“保护地球 精彩地质”作品选登——CO2失踪之谜

地球是太阳系八大行星之一，而金星是距离地球最近的一颗行星。金星具有浓密的大气层，大气成分主要是二氧化碳，其含量约占96%。由于温室效应，大气中高含量的二氧化碳使大部分太阳光被吸收导致大气温度大大升高，金星表面温度高达420℃至485℃。地球被厚厚的大气层包围，地球大气的演化经历了原始大气、次生大气和现在大气三代，从原始大气中二氧化碳浓度接近25%下降到现在的0.04%（图1），经过漫长的过程，地球原始大气中的二氧化碳都去哪儿了？

地质历史时期碳酸盐岩中的碳及大气中的CO₂

碳酸盐岩-古代CO₂的归宿

有资料显示：地球上二氧化碳浓度下降的同时，碳酸盐岩的比例在增加。在地球系统中，岩石圈是最大的碳库，储存在碳酸盐岩中的碳量大于6.0×10⁸亿吨（6亿亿吨），分别是海洋和陆地植被碳库的1562倍和3万倍。这表明在长时间尺度上碳酸盐岩的形成对地质历史时期大气二氧化碳产生巨大的汇效应。碳酸盐岩在全球的分布面积达到2200万km²，约占陆地面积的15%。作为地球上最大的碳库，碳酸盐岩与现代大气是否还存在源汇关系，碳酸盐岩风化产生的土壤对植被生长及其生态系统的影响成为全球碳循环研究的热点。

以袁道先院士为首的团队，在岩溶碳循环方面进行了大量的研究工作并引起国际同行的广泛兴趣，其研究工作在美国《科学》杂志上报道，国际岩溶研究中心常务副主任曹建华研究员即是该团队的一员。他带领课题组成员打造出一片岩溶碳汇研究基地，地点选择在桂林市灵川县潮田乡的毛村，世界各地的地质研究者纷至沓来，吸引他们的是毛村基地丰富的地质地貌特征。

毛村有一个清晰的地下岩溶流域的边界，它有一套完整的岩性组合，有碎屑岩地区即非岩溶地区的环境和岩溶的环境，这对岩溶生态系统来讲，是非常有利的一个对比。在毛村看到看到植被的演化过程，从森林、灌丛、草地，还有耕地，这些土地利用方式和地表的植被覆盖在毛村都能够发现。毛村是一个面积约10多平方千米的小村落，在以碳酸盐岩为主体的毛村，陡峭险峻的山峰、山地间巨型的洼地，处处展现岩溶地区独有的地貌特征。

毛村峰丛谷地地貌（远处为非岩溶区陡坡中低山地貌）

     世界各地的地质研究者在毛村

碳酸盐岩的溶解（岩溶作用）-现代CO₂的捕手

岩溶作用是水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为主要特征，包括水的机械侵蚀和崩塌作用，以及物质的携出，转移和再沉积的综合地质作用。

裸露岩石的溶解

在自然雨水作用下，碳酸盐岩尤其是石灰岩表面会形成大量的溶痕、溶沟、溶槽。石灰岩溶解的时候，大多数情况下雨水是垂直入渗的，但是当雨水大的时候，它就会沿着坡面形成坡面流，然后就会形成很多的溶槽或者溶沟。雨水在碳酸盐岩表面的直接作用形成了形态各异的溶槽、溶沟。但是研究人员进一步发现，碳酸盐岩的溶沟中展现出一些奇异微形态，这些凹凸不平的部分显然不是流水的作用，如果是流水下来应该是一条沟。但是这种地方，就形成了像我们现在的山峰一样，它就形成一个小的峰出来而且是上面大，底下小，仔细观察可以明显地看到微小凹坑周边有一些发黑的物质。发黑物质是一种藻类，研究认为，岩石上的藻类也参与了石灰岩的溶蚀。因为是藻类，它是比较均匀的往里吃然后就凹进去了，因此，这个不可能是水形成的，肯定是生物形成的，在这个溶沟里头也可以发现生物的钻孔作用。也就是说，碳酸盐岩在雨水溶蚀的同时，也有生物作用的参与。而且，这种生物的钻孔作用成效显著。实际上生物作用对碳酸盐岩溶解的过程贡献量，有数据显示可以达到26.4%到64%。

