山西马跑神泉泉域与广西龙寨地下河流域碳汇特征对比

摘要

自工业革命以来，大气CO2含量增加了25%，其产生的温室效应，导致全球气温升高，海平面上升，对人类生产和发展产生的威胁，减少大气CO2含量成为全人类的共同问题。碳酸盐岩是地球上的最大的碳库，其通过岩溶作用参与全球碳循环，岩溶作用通过吸收CO2对碳酸岩产生溶蚀，形成一个CO2的汇，对降低大气中CO2浓度，减轻气候变暖具有重要作用。我国是一个岩溶大国，岩溶区面积约占国土面积的1/3强，岩溶碳汇潜力巨大，因此，为了估算岩溶作用对碳循环的作用，有必要明确气候、地质和生态环境条件影响岩溶作用的机理。本文选取山西马跑神泉泉域和广西龙寨地下河流域，分别代表我国北方岩溶区和南方岩溶区，通过水化学-径流法和野外溶蚀实验法估算流域碳汇通量，对比不同气候、地质和生态环境条件对岩溶作用对岩溶作用的影响，得出如下结论：
　　（1）气候条件决定了南、北方岩溶区不同的岩溶动力条件，从而影响了岩溶碳汇能力。南方岩溶区龙寨地下河流域年降雨量为1525mm，地下水系统对大气降水响应较剧烈，雨季流量大，旱季流量小，最大值为最小值的42.5倍，年均径流模数为13L/（km22s）；北方岩溶区的马跑神泉泉域年均降雨量为444mm,地下水系统对大气降水响应相对微弱，全年流量基本稳定，年均径流模数为2.6L/（km22s）。南方岩溶区的龙寨地下河流域含水介质以管道为主，地下水的流动以管道流为主，流速大；岩溶作用强烈；北方岩溶区的马跑神泉泉域含水介质以裂（孔）隙为主，水流速低，岩溶作用相对较弱。
　　(2)地层岩性控制了流经该地区的水的地球化学组成和类型，马跑神泉与龙寨地下河流域均为裸露碳酸盐岩区，主要离子化学组成相似，阴离子中HCO3-占绝对优势，SO42-<10%,阳离子以Ca2+、Mg2+为主，而且HCO3-与Ca2++Mg2+有很好的相关关系，表明HCO3-主要来自碳酸盐岩的风化过程，因此水中的HCO3-有一半是在碳酸盐岩的溶蚀过程中来自大气或土壤中CO2。而马跑神泉下游的郭庄泉域为覆盖岩溶区，由于受南北陡立岩带中奥陶统石膏的影响，SO42-含量较高，为SO42HCO3-Ca2Mg水。SO42-/HCO3-当量比为0.44，表明存在H2SO4条件下的碳酸岩溶蚀。
　　(3)采用水化学-径流法估算马跑神泉泉域和龙寨地下河流域的CO2通量分别为7.84t/（km22a）和32.13t/（km22a），龙寨地下河流域的CO2通量是马跑神泉泉域的4.1倍，南方岩溶区的碳汇通量远大于北方岩溶区。另外，南方岩溶区碳汇通量年内差异大，丰水期占62％，平水期占32％，枯水期仅占6％，北方岩溶区碳汇通量年内分布则较均衡。
　　（4）野外溶蚀试验的研究表明：南方岩溶区的溶蚀速率明显高于北方岩溶区，柳江流域平均溶蚀速率为2.87mg/cm22a，为马跑神泉泉域（0.71mg/cm22a）的4倍。马跑神泉泉域林地的溶蚀速率最大为0.91mg/cm22a，分别是灌丛和草地的1.4倍和1.6倍，且地上部分溶蚀量大于地下部分；柳江流域林地的溶蚀速率3.18mg/cm22a，分别是草地和灌丛的1.1倍和1.3倍，但与北方相反，地面溶蚀量小于地下溶蚀量，由此可见，植被条件明显了影响岩溶碳汇的强度，随着植被的正向演替，岩溶碳汇通量有增加的趋势，因此，提高流域碳汇量要从加强石漠化的预防和治理，促进植被的正向演替着手。
　　(5)植被及土壤条件对岩溶碳汇具有很大影响，随着植被的正向演替，土壤有机碳的含量逐渐增大，马跑神泉林地、灌丛和草地土壤总碳量分别为2.66%、2.17%和2.11%；柳江流域分别为4.43%、3.58%和1.83%。马跑神泉草地、灌丛和林地的有机碳含量分别为0.91%、1.01%和1.62%；在柳江流域草地、灌丛和林地的有机碳含量分别为1.79%、3.24%和4.18%。柳江流域土壤碳主要以有机碳的形式存在，林地、灌丛和草地土壤有机碳分别占土壤总碳的94%、91%和98%；马跑神泉泉域土壤碳则无机碳所占比重较大，林地、灌丛和草地无机碳含量分别占总碳的39%、53%和57%；土壤中有机碳含量随深度的增加而降低，无机碳随深度则无明显变化规律。
　　（6）在影响岩溶碳汇作用的因子中水为最直接的因子，这就是为什么水化学-径流法比溶蚀试片法估算的碳汇量大的主要原因。因为本次溶蚀试片只埋放于土壤中，没有埋放地下水裂隙和管道中，而该环境的溶蚀作用更强烈。因此采用溶蚀试片法估算的碳汇量，要比实际的值小。

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1 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

2 研究概况

2.1 山西马跑神泉泉域概况

2.2 广西龙寨地下河流域概况

2.3 研究条件对比

2.4 研究的目标、内容与技术路线

2.5 工作方法

2.6 野外测试中使用的主要仪器

2.7 预期结果

2.8 项目资助

3.水化学指标监测和分析

3.1 水化学特征

3.2 水化学动态

3.3 小结

4 不同条件下土壤碳与 CO2含量的测量和分析

4.1 不同条件下土壤碳含量的特征

4.2 不同条件下土壤 CO2含量的特征

4.3 不同植被条件下土壤 CO2含量随深度的变化和日变化

4.4 小结

5 研究区碳汇通量计算

5.1 采用水化学-径流法估算岩溶碳汇通量

5.2 采用野外溶蚀试片法估算流域碳汇通量

5.3 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

6.3 本文创新点

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文