呂小溪 顏翔琦 胡晨鵬

（1.貴州師范大學喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001）

地球關鍵帶科學是當前基礎科學研究的重點領域，在近10年來成為多個學科的關注焦點，截止2016年，全球專門針對關鍵帶研究的觀測站已達69處[1]?？λ固仃P鍵帶作為地球關鍵帶的重要組成部分，是指喀斯特地區(qū)(以碳酸鹽巖為主)各個圈層之間的相互作用帶，以地表和地下二元地質結構為主要特色?？λ固仃P鍵帶內的重要過程——碳酸鹽巖化學風化(以下簡稱“碳酸鹽巖風化”)，消耗大氣與土壤中的二氧化碳(CO2)，構成重要的地質碳匯，前人的估算結果表明我國碳酸鹽巖風化產生的碳匯量約為1.8×107tC/a[2]，如果加上水生植物光合作用消耗的溶解無機碳(DIC)部分，其碳匯量可達4.2×107tC/a，超過我國陸地森林碳匯的一半[3]。隨著計算精度的提高與估算方法的優(yōu)化，有人認為碳酸鹽巖風化的碳匯總量為3.7×107t/a[4]，而Liu等人通過綜合評估碳酸鹽巖風化、全球水循環(huán)以及水生生物光合作用，得出碳酸鹽巖風化的碳匯量高達8.24×108t/a[5]，約為全球碳循環(huán)“遺失匯”的1/3。據此可知，碳酸鹽巖風化過程有巨大的地質碳匯潛力，對削弱全球變暖趨勢以及影響全球變化的意義不可忽視。

前人對碳酸鹽巖風化碳匯的估算結果表現出較大差異，除了評估方法與計算精度的不同外，也與對喀斯特作用的認識有密切關系?？λ固貏恿ο到y(tǒng)本身具有開放性、敏感性和生物參與性等多種特性，因此，喀斯特作用的穩(wěn)定性以及發(fā)生時間尺度等因素會制約碳酸鹽巖風化的碳匯效應[6～9]。傳統(tǒng)意義上通過水體DIC濃度估算碳酸鹽巖風化碳匯的方法過于粗略，還有待在綜合識別碳酸鹽巖風化過程的前提下開展研究，例如，隨著人類活動的愈加頻繁，氣候變化、土地利用方式的改變以及不同來源酸性介質的輸入等因素直接或間接地影響碳酸鹽巖風化碳匯量評估的確定性[10]。此外，水-巖-土-氣-生(人)不同圈層不同界面之間復雜的作用過程，導致這種地質碳匯過程的影響因素以及流域、區(qū)域和全球等不同尺度的碳通量與遷移轉化機制也不甚明晰。這些問題都嚴重制約了碳酸鹽巖風化碳匯量的精確評估，進而對科學管理全球碳收支平衡構成阻力。本文在地球關鍵帶科學概念體系的基礎上，對喀斯特關鍵帶的碳循環(huán)及碳酸鹽巖風化碳匯的相關研究進行了回顧，梳理了碳酸鹽巖風化碳匯的影響因素，并對該領域的研究進行了總結和展望。

1 地球關鍵帶與喀斯特關鍵帶

近地表環(huán)境中從植被冠層到地下含水層之間的部分被稱作地球關鍵帶，這一復合圈層中自然地理環(huán)境與人類活動之間的相互作用最為活躍，也與人類生產生活的聯(lián)系最為緊密[11]，是維系地球生態(tài)系統(tǒng)功能和人類生存的關鍵區(qū)域[12]。地球關鍵帶從定義上看屬于風化殼的拓展，其本質涵義是自然地理綜合體，橫向意義上的關鍵帶跨越了植被、風化殼、河湖、海岸帶及淺海等多個地理單元，從縱向上看，不僅包括了上部的植被冠層，還包括了下覆的風化層、土壤層、包氣帶以及含水層，直至含水層底部的巖石圈表面。其中，風化殼是關鍵帶的核心部分，發(fā)生在其中的巖石風化-成土過程在改變區(qū)域地貌形態(tài)和影響地表生態(tài)環(huán)境方面具有重要意義。關鍵帶體系內的水-巖-土-氣-生等多個圈層之間相互作用發(fā)生頻繁，不同界面之間也持續(xù)發(fā)生著不同的物理、化學及生物過程，巖石化學風化過程可以認為是關鍵帶所有環(huán)節(jié)中最重要的過程，美國已知的6個關鍵帶觀測站中便有3個與巖石風化有關(博爾德溪、薩斯奎漢納/西爾斯山地和盧基約觀測站)，而當前國際關鍵帶觀測站同行交流的主要平臺——國際關鍵帶監(jiān)測網絡(Critical Zone Exploration Network，CZEN)也是由風化系統(tǒng)科學聯(lián)合會演變而來的。

