湖南大龙洞地下河流域岩溶特征及其碳汇潜力研究

摘要

已有的碳循环模式存在“遗漏汇”。“岩溶作用过程碳循环”这一理论的提出，为全球寻找“遗漏汇”提供了新的途径。国土资源部于2010年启动“中国地质碳汇潜力研究”项目，旨在进一步详细评估岩溶地质作用在碳汇中的作用和强度，为我国在国际气候变化谈判中赢得主动地位；同时，寻找如何更好利用岩溶碳汇机理精确计算由岩溶水循环引起的碳汇的方法。另一方面，用野外溶蚀实验法分析碳酸盐岩在土下岩溶溶蚀的特征，进一步掌握碳酸盐岩在岩溶作用过程中的机理。
　　本文以湖南大龙洞地下河流域为例，在流域水文地质调查以及流量和水化学动态监测，土壤中有机碳、无机碳以及化学组分含量检测，土壤空气CO2浓度动态监测的基础上，分析了大龙洞地下河系统的特征，以及流域碳酸盐岩溶蚀规律，用水化学径流法和野外溶蚀试验法分别对流域碳汇量进行计算。
　　大龙洞地下河系统具有典型的岩溶双层结构特征，补给方式以注入、渗漏和入渗的方式为主，具有天然流场状态，动态变化大。其地下水化学类型是HCO3-Ca型，pH值的变化范围为7.00～8.64，呈弱碱性。地下水中阳离子以Ca2+、Mg2+为主，阴离子以HCO3-为主，离子浓度呈季节变化，雨季时最低。流域[Mg2++Ca2+]/[HCO3-]摩尔比大多介于1与2之间，说明硫酸参与溶蚀碳酸盐岩对流域地下水化学组成的影响不显著。[SO42-]/[HCO3-]当量比平均为0.09，远低于硫酸参与碳酸盐岩溶蚀的理论值0.5，也表明硫酸参与流域碳酸盐岩的溶蚀作用微弱。水中溶解无机碳（DIC）随降雨量变化明显，2011年7、10月，2012年4-6月降雨多，DIC的含量也低。δ13C同位素含量范围为-6.76‰～-14.29‰，与DIC为负相关关系，相关系数R2=0.31447。雨季δ13C同位素偏轻，冬季偏重。
　　流域土壤中有机碳及其他化学组分的检测结果显示，有机碳在表层（0-20cm）含量高，平均1.764%，底层（20-50cm）含量低，平均1.014%；在灌草丛含量最高，为1.5%，林地含量最低，1.224%。流域土壤中化学组分以SiO2为主，占60%以上。对流域土壤空气CO2动态监测，随着剖面深度的增加，CO2浓度先增加后降低，且冬季（12月）浓度最低，平均4032.79ppm，夏季（7月）最高，平均18911.65ppm，季节性变化显著。流域内碳酸盐岩试片的溶蚀速率在50cm深度为47.764g/(m2·a)，较20cm深度44.141g/(m2·a)高。在林地内溶蚀速率为60.946g/(m2·a)，较其他土地类型内快，说明植被的正向演替可以加快岩溶溶蚀进程。此外，流域内灰岩岩性试片的溶蚀速率较白云岩试片的溶蚀速率快。分析土壤有机碳、化学组分、土壤空气CO2浓度对溶蚀作用的驱动，土壤空气CO2浓度较其他因子与试片溶蚀速率相关性显著。
　　水化学径流法和野外溶蚀试验法计算流域碳汇通量，二者由于计算方法不同，结果存在明显差异，前者单位面积年通量为36.046gCO2/（m2·a），碳汇量为83.33×102tCO2/a，后者为18.44gCO2/（m2·a），碳汇量为42.63×102tCO2/a，前者是后者的1.95倍。用水化学径流法计算时，碳通量受流域径流量和[HCO3-]离子的控制和影响；用野外溶蚀试验法时，流域CO2回收量受到流域碳酸盐岩溶蚀速率和岩石纯度的影响。流域内碱性土壤的存在，影响试片溶蚀速率，使用溶蚀速率计算CO2回收量时结果较用水化学径流法结果偏小。D3r灰岩试片在该流域单位面积CO2回收量为22.873g/（m2·a）,D3r灰岩分布区比其他碳酸盐岩碳汇能力更大。

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1.绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及创新点

1.4 技术路线

1.5 预期成果

2．研究区概况

2.1 自然地理

2.2 地质概况

3．大龙洞地下河系统特征及其研究方法

3.1 系统结构

3.2 补给径流排泄特征

3.3 样点分布及研究方法

4．流域水化学特征

4.1 常规水化学组分特征

4.2 主要离子含量特征及其影响因素

4.3 溶解无机碳（DIC）特征

4.4 小结

5．不同土地利用类型溶蚀速率及其影响因素

5.1 试片溶蚀速率特征

5.2 土壤有机碳特征及其对溶蚀速率的影响

5.3 土壤空气 CO2特征及其对试片溶蚀速率的影响

5.4 土壤中主要化学组分特征及其对溶蚀速率的影响

5.5 小结

6．流域岩溶作用碳循环强度及其碳汇估算

6.1 碳循环模式

6.2 碳汇计算方法与原理

6.3 大龙洞地下河流域碳汇计算

6.4 小结

7．结论

参考文献

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