地球虽然在现代的太阳系中是一粒很小的“尘埃”，然而却是太阳系中唯一一颗有高智慧生命体的行星。太阳集聚了太阳系中99%的质量，而其余8大行星、小行星带及柯伊伯带等共同“瓜分”了剩余1%的质量。8大行星距离太阳由近而远，地球位列第三，与地球相邻的是金星和火星，金星和火星的大气圈均以(CO₂)为主，可达95%以上，而地球大气圈则以氮气(N₂)和氧气(O₂)为主(分别为78%和21%)，二氧化碳浓度仅为0.03～0.04%。

　　那么问题来了，在地球演化过程中大气圈里的二氧化碳去哪里了呢?

　　有资料数据显示地球演化过程中，古老地球大气中的二氧化碳绝大部分都以碳酸盐岩的方式储存在岩石圈中。碳酸盐岩是岩溶发育的物质基础，其沉积成岩和风化溶解又与地球碳循环存在什么样的关系呢?　

　　太阳系模拟图

　　1、岩溶的前世

　　碳酸盐岩沉积见证地球生命演替，是地球生命活动的产物。地球形成之初是一个炽热的“岩浆海”球，极高的温度导致地球大气中弥漫着大量气态硅酸盐;随着温度下降，气态的硅酸盐凝固，形成一层玄武岩(雏形地壳)，将大气和地球内部隔离，形成地球大气圈;当大气温度迅速下降时，水分凝结落到地面，地球水圈便出现了。随着地球温度的持续下降以及地幔物质的火山喷发，地壳厚度便由薄到厚，地壳分布范围也由小到大。火成岩经过风化、剥蚀、迁移和沉积等一系列过程后，地壳岩石的组成逐渐由以火成岩为主转化为以沉积岩为主。　

　　“岩浆海”形态的远古地球

　　碳酸盐岩属于沉积岩，形成于海洋，其沉积环境需要5个基本条件：浅海、见光、温暖、清洁和生物活跃，因此，碳酸盐岩蕴藏着地球环境演化的信息。碳酸盐岩是海洋生物化学产物，并随地球生物圈的发展而不断累积，其形成的量与地球生物圈的演化关系密切：地球最初出现的生命是原核微生物，在原核微生物中有一类称之为蓝细菌(蓝藻)的生物体(最早出现在距今约37.7亿年前)，在地质记录中，它是叠层石的建造者，是碳酸盐岩早期沉积的形态。　　

　　蓝细菌(蓝藻)

　　碳酸盐沉积在早期的20多亿年中(距今27～7亿年间)沉积量仅占30%，而70%的量出现在古生代和中生代，中生代碳酸盐岩沉积的速率是古生代的2～3倍，主要原因是中生代出现浮游钙质壳生物，主要是颗石藻和有孔虫，碳酸盐沉积出现浅海型与深海型并存的现象，沉积效率也极大提高了。

　　有孔虫

　　碳酸盐岩是地球表层系统最大的碳库，是地球大气二氧化碳的归属。碳酸盐岩是相对年轻的岩石，主要生成于显生宙(距今大约5.7亿年)，并随生物活动的加强不断增加;而古老的硅酸盐岩却随风化作用的加强而不断减少。在生物地质营力作用下，硅酸盐岩的风化和碳酸盐岩的形成，对大气中二氧化碳产生巨大的汇效应。

　　碳酸盐岩的沉积，是多方共同努力的结果，由大气提供碳，硅酸盐岩风化提供钙、镁，而生物则起到催化和调控作用。在地球显生宙初期地球大气二氧化碳浓度是现在的25倍以上，碳酸盐岩仅为现在的30%，而现代大气中的二氧化碳浓度仅为0.03%-0.04%，储存在碳酸盐岩中的碳达61×1015吨。

　　从反应式看，大气圈减少的二氧化碳去向，一半转移到碳酸盐岩中、一半转移到了有机碳中。而实际调查研究的数据却显示，82.35%的碳赋存在碳酸盐岩中，17.65%赋存在有机碳中，且有机碳以三种形态存在：页岩-碳酸盐岩中的颗粒有机碳、石油、煤炭(比例为16000:32:1)。

　　在现代地球表层系统中，碳酸盐岩是地球表层系统中最大的碳库，赋存在碳酸盐岩中的碳含量是海洋的1562倍、陆地植被的3×104倍。由此可以看出，碳酸盐岩不仅是过去地球大气高浓度二氧化碳的归属，其快速风化溶解过程对现代地球大气二氧化碳的调控也起到了一定的作用。

　　2、岩溶的今生

　　碳酸盐岩风化溶解产生“静悄悄”的岩溶碳循环过程。人们大多会惊叹于桂林山水的美轮美奂，但很少人会想到，碳酸盐岩的风化溶解会像植物光合作用一样，对大气圈产生碳汇效应。碳酸盐岩是可溶岩，是一类在雨水作用下能发生快速溶解的岩石，其风化溶解速率是花岗岩的几十倍至上百倍，在此过程中，大气圈的二氧化碳不断移出，主要以碳酸氢根离子(HCO3-)的形式进入到水圈中，这对大气圈而言就起到了碳汇的效果。岩溶水体中的无机碳含量通常是邻近硅酸盐岩区水体中无机碳的8～10倍。