流域碳酸盐岩的溶解

岩石上的溶沟溶槽是碳酸盐岩可溶性的表现，在毛村基地的山湾岩溶区碳酸盐岩的可溶性体现更为明显。这里同一片区域的山峰有的峰顶平缓似土丘连绵不绝，有的峰顶却尖锐陡峭孤峰耸立，这是砂岩和石灰岩不同的岩性所形成的不同地貌。在山湾有一处出露地表的地层界限，这个剖面是毛村地区比较明显的一个地层分界线，它的上部为晚泥盆系的灰岩，下半部分为早泥盆系的砂岩。毛村特殊的地貌形成经历了三个大的阶段，开始这里是一个巨大的滨海古湖泊，河流携带泥沙到湖里，泥沙慢慢沉积形成砂页岩层，海侵以后砂岩层被淹没在海底，海水中再次沉积形成了厚厚的石灰岩。随着地壳的抬升，这些岩石都抬升到海面以上，而剧烈的地壳运动让整个地层发生挤压和倾斜。现实的地貌形态来看，石灰岩的顶峰跟砂岩的顶峰实际上基本处在同一个平面上，这就说明了碳酸盐岩的溶解速率要远远地大于这个硅酸盐岩地区。

岩溶地区碳酸盐岩在雨水作用下的溶解过程就是岩溶碳汇过程，碳酸盐岩的溶解水和二氧化碳是两个重要的驱动力，为了验证岩溶碳循环的过程和存在，研究人员在毛村的背地坪和小龙背分别选择了一个岩溶泉水和一条碎屑岩地区的细流分别进行水指标检测，两条水流相距1000米，监测数据差距惊人。经过长时间的监测，研究团队得到了十分珍贵的数据，首先，水的温度，岩溶水里水温常年保持在一个相对稳定的状态，而碎屑岩地区的水温随着季节的变化也就是随着气温的变化在波动。这说明岩溶泉水基本上是来自地下的，受地表的影响比较少，岩溶水里重碳酸根的含量基本上保持在3mmol/L到5mmol/L，而碎屑岩地区也就是外源水的重碳酸根含量只有0.3mmol/L到0.7mmol/L，整整差了一个数量级的含量。另外，跟岩溶作用或者说跟岩溶碳汇密切相关的一个指标就是钙的含量，钙的含量在岩溶地区的水里常年保持在80mg/L到100mg/L，而碎屑岩地区钙的含量只有大概5mg/L到15mg/L。数据表明，碳酸盐岩的溶解存在着清晰的岩溶碳循环过程。

小龙背（外源水）和背地坪（岩溶水）水化学动态变化

CO₂在岩溶动力系统中的旅行

在岩溶动力系统中，岩溶植被通过光合作用吸收大气CO₂，继而形成的枯枝落叶和腐殖质被微生物分解，形成土壤CO₂。一般来说，岩溶地区土壤呼吸的速率比碎屑岩区的低，同时土壤二氧化碳浓度的年通量岩溶区要比碎屑岩区少25%，这些二氧化碳去哪里了？岩溶地区土壤呼吸减少的二氧化碳又去了哪里？经监测发现岩溶地区土壤二氧化碳的浓度在空间分布上呈现两个不同的梯度，而碎屑岩地区只是一向梯度，从试验数据结果分析，岩溶土壤中的二氧化碳在岩溶地区土壤下一部分被碳酸盐岩溶解过程大量吸收转移到水里，使得土壤底部的二氧化碳浓度降低，形成了一个双向的梯度。