自20世紀末以來，隨著地球系統(tǒng)科學被引入到喀斯特學科領域，喀斯特動力學理論逐漸確立并完善，其中對喀斯特關鍵帶的研究表現尤為顯著，例如，喀斯特關鍵帶的地質地貌、物理化學與生物等過程及其之間的耦合關系、表層喀斯特帶的物質遷移和能量轉換問題、喀斯特地區(qū)的資源環(huán)境問題以及氣候、地質和人類活動對喀斯特關鍵帶的影響及其響應等[12]，上述問題也構成了喀斯特關鍵帶和現代喀斯特科學研究的重要內容。喀斯特關鍵帶與傳統(tǒng)意義上的表層喀斯特帶不同，后者是陸地巖石圈中的強喀斯特化層，由地表和地下空間的各種形態(tài)組成并呈現不規(guī)則帶狀[13]，而前者則是水-巖-土-氣-生五個圈層之間緊密關聯(lián)的相互作用帶?？λ固仃P鍵帶科學在近些年取得長足發(fā)展，2013年8月在貴陽召開的生態(tài)系統(tǒng)野外站聯(lián)盟會議上，劉叢強院士做了題為《喀斯特關鍵帶研究進展》的學術報告；2015年，由河海大學牽頭申報的重大國際合作研究計劃項目“喀斯特關鍵帶水文——生物地球化學耦合機理及生態(tài)系統(tǒng)服務提升機制”獲得批準；2017年4月，中國地質科學院巖溶地質研究所牽頭的國際地質對比計劃項目“巖溶系統(tǒng)關鍵帶過程、循環(huán)與可持續(xù)性全球對比研究”(IGCP661)成功獲批，等等。目前，中國科學院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測站已經加入國際關鍵帶監(jiān)測網絡，成為中國喀斯特關鍵帶研究的典型代表。我國喀斯特地區(qū)的碳酸鹽巖沉積年代早、厚度大，含水層及關鍵帶的厚度也大，相比世界上其他喀斯特地區(qū)而言，我國在關鍵帶科學研究方面有得天獨厚的優(yōu)勢[10]。

2 喀斯特關鍵帶的碳循環(huán)及地質碳匯

2.1 中國南方喀斯特的關鍵帶碳循環(huán)

全球喀斯特的分布面積約為2200萬km2，主要有東亞、地中海沿岸和北美三大集中分布區(qū)，總面積占地球陸地總面積的15%[14]，其中東亞片區(qū)在三大分區(qū)中發(fā)育最為成熟[15]?？λ固氐貐^(qū)在我國的分布面積達344.6萬km2[4]，其中出露地表的碳酸鹽巖總面積是我國陸地總面積的1/7。碳酸鹽巖是全球范圍內目前已知的最大碳庫(6.1×107GtC)[16]，主要成分為Ca·Mg(CO3)2。碳酸鹽巖的化學風化導致封存在巖石圈中的碳活化，會改變短時間尺度(<1Ma)上的全球碳循環(huán)模式，將對全球變化及人類社會的正常運轉產生不可估量的影響，尤其是氣候濕熱的中國南方喀斯特地區(qū)，雨熱同期的季風氣候為碳酸鹽巖風化提供了有利條件，強烈的喀斯特作用不僅消耗大氣中的CO2，同時又會通過方解石沉淀等逆反應過程向系統(tǒng)外界釋放CO2。

