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《中国地质大学(北京)》 2017年
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黄土典型堆积区包气带土壤CO_2的变化特征、成因机制及其碳循环意义

宋超  
【摘要】:土壤深层(1 m)碳库的周转速率及其碳循环机制日益受到关注。我国北方黄土高原与南方岩溶区一样,也属巨大的碳库。然而目前对黄土碳库的研究主要集中在地表,黄土深层碳库尤其是针对包气带-饱水带(~100 m)的研究很少。深层黄土碳库及其碳循环是一个水-土-气-生相互作用的复杂的生物地球化学循环,这一循环中涉及诸多的科学问题。土壤CO_2是水-土-气-生相互作用下碳循环的重要纽带。基于此,笔者在甘肃省灵台县秋射村建立了黄土深层碳循环野外观测试验场。利用便携式气体监测设备对黄土包气带土壤CO_2浓度特征及其向大气碳库的迁移通量进行了较为详细的观测,通过相关样品的测试分析以及碳同位素技术查明了CO_2的成因机制,并结合黄土剖面出露泉水的水化学及其H、O和C同位素组成、地下水微生物种群结构特征,初步研究了黄土深层碳循环机制及其潜在的碳汇效应。研究表明:(1)不同黄土-古土壤层位土壤CO_2的浓度有所差异,包气带-饱水带界面附近夏季的CO_2浓度观测结果最高,达6970μL/L,但其经黄土剖面向大气碳库进行侧向扩散的迁移通量较小。土壤CO_2的δ~(13)C主要集中在-21.3‰~-15.4‰之间,与1/[CO_2]成正相关,表明黄土CO_2除来源于微生物分解土壤有机碳外,可能也与碳酸盐矿物-CO_2-H_2O化学平衡体系中碳酸盐沉淀的脱气作用有关。经估算微生物降解有机碳对土壤CO_2的贡献比例平均为65%,碳酸盐矿物风化/沉积过程对土壤CO_2的贡献比例平均为35%,有机碳的贡献随深度递减,碳酸盐矿物沉积过程的贡献随深度递增。(2)黄土泉水和井水的δ~(13)C-DIC值大约在-8.9‰~-9.3‰,其偏正的δ~(13)C与碳酸盐风化-沉积过程中反复的碳同位素交换有关。根据计算得到研究区的碳酸盐风化碳汇为2.82mmol/L。(3)基于高通量测序的技术进行的区内地下水中微生物种群结构研究结果表明,研究区地下水中的微生物种群极其丰富,其优势种群属于化能自养微生物,通过参加Calvin循环吸收CO_2。这表明地下水中的可降解有机碳很少,其中的化能自养微生物需要通过吸收CO_2或无机碳来满足自己所需的碳源。因此,在年际时间尺度内,黄土深层土壤碳库也是较为活跃的碳库,其通过降雨-入渗-排泄过程及黄土剖面的侧向气体排泄(主要是CO_2)与大气进行着密切碳交换。黄土浅层含水层中化能自养微生物极有可能具有微生物碳汇效应。
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S151.9

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