雪玉洞洞穴系统碳的变化特征及洞内CO2来源研究

摘要

岩溶动力系统的运行伴随着碳的迁移变化，土壤CO2是岩溶作用的驱动力，是岩溶作用中碳的重要来源。洞穴作为岩溶环境的重要组成部分，是研究碳的迁移变化的重要场所。洞内空气CO2是洞穴环境的重要指标，可以反映岩溶动力系统的运行状态。洞内CO2主要来源于上覆土壤CO2:一方面土壤CO2通过岩层裂隙扩散到洞穴中，另一方面土壤CO2通过岩溶水的携带进入到洞穴中。洞穴滴水和地下河水是土壤CO2进入到洞穴中的重要载体，水体在洞内的脱气作用是控制洞内CO2的关键因素，滴水和地下河水也是碳在洞穴系统中迁移的重要途径。以往研究表明，雪玉洞空气CO2浓度较高，并且在11月出现快速变化，但是没有捕捉到洞内空气CO2的上升过程，对其来源也缺乏有力的证据。
　　本研究在以往研究的基础上，对碳从土壤CO2向洞内迁移的关键环节进行了监测，对土壤CO2浓度、土壤水、表层岩溶泉、滴水、地下河水、洞内空气CO2浓度等碳的变化进行了研究，揭示了碳在各环节中的变化特征。对2013年11月洞内CO2浓度的快速变化进行了连续监测，捕捉到了洞内空气CO2的快速上升过程;同时对地下河的水化学进行了对比监测，以研究在洞内空气CO2上升过程中地下河是否能够提供足量的CO2。另外，对洞穴系统中碳的同位素进行了研究，利用碳同位素示踪技术为洞内空气CO2的来源提供有力证据。研究发现:
　　(1)雪玉洞土壤—洞穴系统碳的变化表现出明显的季节性，土壤CO2、洞穴空气CO2和地下河CO2分压表现出明显的一致性，表明在季节尺度上洞穴空气CO2的变化可能受到地下河所携带的土壤CO2的控制。对土壤水、表层岩溶泉水和滴水DIC的研究发现，DIC浓度呈现先升高后降低的过程，表明岩溶侵蚀作用先增强后变弱，岩溶侵蚀作用的强弱对碳的迁移起着重要的作用。洞穴系统中碳同位素的变化表明，土壤水中溶解了较多的土壤CO2，而随着岩溶作用的进行，消耗了水中溶解的土壤CO2，使岩溶水包含的土壤CO2的碳同位素信息减少。
　　(2)通过对2013年10月30日到11月17日的连续监测研究，雪玉洞空气CO2在11月2日到9日出现大幅度上升（4个监测点平均值从3965 ppm上升到9792 ppm），地下河pH出现显著降低，CO2分压也大幅度上升，并且地下河上游的CO2分压明显大于下游CO2分压，且分压差在9日达到最大值，表明洞内CO2主要来源于地下河的脱气。通过对11月2日到9日地下河CO2脱气量和洞穴空气CO2增量的计算，地下河脱气量(149.98 m3)大于洞内空气CO2增量(105.11 m3)，表明地下河脱气可以为洞穴空气CO2浓度增加提供足量的CO2。碳同位素的监测表明，地下河脱气进入到洞穴空气中的CO2主要来自溶解的土壤CO2，地下河δ13CDIC在洞内空气CO2上升期间沿流程不断偏重，表明地下河的显著脱气确实存在，是洞内空气CO2上升的直接控制因素。
　　(3)地下河方解石饱和指数的变化研究发现，在洞穴空气CO2快速变化期间，洞内空气CO2浓度最高时方解石饱和指数出现最低值，同时从季节变化尺度上来看也是洞内CO2浓度较高时地下河的方解石饱和指数较低，即在较高的洞内空气CO2浓度下地下河的沉积趋势较弱。通过对滴水沉积量的实际观测也发现沉积量最大值出现在洞内空气CO2浓度较低的冬季，表明雪玉洞空气中高浓度的CO2不一定就带来较高的沉积速率，洞内的沉积速率是否较高和沉积速率的影响因素需再做研究。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 洞穴CO2的变化及其影响因素研究

1．2．2 碳在洞穴系统中的迁移变化研究

1．2．3 雪玉洞研究情况

1．3 问题的提出

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第2章 研究区概况与研究方法

2．1 研究区概况

2．2 研究方法

2．2．1 野外监测点与采样方法

2．2．2 室内实验分析

第3章 土壤—洞穴系统碳的变化特征

3．1 土壤CO2的变化特征

3．1．1 土壤CO2的时间变化

3．1．2 土壤CO2的空间变化

3．2 土壤水DIC的变化

3．2．1 季节变化

3．2．2 空间变化

3．3 表层岩溶泉水DIC的变化

3．3．1 季节变化

3．3．2 空间变化

3．4 滴水碳的变化特征

3．4．1 滴水DIC的时空变化特征

3．4．2 滴水的CO2分压变化及对沉积物沉积速率影响

3．5 地下河碳的变化特征

3．5．1 季节变化

3．5．2 昼夜变化

3．5．3 地下河CO2分压及碳酸钙沉积变化

3．6 洞穴空气CO2变化

3．6．1 季节变化

3．6．2 空间变化

3．7 本章小结

第4章 洞内CO2的快速变化及来源分析

4．1 洞内CO2的快速变化

4．2 地下河水化学变化

4．3 地下河CO2分压与方解石饱和指数变化

4．4 洞内空气CO2浓度快速上升期间碳来源的定量分析

4．5 本章小结

第5章 雪玉洞空气CP2来源的碳同位素证据

5．1 洞穴系统中碳同位素特征

5．1．1 基岩、植被、土壤有机质、土壤CO2

5．1．2 雨水、土壤水、表层岩溶泉水

5．1．3 滴水、滴水沉积物

5．1．4 洞穴空气

5．2 基于δ13C的洞穴空气CO2来源分析

5．3 本章小结

第6章 结论与不足

6．1 结论

6．2 存在的不足及展望

参考文献

附录

致谢

作者简历