自上世紀末，學者即對中國南方喀斯特地區(qū)的碳循環(huán)過程展開了系統(tǒng)研究，與其他地區(qū)顯著不同的是，喀斯特地區(qū)的巖石具有較強的可溶性，其地質組成呈現出特殊的地上地下二元結構，從而導致關鍵帶的碳遷移路徑與轉化過程也表現出與其他非喀斯特地區(qū)不一致的典型特征。一方面，在碳酸鹽巖為主的背景環(huán)境中，濕熱的氣候加速巖石的化學風化造成巖石碳庫活化，使原本封存的碳加入陸地表層碳循環(huán)的各個環(huán)節(jié)，水生植物通過吸收水體中的無機碳進行光合作用而使一部分碳沉積埋藏在內陸水體中(碳泵效應)[5]；另一方面，喀斯特關鍵帶內廣泛發(fā)育的管道、洞穴與裂隙等地下空間中也充斥了大量的不同形態(tài)的碳，氣態(tài)的碳物質如CO2、CH4等常隨著季節(jié)和氣候變遷而發(fā)生動態(tài)變化并參與區(qū)域碳循環(huán)，這也是其他地區(qū)的碳循環(huán)過程所不具備的[10]。

從涵蓋地表徑流、裂隙水、伏流、地表河的流域角度而言，喀斯特關鍵帶的碳循環(huán)過程往往比非喀斯特地區(qū)的要復雜的多，例如，有學者將一個完整喀斯特流域的碳循環(huán)過程分為三個部分：(1)碳酸鹽巖風化及水體DIC的產生；(2)伴隨水文過程的DIC遷移及轉化；(3)水生光合生物通過碳泵效應實現對水體DIC和有機碳的轉化[17]。然而，上述過程總結將流域碳循環(huán)誤認為是河流碳循環(huán)，既忽視了陸地生態(tài)系統(tǒng)(植被、土壤)對碳循環(huán)的影響，也粗略地認為地下水流攜帶的碳全部輸送至地表河流水體中，其實，來自地表過程的碳不僅會隨著各種水流進入地下河-地表河系統(tǒng)，還有相當一部分在水流作用下進入喀斯特裂隙、管道及洞穴中，這一過程也即喀斯特關鍵帶中特殊的水土流失形式——水土漏失，進入地下空間的碳形態(tài)不僅包括風化過程產生的DIC，還包括了大量的土壤無機碳與有機碳。除此之外，上述過程僅考慮了自然條件下的河流碳循環(huán)過程，當前全球的主要河流基本都受到諸如酸沉降、土地利用方式改變以及生產生活用水等人類活動不同程度的影響，一方面，酸沉降會加速巖石碳庫活化卻不產生碳匯效應，另一方面，人類活動利用河水產生的耗水量會造成無機碳的流失，從而影響水化學-徑流法對喀斯特流域風化碳匯強度的評價。因此，對流域碳循環(huán)過程的識別程度嚴重影響關鍵帶內碳酸鹽巖風化碳匯的準確評估，至于流域碳酸鹽巖的風化碳匯通量需要將沉積在內陸水體底部以及輸出流域的有機碳納入考慮范圍的認識[17]也依然是不全面的。

2.2 喀斯特關鍵帶的碳酸鹽巖風化碳匯

中國南方喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖的厚度很大，典型的二元三維地質結構會造成關鍵帶具有非常復雜的碳循環(huán)路徑及過程，并導致估算碳酸鹽巖風化碳匯時的不確定性。碳酸鹽巖風化過程中的碳循環(huán)不僅涉及到巖石圈本身的碳遷移，還有大氣圈與土壤圈CO2的參與，這種由碳酸鹽巖-水-氣相互作用而形成的碳循環(huán)構成喀斯特動力系統(tǒng)的本質。以石灰?guī)r和白云巖為主的碳酸鹽巖其化學風化過程見公式(1)和公式(2)：

