黄土中次生碳酸盐的溶蚀过程与碳汇效应研究

Chinese loess contains a huge inorganic carbon reservoir. As the main form of carbon pool in loess, the pedogenic carbonates occupy as high as 9~18% in its weight ratio. Dissolution of pedogenic carbonates can consume a large number of atmospheric/soil CO2 and transferred it to water, which is of a great significance to regulate atmospheric CO2 and mitigate climate change. Unfortunately, the mechanism of carbon sink produced by pedogenic carbonates in loess is still unclear. Four typical porfiles under different land uses in a small Loess Plateau watershed will be selected. To clarify the the carbon sink processes, four research contents are listed:1) XRD analysis and isotope technology will be used to reveal the dissolution process of pedogenic arbonates, and to illuminate the migration and transformation rule of carbon in atmosphere-soil/mineral-water system; 2) soil respiration, dissolution test and water chemical monitoring will be adopted to calculate the erosion rate of pedogenic carbonates and to find out its controlled factors ; 3) the intrinsic relationships research between land uses and carbon cycle will be conducted to propose the suggestions that speeding up the the CO2 cycle, accelerating carbonate dissolution and increasing carbon sink in loess area; 4) when estimating the consumption of amspheric/soil CO2 by pedogenic carbonates dissolution, solute load method and carbonate dissolution test would be used to analysis the carbon sink strength, quantify the carbon sink effect and evaluate carbon sequestration potential in loess area. This study will provide a deep understanding of the loess carbon sequestration process and identify its position in the global carbon cycle.

中国黄土蕴含着巨大的无机碳库，其中次生碳酸盐的含量高达9~18%，是黄土无机碳库的主要存在形式。次生碳酸盐的溶蚀可吸收大气/土壤CO2并将其转移到水中，产生地质碳汇效应，对调节大气CO2，减缓气候变化具有重要意义。但是，黄土次生碳酸盐的碳汇机制目前尚不清楚。本研究拟选择四个不同土地利用方式的黄土剖面，利用XRD和同位素技术分析黄土次生碳酸盐的溶蚀过程，探明碳在气-土/矿物-水中的迁移规律；利用土壤呼吸、溶蚀实验和水化学监测，探讨次生碳酸盐的溶蚀速率及其受控因素，揭示土地利用与碳循环的内在机制，提出黄土区提高CO2循环强度，加速碳酸盐溶解，增加碳汇的土地调控措施；利用水化学-径流法和溶蚀实验法，计算黄土小流域对大气/土壤CO2的吸收通量，分析不同土地利用方式次生碳酸盐产生的碳汇强度，量化其碳汇效应，评价黄土区增汇潜力，本研究将为深刻认识黄土碳汇过程及其在全球碳循环中的地位提供科学依据。

全球碳循环中存在一个很大的 “遗漏汇”。我国北方黄土富含碳酸盐矿物，在全球碳循环中占有重要地位。本项目通过野外观测、室内实验，研究了碳在黄土流域气-土壤/矿物-水中的溶解迁移过程，次生碳酸盐的溶蚀规律及受控因素，不同土地利用方式碳循环的内在机制，并分析了提高黄土区土壤CO2强度，增加黄土碳汇的土地利用调控措施。研究结果揭示了山西临县黄土的地层序列，即为上部10m左右的马兰黄土，中部2.4米左右的古土壤层S1，下部4层离石黄土，并夹三层古土壤层，最下部为5m左右的古土壤层。上部碳酸盐淋溶强烈，中下部次生碳酸盐大量沉积。山西临县黄土具有贫SiO2、Fe2O3，富CaO、MgO的特点。临县黄土的地下水化学类型为重碳酸—钠型(HCO3-Na)。大气沉降、蒸发盐矿物、硅酸盐矿物和碳酸盐矿物化学风化对黄土地下水化学离子的贡献比例分别为8.51%、12.85%、57.57%和21.05%。原生碳酸盐矿物碳同位素、次生碳酸盐矿物和土壤碳同位素对流域内DIC来源的定量分析表明，土壤中的碳存在着由CO2（g）→CO2（aq）→HCO3-（aq）→次生碳酸盐CaCO3（s）的过程。黄土地下水中的离子来源于土壤/CO2的约占52.7%，来源于次生碳酸盐岩的约占43%，来自原生碳酸盐岩仅为4.3%。土地利用方式、气候条件、黄土入渗速率、土壤CO2及外源酸和外源水等因素都在一定程度上影响黄土碳汇。临县黄土中的矿物溶蚀过程对大气中CO2的消耗速率达6.34t CO2/(km2a)，明显高于同纬度三川河岩溶流域的碳汇速率（5.28tCO2/(km2a)，其中碳酸盐矿物风化消耗大气CO2量占44.5%，硅酸盐矿物风化消耗量占55.5%。碳酸盐矿物溶蚀贡献中，原生碳酸盐矿物占碳酸盐贡献的11%，而次生碳酸盐矿物约占89%。针对不同土地利用方式土壤CO2浓度变化，提出了提高土壤碳汇能力的土地利用方式调控措施：即黄土区大田作物以种植玉米、豆作物类为主，果园地以种植杏树为主。本研可为深刻认识黄土碳汇过程及其在全球碳循环中的地位提供科学依据，为黄土区碳中和提供基础数据支撑。