫能調查。
中科院院士袁道先日前在接受記者專訪時透露，預計上述科學研究及調查工作將獲得10億元經費資助，目前相關方案已上報財政部。基于已有的研究積累和工作基礎，他本人將領銜建立中國地質碳匯監測網絡。一期建設將集中在較有代表性的珠江流域實施，規劃建成50個監測站。
碳匯研究，地質系統最薄弱
“在碳匯研究領域，中國作生態監測系統已經有幾十年了，發展得較好，但是總體來講，很缺地質這塊。”袁道先介紹說。
在地質學家看來，地球上的碳元素分別以不同的形態分布于地球表層的大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈系統中，碳循環就是發生在四個圈層之間碳元素的相互轉換、運移的過程。
“在地球的四個圈層中，巖石圈是最大的碳庫，地質歷史時期碳酸鹽巖的碳儲存量高達61×1015噸，占全球碳總量的99.5%。”據袁道先介紹，巖石圈中碳元素主要以碳酸鹽巖形式存在。在地球早期的演化歷史中，巖漿巖風化過程中從大氣中回收高濃度的二氧化碳，與金屬離子結合形成了各類碳酸鹽巖。地球表層2000多萬平方公里的廣泛區域都分布著這類巖石，其最大厚度可達10000米，位于中國南方。
“對于賦存于地質系統中最大的碳庫的變化情況，我們知道得還很少。”袁道先說。
在既有科學研究中，生物圈系統的碳匯已經為人們所熟知。發生在生態系統的碳轉化，晝夜不息，借助光合作用，在各類碳元素轉化形式中速率最快。然而，所有生態系統碳匯的產物將化身為有機質進入巖石圈碳循環，相對而言，這一過程顯得漫長且人們知之甚少。
為了解地質系統中的碳匯作用，美國地質調查局上世紀90年代啟動了密西西比河流域的碳計劃，耗資10億美元，在這個占據美國領土40%的大流域中，以小流域分期分批推進的方式持續進行監測研究。
在中國，自上世紀90年代以來，袁道先院士先后領銜4項UNESCO資助的國際地質對比計劃（IGCP），其中1994~1999年間主持的IGCP“379項目”“巖溶作用與碳循環”對巖溶碳匯效應作了深入研究。
“我們的研究表明，中國巖溶碳匯效應顯著，土壤固碳潛力巨大，在國家二氧化碳增匯減排和緩解溫室氣體效應的計劃中，加強地質碳匯監測研究已經是不容回避的重大科學命題。”袁道先表示。
地質碳匯的巨大潛力
國內外巖溶地質觀測資料顯示，現代巖溶作用對大氣二氧化碳具有顯著的捕獲回收效應，碳酸鹽巖溶解回收大氣二氧化碳的速率超過6億噸碳每年。這一結論是各國學者通力合作在全球幾十個監測點通過分區采集數據、計算得來的。
“當然，這是一個精度并不高的數字，國際上還有不同看法。”袁道先表示，但是，即使以日本科學家吉村和久教授估算的年二氧化碳回收的最低值2.2億噸來看，相比較全球每年不明碳匯17億~25億噸碳的總量，巖溶碳匯的巨大效應依然十分可觀。
袁道先介紹，中國巖溶面積達344萬平方公里，占全球巖溶總面積（2200萬平方公里）的15.6%，是名副其實的巖溶大國，其中裸露型巖溶面積就有90.7萬平方公里。研究表明，現代巖溶作用對大氣二氧化碳回收發揮了顯著作用，根據袁道先團隊在廣西桂林巖溶試驗場1993~1998年監測資料，隨著植被恢復和全球變暖，巖溶作用回收大氣二氧化碳和土壤二氧化碳含量逐年增加，土壤二氧化碳年平均濃度由5000ppmv（ppmv，即100萬體積中含1體積）增加到21000ppmv，流域排泄水體無機碳的年平均濃度由84毫克每升增加到98毫克每升。
“通過對巖溶地區碳匯作用的系統、連續地監測和調查，就可以精確地計算巖溶碳匯總量。”袁道先說，對巖溶區進行荒漠化治理，改進土地利用方式，能夠顯著提高我國巖溶作用的碳匯效應。
此外，土壤碳庫也在地球碳循環過程中的作用也不容忽視。袁道先介紹說，在全球碳循環中，土壤碳庫（25000億噸碳）是陸地生物碳庫的4.5倍，是大氣碳庫的3.3倍。土壤有機碳儲量變化0.1%將導致大氣圈二氧化碳濃度變化1.0毫克每升，土壤碳庫對陸地生態碳庫的穩定性具有重要作用。
中國國土面積占世界的1/15，但由于土壤有機碳含量遠低于世界平均水平，土壤有機碳庫儲量僅為500億~1000億噸，顯示出土壤碳庫的巨大固碳潛力，估算約占世界土壤碳庫的1/3。
