降水对碳酸盐风化碳汇通量的主导调控作用：基于区域校准GEM-CO?模型的见解

《Applied Geochemistry》：Precipitation dominance in regulating the carbonate weathering carbon sink flux: Insights from a regionally calibrated GEM-CO 2 model

　　

摘要

对全球参数化的依赖阻碍了对碳酸盐风化碳汇通量 (CCSF) 的准确量化，给区域碳预算注入了显著的不确定性。为解决这一问题，我们针对中国广西喀斯特地区开发了一个区域校准的 GEM-CO₂ 模型 (CGEM-CO₂ 模型)。受本地水文地球化学数据的约束，CGEM-CO₂ 模型得出的校准参数为 1.6313，与观测值实现了稳健的拟合 (R² = 0.8459)。点位尺度的验证确认，校准模型的表现优于原始的 GEM-CO₂ 和最大潜在溶解 (MPD) 模型，特别是在解决空间异质性方面。该模型估算出 2000–2022 年的平均 CCSF 为 9.18 t C km^-2 yr^-1，揭示了一种明显的"V 型”时间趋势，其特征是初期下降并在 2011 年后恢复，主要集中在广西北部。同时，平衡态 HCO₃^- 浓度的稳步上升表明碳汇潜力正在增强，这可能由土壤 CO₂ 富集驱动。地理空间分析确定了一种"降水主导、多因子协同”机制驱动了 CCSF 的空间变异性。降水被确定为主要的正向驱动因子，其解释力通过与蒸散和 NDVI 等因素的相互作用而显著增强。这些发现表明，区域模型校准对于细化碳预算评估和阐明气候与生态驱动因子的复杂相互作用至关重要。这种方法为在碳中和目标背景下管理喀斯特生态系统提供了稳健的框架。

引言

源自岩石化学风化 (RCS) 的碳汇构成了“缺失碳汇”的重要组成部分 (Jiang et al., 2011; Zhang & Li, 2015; Lu et al., 2025)，并被政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 第五次评估报告 (AR5) 确定为调节大气 CO₂ 的关键机制 (Pu et al., 2015)。RCS 主要包括两个过程：碳酸盐风化碳汇 (CCS) 和硅酸盐风化碳汇 (SCS)。目前的估算表明，RCS 每年捕获约 0.86～1.06 Gt CO₂，其中 CCS 贡献了这一总量的 37.00～51.40% (Gaillardet et al., 1999; Hartmann et al., 2009)。此外，向土壤中添加硅酸盐或碳酸盐岩石——称为增强岩石风化 (ERW)——代表了一种有前景的碳捕获、储存与移除 (CCS-CDR) 技术，能够加速地质 CO₂ 封存 (Beerling et al., 2020; Zeng et al., 2022)。值得注意的是，CCS 的动力学比 SCS 快几个数量级，且其潜在的化学溶解机制已被更好地理解 (Liu et al., 2011)。

碳酸盐岩石溶解在十亿至万亿年的时间尺度上对全球碳循环起着关键作用。该过程对于维持全球碳预算平衡和解决“剩余陆地碳汇”预算至关重要 (Pu et al., 2015; Li et al., 2019; Yuan et al., 2019)。在机制上，碳酸盐风化消耗大气或土壤中的 CO₂，产生 HCO₃^- 和 Ca²⁺ 离子，这些离子通过水系统进行传输，随后可能被陆地植被利用或输送至海洋 (Luo et al., 2025)。研究进一步表明，喀斯特相关碳汇可以快速响应气候变化 (Zeng et al., 2016; Zeng et al., 2019)。模型显示，实施增强碳酸盐风化 (ECW) 策略可以大幅增加这一碳汇，在 RCP 4.5 和 RCP 8.5 情景下，全球潜力为每年 2.66～2.82 Gt CO₂。累计而言，到本世纪末，这种方法可以移除超过 241.32 Gt CO₂。此外，ECW 提供了显著的协同效益，包括改善土壤质量、增强水质和减轻海洋酸化 (Shi et al., 2025)。因此，准确量化 CCS 对于解决全球碳汇赤字、细化碳预算评估和推进碳中和目标至关重要 (Cao et al., 2018; Li et al., 2019; Bai et al., 2023)。

在开发估算方法和阐明 RCS（特别是 CCS）的驱动机制方面已取得重大进展。已经建立了一系列定量模型，包括碳酸盐岩石片测试、扩散边界层 (DBL) 建模、GEM-CO₂ 模型、溶解物负荷法、多元回归模型和最大潜在溶解 (MPD) 模型 (Wu et al., 2025)。这些方法为在不同尺度上量化 CCS 提供了技术支持。