由上式可見，碳酸鹽巖風化過程發(fā)生在碳酸鹽巖-水-CO2三相不平衡的開放系統(tǒng)中[18]，其中，1mol的CaCO3或CaMg(CO3)2發(fā)生化學風化需要1mol的CO2來參與，也即在碳酸鹽巖的化學風化過程消耗了1mol的CO2從而構成地質碳匯[19,20]，值得一提的是，這種過程是可逆的，也會因為一些特定因素形成碳酸鈣沉淀而向大氣中釋放CO2，因此，這種碳匯效應被認為僅在小于1Ma的地質時間尺度上是有效的。

碳酸鹽巖的風化碳匯在得到肯定的同時也受到一些學者的質疑，例如，關于碳酸鹽巖風化碳匯的研究曾在Science上報道[21]，而有些學者認為碳酸鹽巖風化僅僅是一個碳的遷移過程[22]。Berner等人在早期的碳循環(huán)模型中提出地質作用是一種無機過程，并進一步認為碳酸鹽巖風化在地質時間尺度上并不產生凈碳匯[23]，而在這之前即有學者認為地質過程發(fā)生的同時也可能存在有機物的參與[24]，例如，喀斯特地區(qū)以碳酸酐酶為代表的生物過程廣泛參與碳酸鹽巖風化并加速喀斯特作用[25]，另一方面，水生光合生物的“碳泵效應”消耗水體中的無機碳達到固碳的作用，并伴隨著有機體的沉積而埋藏在內陸水體中[4,26,27]。這些過程對地質時間尺度的碳循環(huán)具有重要意義，比如自從水生植物出現以來，有機碳在內陸水體中的沉積埋藏必然影響地質時期大氣CO2的濃度進而改變氣候格局。進一步講，喀斯特水體中的游離態(tài)CO2和HCO3-已被證實具有較強的穩(wěn)定性[28]，同時也說明碳酸鹽巖風化碳匯在自然界中是相對穩(wěn)定的。

除了生物過程的影響，碳酸鹽巖風化產生的地質碳匯也在很大程度上受到氣候變化的制約，有學者認為隨著全球氣候的變暖，碳酸鹽巖風化的碳匯量到2100年將增加21%[5]，一方面表明碳酸鹽巖風化對全球變化起到很好的緩沖作用同時削弱氣候變暖的趨勢，從另一個角度看，碳酸鹽巖風化碳匯也受制于地質背景、氣候、生物過程等多種因素，如何準確識別各方面因素的影響程度對于準確評估喀斯特關鍵帶的地質碳匯有重要意義。

3 碳酸鹽巖風化碳匯的影響因素

碳酸鹽巖的化學風化(即溶蝕作用)與沉積作用是喀斯特關鍵帶中的基本作用過程，在這一過程中，還伴隨著一些生物過程如生物的光合與呼吸作用，因此，喀斯特關鍵帶中的作用過程既包含了由碳酸鹽巖地質背景控制的無機過程，也包括了受喀斯特自然地理環(huán)境制約的生命有機過程，而這些條件下形成的生態(tài)系統(tǒng)也受喀斯特環(huán)境所制約[29]，有機與無機部分依靠H2O和CO2發(fā)生相互作用，深刻影響著關鍵帶內部的生物地球化學過程[30]，也必然影響碳酸鹽巖的化學風化及其地質碳匯效應。

3.1 氣候與水文

氣候要素如氣溫與降雨量被認為是驅動碳酸鹽巖風化過程的關鍵因子[31]，碳酸鹽巖風化碳匯在不同氣候帶之間表現出較大的數量差異，例如，根據地下河徑流模數與重碳酸鹽濃度估算得出山西半干旱喀斯特地區(qū)的碳匯通量為8.69tC/km2/a[32]，而位于南方濕潤喀斯特地區(qū)的地下河流域，其碳匯通量約是前者的4倍[33]，這是由于濕熱的氣候有利于碳酸鹽巖化學風化過程的進行，這種趨勢也可從同一地區(qū)的年際變化特征看出，如在干旱年份，珠江流域碳酸鹽巖風化的碳匯量為1.45×106tC/a，而濕潤年份則是干旱年份的3倍，為4.44×106tC/a[17]。氣溫的升高在促進水-巖相互作用、加速重碳酸鹽產出構成地質碳匯的同時，也會增加喀斯特地下水的CO2分壓而具有潛在的碳源效應，如美國Konza草原喀斯特地下水的CO2分壓在1991～2005年之間呈現與大氣CO2同步遞增的變化趨勢[34]。降雨量的動態(tài)變化直接關系到流域的水文情勢，前人研究認為流域的碳酸鹽巖風化碳匯量與流量之間存在較好的正相關關系，例如，對法國喀斯特泉域的研究表明，在泉水流量增加一倍的條件下，流域的碳酸鹽巖風化量可增加兩倍，其相應的碳匯量也表現出增加[35]，中國南方喀斯特地區(qū)的研究成果也反映出類似的規(guī)律[36]。此外，桂林堯山地區(qū)的研究表明，流速增加也能加速碳酸鹽巖風化[37]，從而產生較強的碳匯效應。

