外源水对碳酸盐岩溶蚀速率与碳汇效应影响研究——以毛村地下河流域为例

摘要

“全球变暖”和“温室气体减排”日益成为当今社会议论的焦点，2009年12月7日至18日，在哥本哈根召开的联合国气候变化大会第十五次缔约方会议主要考虑了人为因素对气候变化的影响，而对地质作用在碳减排过程中的作用没有予以足够的重视。外源水具有较低的碳酸盐饱和指数、pH值和硬度，所以具有很强的侵蚀性，对岩溶地貌和洞穴的发育有特殊的作用，外源水对岩溶水的补给加速了岩溶发育，促进对碳酸盐岩的溶蚀作用，提高了碳酸盐岩的物质迁移速度和强度。查明外源水能否提高碳酸盐岩固碳增汇的潜力，是目前科学与精确计算岩溶碳汇储量亟待解决的问题之一。
　　 本文选取桂林市东南约30 km的灵川县的毛村地下河流域为研究点，在充分调查和掌握研究区的气候、地貌、地质与水文地质等资料与前人研究成果的基础上，进行了为期一个完整水文年度的观测采样分析，通过测量地下河水文、水化学参数和δ13C来揭示外源水对岩溶碳汇的影响机制与DIC浓度及其物源的时空变异特征，进而查明外源水在促进岩溶区固碳增汇中所扮演的角色；本研究在小龙背(外源水)、扁岩、社更岩、山湾泉与背地坪五处放置了碳酸盐岩试块与试片，利用澳大利亚进口的微侵蚀计(MEM-Micro-erosion meter)对5点的侵蚀速率进行了精确的测量；每月定期到研究区进行水文地球化学观测研究；用德国WTW公司生产的Multi350i便携式水化学分析仪测定研究点的电导、pH值与水温；用钙离子试剂盒(德国，Aquanmerck)现场滴定水体中的Ca2+、HCO3-浓度(精度为0.1mg/L和0.1mmol/L)。并采集水样进行阴阳离子分析与碳同位素分析。运用Origin、Surer与Spss等软件对测得的数据进行整理与分析。通过以上研究，得出以下结论：
　　 ⑴研究区岩溶水与外源水的水文地球化学特征存在很大差别，小龙背(外源水)SIc小于0，均未达到饱和，具有很强的侵蚀性，进入岩溶区后，经过一段距离的水岩相互作用，SIc达到饱和，自研究区的上游至下游，SIc有偏正的趋势，pH值则表现出升高趋势，岩溶区的水化学类型主要为Ca-HCO3型、Ca-Mg-HCO3型，水化学指标变化受地质背景和岩溶作用强度的控制。
　　 ⑵外源水的溶蚀能力远远大于岩溶水的溶蚀能力，小龙背与扁岩的亮晶灰岩侵蚀速率分别为14.05×10-2mm/m、9.92×10～mm/m，背地坪的亮晶灰岩溶蚀速率只有1.05×10-2 mm/m；碳酸盐溶蚀速率受水动力条件与碳酸盐饱和指数的共同影响，碳酸岩溶蚀速率：外源水>岩溶水；雨季>旱季。
　　 ⑶毛村地下河流域碳同位素分析发现，降雨对毛村地下河DIC的贡献微乎其微，流域水热条件及地层岩性控制下碳酸盐岩和土壤生物成因的CO2两种物源对河水DIC贡献比率占主导地位；此外，同位素分馏、土地利用方式、覆被和施肥类型的不同也对研究区δ13CDIC的变化存在很大影响。
　　 ⑷降雨促进岩溶碳汇的增加，雨后岩溶作用产生的碳汇量增加了约2倍，总体表现为雨季岩溶作用产生的碳汇量大于旱季，岩溶地区岩溶作用消耗的大气CO2量具有明显的季节变化；岩溶碳汇量不仅与水中CO2含量有关，也受径流量的大小的控制，雨季地下河的流量增加，也是导致岩溶碳汇量增加的原因之一。
　　 ⑸外源水促进了岩溶作用的发生，流入岩溶区后，其DIC含量逐渐升高，碳汇通量也不断增加，2010年9月7日至2011年3月22日，从小龙背外源水到达毛村地下河出口后，碳汇量由3.82×104gC增加到3.04×105gC，碳汇量增加了8倍左右。