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岩溶动力系统对气温、降水和土壤CO_2变化的敏感性

陈宇  
【摘要】:碳酸盐岩的化学风化作用可以从大气吸收一定量的CO_2,是全球碳循环中的重要环节。己有研究认为碳酸盐岩风化过程中产生的HCO3-有一半来自大气和土壤CO_2,而另一半则源自碳酸盐岩本身。长期的岩溶作用过程持续消耗着大气和土壤空气中的CO_2,并将其转化为溶解态的HCO3-随径流进入海洋,使岩溶作用与全球碳循环建立了密切的联系。同时岩溶作用对包括气候、降水在内的外界环境的变化有着快速而敏感的响应,这些变化可通过改变土壤CO_2含量而影响岩溶地质碳循环过程与碳通量的变化。因此,研究岩溶地质作用对气温降水变化、土壤CO_2浓度等环境因素的响应对完善全球碳循环模型、解决遗漏汇问题以及掌握全球环境变化与地球圈层的相互作用等具有十分重要的科学意义。此外,通过对气候变化影响下的岩溶作用碳通量变化的研究,也可以揭示岩溶地质碳循环对气候变化的响应机理,有助于准确估算岩溶作用对大气CO_2减排的效应,探索岩溶地区CO_2减排新途径。本研究以重庆丰都雪玉洞地下河流域为研究区,收集了雪玉洞流域2009-2015年的气候、水文和地下水水质水量的历史数据,分析气候各要素与碳酸盐风化过程碳通量变化之间的相互关系;综合考虑水-岩-土-气-生之间的相互影响与相互作用,利用高精度的自动化仪器在线监测雪玉洞岩溶流域的降水、气温,土壤温度、湿度和CO_2浓度,以及地下水水温、p H、电导率、流量和CO_2分压,测试分析地下水化学指标(包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-等常规离子),以及植被、土壤CO_2和地下水DIC的δ13C值,研究地下河中DIC和外源酸的来源;利用水化学-流量法计算碳通量,在此基础上研究流域尺度的碳酸盐风化过程与碳通量对气候变化的响应。研究结果表明雪玉洞地下河水文地球化学指标的变化幅度在不同时间尺度上随着环境要素的变化表现出不同的变化规律,其变化规律在幅度上表现为:暴雨尺度季节尺度年际尺度昼夜尺度。气温、降水和土壤CO_2是影响水化学变化的主要因素。在昼夜尺度上地下河水文地球化学指标(主要是p CO_2)变化的主导因素是气温与土壤CO_2浓度。而不同季节气温波动幅度的不同又导致了不同季节水化学昼夜波动幅度的差异。尽管该尺度下气温的变化幅度较大,但与土壤CO_2浓度直接相关的土壤温度变化幅度很小,同时地下河水化学指标的波动幅度也是各个时间尺度中最小的。在暴雨尺度上,地下河水文地球化学指标变化的主导因素是降水,而不同降雨条件下水化学变化过程的差异是由于不同降雨强度之间的差异导致的。在暴雨过程中降水量的变化幅度很大,同时水化学指标的变化幅度也是各个尺度中最大的。在季节尺度上,地下河水文地球化学指标变化的主导因素是气温、降水与土壤CO_2的浓度。该时间尺度的气温波动是各个尺度中最大的,同时降水量与土壤CO_2浓度的波动幅度也较大,但由于时间跨度较大,使得该时间尺度地下河水化学指标的变化幅度小于暴雨尺度。在年际尺度上,地下河水文地球化学指标变化的主导性因素是气温和降水。虽然该尺度上的气温波动幅度是各时间尺度中最小的,但由于降雨量变化幅度极大,使得地下河水化学指标的变化幅度居于昼夜尺度与季节尺度之间。根据对2015年7月到2016年6月雪玉洞水样所做同位素测试的结果,可知其δ13C值在一年中的波动范围为-15.23‰~-9.51‰,其中在4、5、6、8、9月的值与土壤CO_2溶于水后的δ13C的理论值接近,表明此时在雪玉洞岩溶动力系统碳酸盐岩溶解过程中消耗的CO_2主要来源于土壤。此外,根据每月实测的量浓度,非外源酸溶蚀产生的HCO3-在总量中的平均比例为88%。综合以上结果对雪玉洞地下河流域2009年1月至2015年12月DIC通量进行了估算,并分析了其与其他要素之间的关系。结果显示雪玉洞地下河的在研究期内的平均碳汇通量约为1.00 g/s,平均每年产生碳汇约为31.54 t,平均每月约2.63 t。碳汇通量较高的月份主要是5、6、9三个月份,其中最大值出现在6月,高达2.40g/s;1、2、12月的碳汇通量较少,其中最小值出现在2月,仅为0.30 g/s,全年最大月平均碳汇通量是最小月平均碳汇通量的8倍。月平均碳汇通量与月平均降水量、月平均径流量之间存在着很好的同步关系,且都在6月出现最大值,2月出现最小值。雪玉洞地下河的[HCO3-]受气温、降水以及土壤CO_2浓度的综合影响,月碳汇通量的最大值与[HCO3-]的最大值在时间上存在很大差异,这是由降水量变化造成的径流量变化带来的稀释作用引起的。雪玉洞地下河的碳汇通量主要取决于径流量这一影响因素,与径流量成正比。而地下河的径流量又主要受降水量的影响,因此降水量是控制雪玉洞地下河碳汇通量变化的主导因素。


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