3.2 巖性條件

巖性差異如巖石類型及純度是制約關鍵帶巖石風化速率及風化碳匯的基礎性因素，純灰?guī)r的化學風化速率約為白云巖的兩倍，相反，若巖層中存在石膏夾層時，灰?guī)r的風化過程則會受到抑制，而白云巖風化則會得到促進[38]。前人研究發(fā)現，桂林地區(qū)石灰土中的CO2濃度低于碎屑巖區(qū)紅壤的濃度，是由于喀斯特關鍵帶的土下溶蝕作用消耗了石灰土底層的CO2從而具有碳匯效應，而碎屑巖區(qū)則不存在這一現象[39]，這就要求在研究關鍵帶的地質碳匯時，要同時考慮巖石的化學成分及關鍵帶的結構，即巖石類型與地層構造的分布。此外，一個完整的喀斯特流域一般都會分布有硅酸鹽巖或非碳酸鹽巖夾層，大氣降雨在經過這些巖層時會形成具有較強侵蝕能力的外源水，其pH值和方解石飽和指數均較低。外源水輸入喀斯特地區(qū)后與喀斯特水流混合，會提高喀斯特水的溶蝕能力并加速碳酸鹽巖的溶蝕，這也可從漓江峰林地貌的形成得到佐證。外源水的不斷輸入在加速碳酸鹽巖風化的同時也提高了關鍵帶的地質碳匯潛力，如前人對桂林堯山地區(qū)外源水的研究即證實了這一點[37]。

3.3 土壤環(huán)境

土壤是喀斯特關鍵帶各個圈層相互作用體系中的一個重要環(huán)節(jié)，土壤環(huán)境對喀斯特作用及碳循環(huán)有重要影響[40]，目前國內外對喀斯特作用與土壤環(huán)境關系的研究一般體現在土壤CO2促進喀斯特作用、生物介導土壤碳循環(huán)、微生物風化成土等，并且往往局限于土壤表層以及淋溶層的研究[41-45]。土壤CO2的增加會加劇碳酸鹽巖的化學風化過程并導致重碳酸鹽含量的相應增加，有學者研究發(fā)現碳酸鹽巖風化碳匯過程受到土壤碳酸酐酶的顯著促進，其中，石灰?guī)r與白云巖的風化速率分別可增加十倍和三倍左右[46]。此外，土壤厚度對喀斯特關鍵帶的巖石風化及碳匯強度也有不可忽視的重要影響，例如，前人的淋溶模擬實驗結果顯示，土壤淋出液中的重碳酸鹽濃度隨著土層厚度的增加而不斷增大[47]，以上均表明土壤因素對喀斯特關鍵帶碳酸鹽礦物風化碳匯的重要作用，這相比其他類型的關鍵帶而言也是極具特殊性的。

