西南地区近40年气候变化及其对岩溶作用碳汇的影响研究

摘要

气候变化问题是21世纪人类社会面临的最严峻挑战之一，大气CO2在调控全球气候中有着重要的地位。碳酸盐岩是地表最大的碳库，而碳酸盐岩的快速溶解动力学特性能较快的消耗大气CO2。近年来，研究发现一些流域的碳通量在气候变化和人类活动的影响之下正发生剧烈的改变。中国西南地区有近7.5×105 km2的岩溶分布，该地区在过去几十年来经历了显著的气候变化，虽然一些研究评估了西南岩溶地区的岩溶碳汇强度，然而目前尚未有研究分析该地区岩溶作用碳汇强度对地区气候变化的响应。本研究结合使用入渗-碳酸盐平衡化学法以及GIS空间分析技术从空间尺度上评估了近40年来西南地区气候变化对岩溶作用碳汇的影响。首先分析了整个西南地区以及西南岩溶区近40年来的气候变化特征，包括平均气温、降雨量、净太阳辐射量和平均风速，根据这些气象数据计算了地区地表蒸散发ET。依据这些因子和GIS技术，我们从空间上分析了决定岩溶作用碳汇强度的主要控制因子径流和碳酸盐平衡浓度在过去近40年内的时空变化特征。最后，基于GIS空间分析评估了不同岩性条件下岩溶作用碳汇通量(CSFs)和碳汇总量(TCS)的时空变化特征，并与同时期其它不同方法的类似研究进行了结果比较，发现了影响岩溶作用碳汇强度的最重要控制因子为径流，揭示了岩溶作用碳汇强度如何响应地区气候变化。
　　本研究主要内容包括：⑴1970-2013年西南地区年均气温变化在15.04℃-16.33℃之间，年均气温在波动中逐渐上升，气候倾向率为0.20℃/10a，1993年间西南地区发生了由低温到高温的突变，40年来升温幅度最大的时期为1990年代-2010年代，该时期气候倾向率为0.30℃/10a。空间分布上，气温增幅自东向西而逐渐加大，其中云南四川交界、云南南部、四川北部、重庆东北部等地区升温最为显著。西南地区年降雨变化在963 mm/a-1345 mm/a之间，整个时期内降雨量呈现出明显的下降趋势，气候倾向率为-17mm/10a，西南地区降雨量由多变少的突变年份为2003左右，2000年代-2010年代是西南地区降雨减弱最快的时期，气候倾向率约为-70mm/10a。空间分布上，降雨减少幅度最大的地区出现在云贵交界、四川中部、湖北北部以及重庆东北部等地区。⑵西南地区内年平均径流深变化范围在439mm-327mm之间，平均值为386mm。径流深在区域内空间上具有明显的梯度变化特征，较高的值出现在区域的东南部，如广西和湖南省等地区。而较低的值出现在地区西部，如四川省和云南省部分高海拔地区。西南岩溶地区径流深在过去近40年来的变化趋势表现为下降，变化起伏大，1990年代平均径流深度达到峰值，为444 mm/a，最低值出现在2010年代，仅为308 mm/a。近40年来西南岩溶地区各碳酸盐岩平衡浓度值（[HCO3-] eq）为4.29 mmol/L,该因子在空间上也呈现显著的梯度性，较高值在西北部，而较低值出现在东南部。[HCO3-] eq值在近40年区域气候变化的影响下变化并不大，多年变化幅度小于5%，不同年代变化趋势也不一致，总趋势为微弱的降低。⑶根据入渗-碳酸盐平衡化学法计算的西南岩溶地区岩溶作用碳汇强度(CSFs)平均值为9.36t C km-2a-1，碳汇总量（TCS）为6.85×106t。西南地区近40年气候变化对岩溶作用碳汇总量有较强的影响，导致碳汇总量降低了19%。1990年代CSFs达到峰值，为10.4 t C km-2a-1。1990年代之后，CSFs和TCS值极速下降，2010年代达到最低值，为5.5t C km-2a-1。西南地区内CSFs值差异明显，空间上表现出一定程度的梯度变化特性，而CSFs的空间分布主要受控于地区内部气候差异和岩性分布的差异。整个研究期内CSFs降低幅度最大的地区出现在贵州和云南两省，两省40年来CSFs值降低幅度分别为-37%和-32%，同时这两个省份的岩溶地区在1970-2013年间气候变化最为显著。两个省份的气候变化具体表现为温度的升高，40年间分别升高0.33℃和1.04℃，同时年降雨量快速下降，分别降低了156 mm和106 mm。进一步分析后发现，降雨量和径流深的减少是这些地区CSFs下降的最主要原因，两省的碳酸盐岩平衡浓度变化在过去40年内不显著，对CSFs的变化影响较小。⑷发现岩溶作用碳汇对气候变化存在敏感反馈效应，该汇能快速的响应区域的气候变化，与地区的降水和气温有较好的相关性。而降雨与气温则直接控制着岩溶作用碳汇控制因子径流和碳酸盐平衡浓度的大小。近40年来西南地区CSFs的时空分布差异与该地区径流深的时空分布差异基本一致，而岩溶作用碳汇强度与径流深的高度相关则是由于碳酸盐岩风化过程中[HCO3-]的化学稳定性行为的控制，因此地区径流产出是气候变化下岩溶作用碳汇强度的主要控制因子。全球水循环的速度正在随着全球气候变化而加快，而过去几十年来全球土壤CO2受到全球气候变化的影响也正在快速增加。根据入渗-碳酸盐岩平衡化学法的估算，我们预测未来的径流深度的年际变化幅度将远大于[HCO3-]eq的变化幅度，在年际岩溶碳循环的波动中径流对CSFs的影响将是土壤CO2影响的26倍，降水和径流的影响将是未来岩溶作用碳汇最主要的控制因素，据此我们预测全球岩溶作用碳汇强度在未来全球气候变化条件下将会逐渐升高。本研究发现岩溶作用碳汇是一个能快速响应全球气候变化的地质作用碳汇机制，这一机制应该被加入到现代全球碳循环模型中。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 国内外研究概况

1.2 研究内容

1.3 拟解决的关键问题

1.4 技术路线

第2章 研究区概况和研究方法

2.1 区域概况

2.2 研究资料

2.3 研究方法

第3章 近40年西南地区气候变化特征

3.1 西南地区气候变化变化总概况

3.2 西南地区平均气温的空间分布和变化特征

3.3 西南地区降水量的空间分布和变化特征

3.4 基于Mann-Kendall法和累积距平法的西南地区气候突变分析

第4章 近40年西南地区岩溶作用控制因子的变化特征

4.1 西南地区径流深的时空变化特征

4.2 西南地区土壤CO2的时空变化特征

4.3 西南地区碳酸盐平衡浓度的时空变化特征

第5章 近40年西南地区岩溶作用碳汇对气候变化的响应和机制

5.1 西南岩溶地区气候变化与岩溶作用碳汇强度

5.2 西南地区岩溶作用碳汇强度计算的准确性验证

5.3 气候变化下岩溶作用碳汇主要控制因子分析

5.4 气候变化下岩溶作用碳汇的区域响应差异

5.5 未来气候变化对岩溶作用碳循环的影响

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 不足

参考文献

致谢

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