然而，现有的估算方法在核心原理和参数化上存在根本差异，因此对同一区域的 CCS 量化产生了显著差异。例如，中国总碳酸盐风化碳汇 (TCS) 的估算值因采用溶解物负荷 (1.79×10⁷ t C yr^-1) 或 DBL 模型 (6.42×10⁷ t C yr^-1) 而异，差异达三倍之多 (Liu and Zhao, 2000)。这种差异在水域尺度上更为加剧。对于长江流域，Zhang 等人 (2016) 应用溶解物负荷法和 Galy 模型，得出 TCS 为 9.14×10⁶ t C yr^-1。与此同时，Cao 等人 (2011) 使用数学回归模型报告珠江流域的 TCS 为 1.85×10⁶ t C yr^-1。同样，Gong 等人 (2021) 利用 GEM-CO₂ 模型估算长江和珠江流域 (2000–2014) 的 TCS 分别为 1.83×10⁶ 和 1.28×10⁶ t C yr^-1。这些不一致性突显了全球参数化的局限性以及确保估算准确性的区域精细化模型的关键需求。

当前量化 CCSF 的方法受限于有限的区域适用性，特别是在地质和气候条件复杂的典型喀斯特地区。广西是全球喀斯特地貌模式地，碳酸盐岩出露广泛，占其陆地面积的 41.57% (Tang & Wu, 2023)。为解决这些不确定性并增强区域适用性，本研究通过将核心原理与本地 HCO₃^- 数据集相结合，开发了一个广西校准的 GEM-CO₂ 模型。利用原位观测数据将校准模型的表现与原始的 GEM-CO₂ 和 MPD 模型进行基准测试，以评估估算准确性。此外，采用地理探测器和偏相关分析来确定该区域 CCSF 的关键驱动因子，为优化广西 CCSF 管理策略提供科学框架。

章节摘要

研究区

广西壮族自治区位于中国南部沿海 (104°26′–112°04′ E, 20°54′–26°24′ N)，面积约为 237600 km²。该地区经历典型的亚热带季风气候，年平均气温为 13.45～24.02°C，年降水量通常超过 1000 mm，大部分地区达到 1500～2000 mm。地形上，该地区西北高东南低。广西构成了

CGEM-CO₂ 模型的校准

为了表征 CCSF 参数的空间异质性，我们对整个广西地区进行了 GEM-CO₂ 模型的校准，并将分析扩展到三级和选定的五级流域，建立了一个多水平框架。在缺乏足够观测数据进行独立校准的区域 (例如百都河流域、广西沿海及东南部流域)，应用了为广西推导出的区域校准方程。浔江 (XJ) 流域，代表着

结论与展望

本研究通过开发 CGEM-CO₂ 模型，系统评估了广西 (2000–2022) 的 CCSF 时空动态和驱动机制。主要结论如下：

• (1)
  针对原位 HCO₃^- 测量进行校准的 CGEM-CO₂ 模型，在重现区域 CCSF 变异性方面始终优于现有的全球模型，突显了在喀斯特碳汇评估中参数本地化的重要性。
• (2)
  广西的平均年 CCSF 估计约为 9.18 t C

CRediT 作者贡献声明

刘欢： 软件，数据整理。 李从聪： 数据整理。 侯玉霞： 撰写 – 初稿，可视化，数据整理。 黄芬： 撰写 – 审阅与编辑，资金获取。 肖琼： 验证，监督。 王佩： 验证，监督。 朱同宾： 验证，监督。 曹建华： 验证，概念化。 胡 Bill： 验证，监督

未引用参考文献

Amiotte-Suchet and Probst, 1993; Dreybrodt and Buhmann, 1991; Li et al., 2019; Miao and Gou, 2022; Wang et al., 2016; Zhang et al., 2016.

资金资助

本研究得到 中国国家自然科学基金委员会 (编号：42277077, 42361144885, 42430712)，广西自然科学基金 (编号：桂科 AB25069159)；中国地质调查局 项目 (资助编号：DD20230547)；以及自然资源科学技术战略研究项目 (资助编号：2023-ZL-23) 的财政支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。

侯玉霞|黄芬|刘欢|李从聪|朱同宾|曹建华|肖琼|王佩|胡 Bill

中国科学院岩溶研究所，自然资源部 & 广西自治区喀斯特动力学重点实验室，国际岩溶研究中心 (联合国教科文组织支持下)，广西桂林 541004