3.4 生物活動

喀斯特關鍵帶的土壤分布不連續(xù)，水土資源配套空間分布不均衡，這是由于喀斯特地區(qū)具有獨特的二元三維地質構造[48]，這種結構造成了空間異質性強、呈“島嶼狀”鑲嵌的獨特生態(tài)環(huán)境?？λ固氐貐^(qū)的植物多扎根于巖石裂隙中，前人研究表明，生物與基巖之間發(fā)生相互作用會加速巖石的化學風化并加快生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)，如黃楊根系呼吸作用及根部微生物活性的提高會加速土下基巖的化學風化[49]，而桂林喀斯特地區(qū)的監(jiān)測結果也表明植被恢復導致碳酸鹽巖風化的地質碳匯量在不斷增加[20]。此外，喀斯特關鍵帶巖石表面的一些低等植物如苔蘚和地衣等的生長不僅會增加巖石表面的持水量、延長水分的滯留時間，還會加劇雨水對碳酸鹽巖的溶蝕[50]，成為驅動碳酸鹽巖風化碳匯的重要因素。

近幾年來，一些學者在研究喀斯特地區(qū)陸表水體的過程中發(fā)現，湖泊、水庫、河流中的水生植物尤其是沉水植物能直接捕獲并利用水體中的無機碳如HCO3-進行光合作用[26,51,52]，也即水生植物的“碳泵效應”，這一生物過程意味著碳酸鹽巖風化產生的一部分無機碳將被陸地水生植物截留進入生物圈并最終形成相對穩(wěn)定的有機碳埋藏在沉積物中，這與傳統(tǒng)意義上水生植物僅通過吸收大氣中CO2進行光合過程的傳統(tǒng)認識有所不同，在一定程度上豐富了喀斯特關鍵帶碳循環(huán)的理論體系，同時也印證了碳酸鹽巖風化碳匯的穩(wěn)定性。例如，關于陸地水域中小球藻的對比研究發(fā)現，非碳酸鹽巖地區(qū)的小球藻將水體無機碳轉化為有機物的比例可達30%，并且能夠利用11%的無機碳形成碳酸鈣成為巖石圈的一部分，而喀斯特水體中的小球藻對無機碳的轉化率則高達40.62%[53]。美國佛羅里達州喀斯特地區(qū)的相關研究也表明，泉水補給的Ichetucknee河水生植物光合作用消耗的DIC占水體DIC沿程損失量的比例可達到80%以上[26]，此外，有人通過估算全球陸地水生植物的碳泵效應得出，水生植物將水體無機碳轉化為有機碳的通量可達2×108～3×108tC/a[54-56]，以上不僅說明喀斯特水中的無機碳通過光合作用被水生植物吸收的原位沉降過程是一種真正的碳匯，也表明生物因素對維系碳酸鹽巖風化碳匯穩(wěn)定性的重要作用。

除了藻類等水生植物能有效地通過光合作用固定水體的無機碳以外，廣泛分布于陸地水域及海洋的一些微生物也能夠通過特殊的不產氧光合途徑來吸收無機碳，該類微生物由于這種特殊的光合作用方式而被命名為“好氧不產氧光合異養(yǎng)細菌”[57]，其生物量在不同水域環(huán)境中所占微生物群落的比例不同，在海洋中僅為10%左右，而在一些湖泊中則可以達到50%以上[58]。這類微生物對深化生物參與關鍵帶碳循環(huán)的認知有重要意義，例如，對西歐及北美湖泊的研究表明，由于夏季微型藍細菌生長旺盛，湖泊水體會發(fā)生明顯的季節(jié)性碳酸鈣沉淀現象(即“泛白事件”)，而這種現象卻并不一致于藻類生長的高峰時段[59]。此外，美國學者Bristow等人在研究猶他州Uinta盆地始新世湖相沉積剖面時也發(fā)現微生物對碳酸鹽沉積起著不可忽視的重要作用[60]。