　　已有数据显示流域尺度岩溶碳循环通常包括四部分：发生、迁移、转化和储存。70%～80%的岩溶碳循环主要发生在浅表层的岩溶表层带，只有少部分发生在地下河和地下洞穴中;富含碳酸氢根离子的岩溶水在岩溶含水介质中迁移，迁移到洞穴中，少部分的碳酸氢根离子转化为二氧化碳逃逸到洞穴空气中，形成了石笋、钟乳石;更多的碳酸氢根离子随地下水的流动，以泉和地下河的形式流出地表，成为地表河，高浓度无机碳含量的岩溶水，刺激了水生植物的光合作用，部分无机碳转化为有机碳;绝大部分岩溶作用产生了水体中的无机碳和有机碳流入海洋，最终在海洋中储存，而少部分赋存在陆地水域湖泊、水库和河流。　　

　　地下岩溶洞

　　岩溶碳汇通量可与陆地生态系统碳汇通量相提并论。就我国而言，我国的岩溶分布面积(包括裸露、覆盖和埋藏的)为344万平方千米，约占土地总面积的1/3，基于九大河流流域数据的估算，我国碳酸盐岩风化溶解产生的碳汇通量为0.3～0.72亿吨/年，平均为0.51亿吨/年。根据1981～2000年间的统计，森林碳汇通量年均碳汇为0.75亿吨/年，灌草丛年均碳汇通量为0.19亿吨/年，陆地植被年均总碳汇通量为1.01亿吨/年，即碳酸盐岩风化溶解的碳汇通量是陆地植被的50.5%、森林的68%、灌草丛的2.68倍。

　　针对全球而言，每年陆地森林生态系统将产生17.1亿吨/年的碳汇通量，土壤有机碳库可产生净碳汇通量8亿吨/年。全球岩溶分布面积2200万平方千米，占陆地面积的15%，全球碳酸盐岩风化溶解产生的碳汇通量为5.5亿吨/年，这一数值相当于全球森林碳汇通量的33%、土壤碳汇通量的70%。值得指出的是，岩溶碳循环发生的驱动力是碳酸盐岩的风化溶解，主控因子是水和二氧化碳，在不同气候类型下，碳汇发生的强度存在差异性。　　

　　陕西商洛喀斯特地貌

　　3、岩溶“默默”地参与现代地球碳循环

　　自工业革命以来，化石能源燃烧向大气释放大量的二氧化碳，占地球表面70%的海洋吸收了其中的30%，占地球表面30%的陆地吸收了20%，剩余的50%残留仍在大气中。陆地和海洋吸收大气二氧化碳的机制普遍认为是由陆地和海洋中的植物及微生物的光合作用形成的，即所谓的“二氧化碳施肥效应”。这说明地球生物圈对地球碳循环起着调节和控制作用，具有自平衡和缓冲能力。

　　与此同时，还存在另一个“隐形”的调控机制，就是碳酸盐岩的风化溶解，将大气和土壤中的二氧化碳转移到水圈中，形成富碳、富钙、偏碱性的岩溶水。据统计，陆地二氧化碳淡水水域中无机碳含量大于1毫摩尔每升(1mmol/L)的水体占57%，这部分的水体均与补给区碳酸盐岩风化溶解关系密切。碳酸盐岩风化溶解消耗二氧化碳的通量随着陆地地表植物碳汇通量的增加而增加，换言之，在陆地地表植物因“二氧化碳施肥效应”和光合作用增强的同时，地下碳酸盐岩风化溶解强度也在增加，将更多的二氧化碳转移到水圈中。

　　在过去600万年中，海洋中碳酸盐的沉积量一直大于从大陆风化输入海洋的溶解碳酸盐量，碳酸盐在海洋环境中一直处于不饱和状态。碳酸盐岩风化溶解形成岩溶水，由陆地输入海洋后，一方面可缓解海洋酸化，另一方面高浓度钙盐的输入，可提高海洋的“生物碳泵”效率，在无机碳转化为有机碳的同时，加快生物碳酸钙骨骼的生成速率。换言之，由于碳酸盐岩风化向海洋输入更多钙盐，使得海洋生物的“二氧化碳施肥效应”更高，伴随生物成因的碳酸钙沉积的也更多了。　　

碳酸盐岩风化溶解驱动的地质碳循环与植物光合作用驱动的生物碳循环息息相关

　　供图/蔡石

　　4、岩溶的未来

　　“碳中和”就是人类活动中直接或间接排放的二氧化碳，被人为努力(植树造林、节能减排等形式)和自然过程(吸收)完全抵消。岩溶“默默”地参与地球碳循环，那么岩溶可以“默默”地参加“碳中和”吗?

　　回答应该是肯定的，主要体现在两方面，其一，碳酸盐岩风化溶解产生短时间尺度的岩溶地质碳汇效应一直没有在“官方”文件中出现、甚至没有在现代全球碳循环模式中出现，在“碳中和”中是被忽视的部分;其二，岩溶地质碳汇效应如森林碳汇一样，通过人为努力(人工造林、土壤改良、外源水灌溉等)将更多的大气二氧化碳转移到水圈中去，在水库、湖泊、河流、乃至海洋中储存。

　　与此同时，碳酸盐岩风化溶解至少会产生3个结果：一是“默默”地参与全球碳循环、“默默”参与碳中和;二是形成美轮美奂的桂林山水(地表、地下的岩溶景观);三是形成特殊的岩溶生态环境，其特征是缺水、少土、植物生存条件差，生态环境脆弱。因此，保护和修复南方54万平方千米裸露岩溶区的生态环境，不仅是国家石漠化治理的需求，也是国家碳中和的需求。