根據中國地質調查局近年來對四川、湖南、吉林、江蘇、陜西、河北六大區域160萬平方公里國土面積上土壤地球化學調查資料，0~1.8米深度土壤碳儲量估算最高的四川省是24813噸/平方公里，最低的河北省為10525噸/平方公里。據此粗略估算，中國大陸在深度范圍0~1.8米平均土壤碳儲量為15339噸/平方公里；土壤平均碳密度為48.8噸/公頃，低于美國的50.3噸/公頃、歐盟的70.8噸/公頃。
根據現有資料估算，僅陸地生態因二氧化碳施肥效應，中國土壤未來45年能夠增加固碳30億噸碳；如果采取有效措施使土壤有機碳密度在未來45年增加30%，接近現今歐盟土壤碳密度的平均值，那么中國土壤自2006年至2050年還可以增加固碳量150億噸碳。兩項合計，估算未來45年我國土壤固碳量累計可達180億噸碳，基本能夠平衡未來45年我國因工業化等因素導致超過排放預期的二氧化碳總量170億噸碳。
地質碳匯科學研究亟待突破
此前，地質碳匯被視為一種自然過程，因此處于平衡狀態，不為人類活動所干擾。在哥本哈根會議上，人們討論的則是人類如何影響、控制自然進程，顯然地質碳匯不在人們的視野里。但是，袁道先指出，IPCC爆出的“氣候門”事件引起軒然大波，表明人們對碳循環的自然過程仍然存有許多質疑。
在碳交易日益活躍的國際大背景下，袁道先認為許多基礎問題尚未有明確答案。例如，通過植樹造林進行的碳交易量如何計算？土地利用形式的改變會導致其中巖溶作用發生什么變化？巖溶、風化作用和氣候系統相互之間是什么關系？是不是增加了碳匯？人能不能干預巖溶作用？答案若是肯定的，如何做到有效干預巖溶作用，做到減排最大化？
“這些問題都需要科技攻關弄清楚，進而為國際上的碳交易作理論和技術上的準備。這也是為什么要進行地質碳匯研究的意義。”袁道先表示。
在常年的監測研究中，袁道先發現，人類活動對地質碳匯的自然過程的干擾作用明顯。如果巖溶地區土地利用方式發生變化，則巖溶碳匯作用的強度也會受到影響。在桂林試驗場30年的監測表明，原有巖溶石漠化嚴重的地方，如今植被恢復，土地利用方式改善，則巖溶作用加強。自2007年國家啟動巖溶區石漠化綜合治理工程，覆蓋南方100萬平方公里，袁道先認為，經過綜合治理后的巖溶地區將為全球二氧化碳減排作出重要貢獻。目前有關減排的算法正在驗證研究階段。
在接受記者采訪時，袁道先也談到，目前巖溶動力系統還有很多不清楚的地方，亟須加強基礎研究。比如，關于二氧化碳溶解于水的過程，過去認為是一個很活潑的過程，碳酸中的二氧化碳很容易跑到空氣中去，但德國科學家KatrinAdamczyk等最新發表在《科學》雜志上的文章根據實驗證明，碳酸的解離常數比原來一般采用的要小一倍，碳酸比人們通常認為的要更加穩定。這一實驗將極大地影響巖溶碳匯的計算結果，其間若干基礎理論問題的爭議引起了袁道先的極大關注。
另外一個有利于巖溶增匯的方式近年來也引起科學家們的極大興趣。中科院地球化學研究所劉再華研究員發現，一種叫碳酸苷酶的物質一旦進入巖溶系統將大大加快二氧化碳的回收，將增匯容量提高10倍。然而從動物血液中提取碳酸苷酶的傳統方式價格十分昂貴，近年來，袁道先一直致力于從某些植物中尋找碳酸苷酶，以期在石漠化治理中強化增匯容量。
另外，在碳循環研究中，越來越多的生物化學命題進入到傳統的巖溶地質研究視野中。袁道先表示，在地質碳匯作用過程中，碳元素在氣態、液態和固態之間的相互轉化作用的機理等許多基礎理論問題的突破越來越顯示出進行跨學科合作的必要性。
袁道先表示，在碳減排的巨大國際壓力面前，中國科學家不能人云亦云，必須自主開展研究，取得相關數據和研究結論，做好國家層面戰略決策的基礎支撐工作。他認為，建成全國巖溶碳匯效應的動態監測網絡和全國土壤碳源匯監控網絡，將有利于準確測算我國巖溶碳匯和土壤碳儲對全球大氣二氧化碳回收的貢獻，同時將揭示地球系統中碳循環以及碳源/碳匯的轉化過程及機理，為國家固碳增匯工程提供科學依據。
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