                                                                                                                            岩溶区石灰土（a）和红壤（b）剖面CO₂浓度动态变化

洞穴是碳酸盐岩被流水溶解后形成的地貌。土壤中的二氧化碳随着裂隙运移到洞穴中。当高含量的重碳酸根岩溶水滴嗒下落时，碳酸钙在洞穴中沉积，形成规模宏大的石笋或是钟乳石。水中二氧化碳的溢出，导致洞穴二氧化碳浓度的增高。从全年监测的结果可以看到，在夏季的时候，温度高，降雨量大，洞里的二氧化碳浓度就比较高。冬季在生物活动比较弱，温度比较低，降雨也比较少的情况下，洞里的二氧化碳浓度就比较低。岩溶水中的二氧化碳挥发出来以后，导致洞穴二氧化碳浓度偏高，而洞穴内长年保持一定湿度，空气中水分充足，于是，洞壁会产生第二次碳酸盐岩的溶解/风化过程。风化以后，就形成风化壳，相当于洞穴里面二氧化碳的一个平衡过程，洞穴里二氧化碳到哪里去了，就是跟这些基岩发生作用了。

洞穴滴水过程中CO₂逸出，形成石笋

任何植物的光合作用，都离不开水和二氧化碳。地表上的二氧化碳来去自由，所以，陆地植被不受二氧化碳制约，而是受到水份条件的限制。相反，水下植物的光合作用，水不再是制约因素，碳成为了植物光合作用的关键。而大气的二氧化碳和水之间的交换，是一个非常缓慢的过程，造成水中碳含量不足，从而大大影响水生植物光合作用。在水生生态系统里，碳源就变成了水生植物光合作用的制约因素。换一句话讲，水生植物，在绝多数时间都是处于一种饥饿状态。然而在水生生态系统里，植物、尤其是沉水植物可以以水中重碳酸根为碳源。岩溶水通过岩溶作用，把大量大气中的二氧化碳以重碳酸根的形式转移到了水里头，给水生植物提供了大量的碳源，导致了岩溶水里有大量水生植物的存在。岩溶作用带来的二氧化碳，为岩溶水里的水生植物光合作用提供了充足的碳源，这些游弋在水中相对不稳定的无机碳，通过水下植物的光合作用，转变成了稳定的有机碳。

地球大气中的二氧化碳，在全球森林碳汇的基础上，岩溶的碳汇效应也做出了巨大贡献。已有的数据表明，全球森林产生的碳汇量大概是1.1×10¹² kg C/a 到1.5 ×10¹² kg C/a，根据岩溶碳循环的过程，全球岩溶作用产生的碳汇量大约是0.4×10¹² kg C/a 到0.6×10¹² kg C/a，相当于森林碳汇量的一半，这也是研究岩溶碳循环的意义所在。

结语

通过毛村基地一系列的实验监测，研究人员对岩溶碳循环过程有了一个相对完整的认识，并找到了在各种环境下，碳酸盐岩的溶解对大气二氧化碳消耗的证据。首先，在岩石裸露的地区，碳酸盐岩在雨水作用下溶解，消耗大气二氧化碳，并将其已无机碳的形式转移到水体中；在有植被覆盖的地区，土壤、植被形成高浓度和高循环强度的二氧化碳环境，加速了土下碳酸盐岩的溶解，增加岩溶碳汇量，同时也将二氧化碳已无机碳的形式转移到水体中；在无机碳随水迁移过程中，因水动力条件的改变，转化为CO₂，一部分返回到大气，如洞穴环境的高浓度CO₂和石笋的沉积；具有高浓度无机碳的岩溶水，刺激水生植物光合作用，将无机碳转化为有机碳。

当然，CO₂的旅程并未就此结束，我们将进一步追逐它的脚步，彻底解开CO₂失踪之谜。

                     CO₂在岩溶动力系统中的迁移