3.5 人類活動的影響

人類活動導致的土地利用變化是土壤、植被碳匯重要驅動力的觀點已被廣泛認可，然而，土地利用方式及其變化與碳酸鹽巖風化碳匯效應之間的關系尚不明晰，一些研究認為，碳酸鹽巖風化碳匯量對土地利用的正向變化具有積極的反饋，在喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)生的增匯過程表現尤為明顯，例如，有學者通過對比原始林地、次生林地和灌木林地的土下溶蝕碳匯量發(fā)現，次生林地和灌木林地的地質碳匯量僅占原始林地的1/3和1/9[61]。然而，植被正向演替的同時也會減少地表徑流的產生，全球五百余條河流的監(jiān)測數據反映出植被的恢復造成徑流的損失量超過了一半，這在林地比例增加的流域體現的更為明顯[62]，此外，近50年來由于植被覆蓋度的降低，密西西比河的無機碳通量增加了46%[63]。在一些喀斯特地區(qū)，碳酸鹽巖風化的碳匯強度隨著土地利用正向變化呈現出減弱趨勢，在貴州普定開展的水-碳通量模擬實驗即反映了這種規(guī)律[64]。可以看出，土地利用的變化對于碳酸鹽巖風化碳匯的影響存在正反兩個方面，其機理仍需深入研究。

確切地說，現代水體普遍受到人類活動的干擾，喀斯特河流水體中的無機碳并不完全來自于碳酸鹽巖的自然風化，工礦業(yè)活動以及農業(yè)面源污染產生的硫酸和硝酸等外源酸都不可避免地參與碳酸鹽巖的化學風化，外源酸參與巖石風化這一過程并不消耗大氣或土壤中的CO2，因此并不產生碳匯效應，反而會成為潛在的碳源(見下式)。

前人在外源酸參與碳酸鹽巖風化方面已得出大量研究成果，如法國東南部農業(yè)區(qū)因為施用氮肥導致碳酸鹽巖風化過程中消耗的CO2量減少了7%～17%[65,66]，而酸沉降(硝酸、硫酸)對南洞流域碳酸鹽巖的風化貢獻比例高達38%[67]，由此造成的碳匯損失量不可低估，例如，考慮硫酸參與風化的西江流域研究中地質碳匯比原來的估算值低15%[68]，而在烏江流域考慮硫酸參與巖石風化產生的無機碳通量比原估值低33%[69]，此外，礦山開采過程中含硫礦物如黃鐵礦等的氧化反應產物硫酸也能溶蝕碳酸鹽巖進而削弱碳酸鹽巖的風化碳匯強度[70]。由此可見，區(qū)域外源酸會導致以前通過簡易水化學-徑流法估算得到的碳匯量減少[71-73]，因此在實際估算碳酸鹽巖風化碳匯時必須剔除外源酸所產生的無機碳。

4 結論與展望

綜上所述，喀斯特關鍵帶具有與其他關鍵帶不同的碳循環(huán)模式，由于二元三維的特殊地質結構以及多圈層因素的復雜影響，使喀斯特關鍵帶的地質碳匯存在很大的不確定性，為深入了解喀斯特關鍵帶的碳循環(huán)及碳匯過程，本文認為以下幾個方面是今后研究中有必要給予關注的。

4.1 地球關鍵帶的科學理念以綜合性、整體性和系統(tǒng)性為核心內容[74]，目前在掌握了喀斯特關鍵帶碳循環(huán)路徑及主要過程的基礎上，已經對碳酸鹽巖的風化碳匯有了深刻了解，然而，關鍵帶內部“水-巖-土-氣-生(人)”等復雜的界面過程與相互作用深刻制約著關鍵帶地質碳匯的準確評估，這些問題有待于在關鍵帶的框架下做深入研究。

4.2 由于地球關鍵帶與人類活動關系密切，開展碳酸鹽巖風化碳匯研究有必要綜合考慮工農業(yè)等人類活動與自然過程的耦合機制[10]，亟待引入地球關鍵帶的科學方法，利用多種技術方法和模型手段針對喀斯特關鍵帶的地質碳匯進行高分辨率監(jiān)測和多尺度計算并進行對比分析[75]，這可能成為評估碳酸鹽巖風化碳匯的重要方向。

4.3 受特殊地質背景的制約，喀斯特關鍵帶內的界面過程往往變得更為復雜，有必要開展長期的動態(tài)監(jiān)測才能真正揭示界面之間碳轉移的變化規(guī)律及其控制因素[10]，而目前僅通過水化學-徑流法和溶蝕試片法來評估和判斷碳酸鹽巖風化碳匯潛力的途徑需要在明確關鍵帶結構特征及其影響要素的基礎上做進一步完善。