基于GIS的农业活动和城市化影响下西南地岩溶作用碳汇通量估算

摘要

随着全球气候变暖焦点问题关注度的提升，各界对温室气体的增汇减排也做出不同的努力。碳汇的研究更成为应对全球变暖的热点，尤其是面积广阔的岩溶区岩溶作用过程产生的碳汇效应备受关注。岩溶作用过程中以溶解无机碳(DIC)的形式消耗大气或者土壤中的CO2。有研究表明，碳酸盐岩溶解产生的DIC并不只是简单来自于空气或土壤中的CO2，随着农业、工业和城市化的发展，人们在社会生产、生活中引入的非碳酸物质，比如硝酸和硫酸也可以溶解碳酸盐岩，增加DIC含量，但是这种形式的溶蚀不消耗空气、土壤CO2，因此对于碳酸盐岩溶蚀产生CO2汇的精确计算，可以为全球碳循环模型理论的进一步完善提供帮助。
　　 本文以受农业活动影响比较强烈的青木关地下河流域和受城市化进程影响较大的南山老龙洞地下河流域为研究代表点，以西南岩溶区为面研究区域，利用水化学流量法和标准溶蚀试片法，结合稳定同位素，揭示岩溶作用特点及人类活动对岩溶作用碳汇的影响。利用自动化在线监测技术获取高分辨率的HCO3-和流量数据，探讨影响碳汇的因素;利用2010-2012年的水化学和δ13CDIC，定量分析人类活动对岩溶作用碳汇的影响。以ArcGIS为平台，依托GIS的空间分析功能，获取西南地区岩溶类型和土地利用类型数据，估算整个西南岩溶区的碳汇;由典型代表点的研究，推算岩溶作用的净碳汇强度，并以点及面，构建区域尺度净碳汇模型。
　　 对以上目的研究，得出几个主要结论:对青木关和南山点研究区每月野外实测的数据分析得到HCO3-与EC呈良好的线性正相关关系。从获取高精度的HCO3-和流量数据，计算出青木关流域平均每年产生HCO3-总通量为2214.37×104mol/a，单位面积产生HCO3-强度为194.24×104mol/km2·a。南山老龙洞流域大约每年产生HCO3-总通量为1503.1×104mol/a，单位面积产生HCO3-强度为119.29×104mol/km2·a。
　　 不同土地利用方式土下溶蚀速率具有时间和空间的差异。时间上具有季节变化性，整体上是夏季溶蚀速率＞秋季溶蚀速率＞春季溶蚀速率＞冬季溶蚀速率，而土下垂直空间没有很明显的规律性。不同土地类型之间，青木关林地(64.15t/kkm2·a)＞水田(58.22t/km2·a)＞旱地(56.09t/km2·a)＞草地(36.73t/km2·a)，西南区域其余点的土下溶蚀速率也具有相似的规律。
　　 青木关和南山地下水的Ca2十、Mg2+和HCO3-浓度以及δ13CDIC同位素相关关系，证实了人类活动或者酸雨引入的硝酸和硫酸会增加碳酸盐岩的溶蚀量，但是不吸收土壤或者大气CO2。青木关由碳酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC通量平均值为14.5×106mol/a，净CO2汇319t/a，折合净碳汇量为87t/a，与标准溶蚀试片法计算出的303.28t/a接近。南山每年由碳酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC总通量约为8.57×106mol，单位面积土地上碳酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC强度大约为6.803×105mol/km2·a;硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC总通量为6.459×106mol/a，岩溶作用产生的净CO2汇大约为188.57t/a，单位面积土地上硝酸硫酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC强度大约为0.5127×106mol/km2·a。
　　 由青木关和南山两个研究点水化学定量分析结果，碳酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC占地下水总DIC通量的均值63.07％，硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC浓度占地下河总DIC浓度的比平均为36.63％。63.07％这个比例作为参数推到西南片区，建立区域尺度人类活动影响下的净碳汇模型:Fco2=1/2×0.6307×[HCO3-]×M×S×M(CO2)/M(HCO3-)
　　 运用校正后的模型计算出整个西南地区岩溶作用净CO2汇结果为1233.3×104t/a，折合成碳约为336.44×104t/a。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 GIS在岩溶碳汇估算中的应用

1．2．2 农业活动和城市化对岩溶作用碳汇／碳源效应的影响

1．3 科学问题的提出

1．4 主要研究内容

1．5 拟解决的关键问题

1．6 研究方法

1．6．1 文献查阅、收集和整理历史资料

1．6．2 基于GIS的空间数据处理

1．6．3 岩溶作用速率和碳汇估算方法

1．6．4 硝酸和硫酸对岩溶作用过程的影响机理及判断

1．7 技术路线

1．8 项目来源

第2章 研究区概况

2．1 青木关和南山点研究区概况

2．1．1 自然地理与水文地质背景

2．1．2 人类活动

2．2 西南岩溶区概况

2．2．1 自然地理环境

2．2．2 社会经济活动

第3章 岩溶作用速率与碳汇估算

3．1 水化学-流量法

3．1．1 小流域水化学数据的获取

3．1．2 数据和方法的检验

3．1．3 计算结果及分析

3．2 标准溶蚀试片法

3．2．1 不同土地利用类型的土下溶蚀速率对比分析

3．2．2 不同土地利用类型下的CO2汇

3．3 西南区域尺度碳汇计算

3．3．1 区域不同类型碳酸盐岩的空间分布

3．3．2 基于空间插值的岩溶区域HCO3ˉ浓度空间分布

3．3．3 计算结果与分析

3．4 小结

第4章 农业和城市化对岩溶作用碳汇的影响

4．1 农业和城市化区岩溶地下河水文地球化学特征

4．2 碳酸、硝酸和硫酸风化碳酸盐岩的δ13C同位素特征

4．2．1 DIC含量与δ13CDIC同位素组成的相关性

4．3 农业活动和城市化影响下西南岩溶区域岩溶作用净碳汇估算

4．3．1 碳酸、硝酸和硫酸风化碳酸盐岩比例定量计算

4．3．2 小流域农业活动和城市化影响下净碳汇估算

4．3．3 西南地区岩溶作用净碳汇计算模型

4．3．4 西南地区岩溶作用净CO2汇强度空间分布

4．4 小结

第5章 结论与不足

5．1 主要结论

5．2 不足

参考文献

致谢

发表论文及参加课题情况