地下水消耗引起的CO2排放问题备受关注。张宗祜等人于1997年发表在《中国科学（D辑）》的文章中指出，华北平原因地下水超采每年额外排放CO2约1 Mt（相当于38.5万吨标准煤燃烧、近60万辆经济型轿车一年的排放量）。然而，由于缺乏国家尺度的地下水储量变化以及HCO3-浓度等数据，我国地下水储量变化导致的CO2排放问题尚未得到有效评估。因此，我们利用重力卫星和国家地下水监测数据，估算了中国地下水储量变化所导致的CO2吸收和排放。
导 读
当地下水因人为或自然排泄释放到地表时，压强的变化导致地下水中的HCO3-与Ca2+反应，生成CaCO3沉淀并释放CO2。相反，当地下水受到补给时，则发生与上述相反的化学反应，并吸收CO2。目前，我国的碳排放清单通常未考虑这一过程。因此，定量评估地下水储量变化导致的CO2吸收与排放，有助于建立更完善的碳核算体系。
图1 地下水储量变化导致的CO2吸收与排放过程示意图
美国和印度的研究表明，地下水消耗引起的CO2排放是一个重要且未被广泛关注的碳源。但是，与地下水储量变化相关的碳酸氢盐反应是一个可逆反应（图1）。正向反应包括大气CO2沉降和碳酸盐岩风化，由此CO2通过地下水补给被吸收。相反，当地下水通过排泄被释放到地表时，由于压强差，地下水中的HCO3-将在逆反应中重新平衡，CO2被释放到大气中，并沉淀形成碳酸盐岩。因此，准确理解地下水储量变化在大尺度碳循环中的作用，需要综合考虑地下水的减少与增多。为此，我们利用Gravity Recovery and Climate Experiment（GRACE）重力卫星反演中国地下水储量变化，并结合国家地下水监测工程约1万眼观测井的HCO3-浓度观测数据，计算了中国地下水储量变化引起的CO2吸收和排放。
图2 根据国家地下水监测工程约1万眼观测井的实测值，通过空间插值得到的HCO3-浓度数据（A）以及GRACE反演的2003-2015年地下水储量变化速率（B），计算得到的中国地下水储量变化导致的CO2吸收量或排放量（C），以及上述三类数据在省尺度上的统计结果（D）。
研究显示（图2）：中国地下水储量变化虽然在空间上有增（速率为正）有减（速率为负），但总体上表现为净减少的趋势；对应地，中国地下水储量变化表现为大气CO2排放源，CO2净排放速率为2.1±2.3 Mt/yr。该排放速率超过中国碳核算数据库（CEADs）中15%（7/47个）已列明行业排放清单的年排放量（图3）。值得注意的是，地下水储量变化的碳排放和吸收具有明显的时空特征。空间上，地下水储量减少和增加区域对应的CO2排放和吸收量分别为3.9±1.1 Mt/yr和1.8±1.2 Mt/yr；时间上，地下水储量变化导致的CO2吸收集中在5-8月（10.2 Mt），其他月份则表现为排放（12.3 Mt）。
图3 中国地下水储量变化导致的CO2排放（只考虑地下水减少）和净排放（同时考虑地下水减少和增加）在CEADs的47个碳排放行业中的排名，单位为（Mt）（A），及其与文献中报道的美国和印度排放情况的对比（B），单位为（Mt/yr）。
研究表明：我国《重点地区地下水超采“十四五”规划》可以减少5.3 Mt的CO2排放；全球地下水消耗导致的CO2排放量约为11.5–23 Mt/yr。特别地，本研究揭示的全球地下水消耗（化学反应）引起的CO2排放量约占地下水脱气作用（水中过饱和CO2去除过程）引起的排放量的四分之一，显示了地下水储量变化对碳循环的重要影响，以及在在国家和全球尺度上的碳核算中考虑这一过程的必要性。
值得注意的是，由于地下水储量变化和HCO3-浓度数据的误差，本研究结果可能存在一定不确定性。此外，本研究主要关注地下水储量变化时的化学反应所导致的CO2排放和吸收，并没有考虑地下水脱气、抽水能源消耗、有机碳转化等其他过程的影响，因此研究结果并不能完全反映实际的地下水储量变化引起的CO2排放。
总结与展望
本研究显示，地下水储量变化在碳核算中具有不可忽视的作用。随着重力卫星反演技术的进步，地下水储量变化的空间分辨率和精度得到了提升。同时，HCO3-浓度数据的丰富，也有助于更好地评估地下水储量变化在区域和全球尺度上对碳核算的影响。
责任编辑
直 伟 河海大学
王文兵 上海大学
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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-geo.2024.100094
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第2卷第4期以Report发表的“Changes in groundwater storage represent a significant source of atmospheric CO2 in China” (投稿: 2024-03-23；接收: 2024-09-04；在线刊出: 2024-09-26)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2024.100094
引用格式：Li Q., Pan Y., Zhang C., et al., (2024). Changes in groundwater storage represent a significant source of atmospheric CO2 in China. The Innovation Geoscience 2(4), 100094.
作者简介
李权洲，河海大学地理与遥感学院博士研究生，2024年硕士毕业于首都师范大学，研究方向为遥感水文。
潘 云，首都师范大学资源环境与旅游学院教授、院长，北京地理学会副理事长、国际水资源学会中国委员会常务理事，中国卫星重力与水文学会议发起人之一。主要从事地下水储量变化的卫星重力水文学研究，代表性成果多次发表在GRL、WRR、JH等期刊，主持了国家自然科学基金、第二次青藏科考子专题等科研项目。在华北平原地下水储量变化宏观规律、卫星重力数据多源融合与小尺度信号校正等方面取得一些进展，支撑了自然资源部、水利部、外交部等相关工作。曾获北京市自然科学二等奖（排名1）、北京市科技进步一等奖（排名3）、全国工人先锋号（团队负责人）等奖励和荣誉。
张 翀，首都师范大学资源环境与旅游学院讲师，主要从事重力卫星地下水反演、陆面过程-地下水耦合与不确定性研究。研究成果相继发表于WRR、GRL、JH等国际主流期刊，担任WRR、GRL、HESS、JGR等期刊审稿人。主持国家自然科学基金青年基金、北京市自然科学基金面上项目、中国博士后科学基金面上资助等项目，曾获2022年北京市自然科学二等奖、国际华人青年水科学协会杰出论文奖等奖项。
