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雪玉洞上覆土壤CO_2变化及其对滴水水化学特征的影响

曾泽  
【摘要】:岩溶动力系统三相不平衡的开放性质使其对外界环境变化极其敏感。研究岩溶动力系统中CO_2的运移及转化机制,量化系统内碳的输入和输出,对解决碳循环中“陆地剩余碳汇”具有重大的理论意义。作为岩溶动力系统的输入端,土壤CO_2是整个系统物质能量转移的驱动力与重要的物质来源,其浓度的变化一方面影响岩溶作用的强度与碳汇效率,改变岩溶水体的水化学特征,另一方面也决定了土-气界面的CO_2分压差,直接影响到土-气界面的CO_2输出通量。研究岩溶区土壤CO_2浓度的变化特征及下层洞穴滴水水化学特征,对了解岩溶动力系统的驱动机制和过程,完善岩溶地区碳循环模型都有十分重要的科学意义。本研究以重庆雪玉洞为研究区,在2015年2月到2018年1月期间利用高精度的自动化仪器在线监测雪玉洞流域的降水、气温、上覆土壤的CO_2浓度、土壤温度、土壤湿度,利用基于菲克第一定律的浓度梯度法计算土壤CO_2通量,测试分析洞内四处滴水点的水化学指标(包括Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-等常规阴阳离子和EC、pH、pCO_2、SIc等地球化学指标),综合考虑水-岩-土-生-气之间的相互作用与相互影响,探讨了CO_2浓度及通量在昼夜尺度、季节尺度以及不同强度的降雨事件中的变化规律与影响因素,并就洞内滴水点水化学对土壤CO_2浓度的响应过程进行了分析。研究发现:(1)在昼夜时间尺度上,不同季节土壤水热条件的差异及昼夜波动幅度的不同导致土壤CO_2浓度及通量呈现出不同的昼夜变化规律及波动幅度。在春秋两季,土壤CO_2浓度及通量变化的主要影响因素是土温,常与土温协同变化;在夏季,根呼吸组分的增加使CO_2浓度及通量受制于光合作用固定的“新碳”的转移过程,常滞后于土温变化;在冬季,由于低温的限制作用使CO_2浓度及通量并无明显变化特征。(2)在降雨事件中,不同的降雨强度使CO_2浓度及通量的变化规律与波动幅度并不一致。除在大雨事件中土壤CO_2浓度出现短暂降低外,降雨事件整体上都促进了CO_2浓度的上升,其上升速率与降雨强度成正比;而CO_2通量则都在降雨事件中出现了突降现象,其降低幅度与降雨强度成正比。基于主成分回归模型发现在降雨事件中,土壤湿度是引起土壤CO_2浓度与通量变化的主要影响因素,且随着降雨强度的增大,土壤湿度的这种主控作用也在增强。由于雨水携带CO_2下渗参与岩溶作用,土壤CO_2通量在雨后的恢复能力并不如非岩溶区,三次降雨事件后土壤CO_2通量都未超过雨前水平。(3)在季节时间尺度上,水热同期的气候特征使土壤温湿度、土壤CO_2浓度及通量都具有雨季高旱季低的季节变化特征,但不同季节间土壤CO_2浓度及通量的主控因素并不同。在每年的旱季期间,土温是CO_2浓度及通量的主要影响因素,两者常与土温协同变化。而在雨季期间两者则受到土壤温度与湿度的共同影响,土温对CO_2浓度、CO_2通量的影响存在阈值,小于该值时,土温表现为促进作用,大于该值时,土温表现为抑制作用。土壤湿度的增加则总能促进土壤CO_2浓度的增加,然而它对土壤CO_2通量也存在“双向”控制作用,且只有在土壤湿度15%或26%时,土壤湿度才是控制CO_2通量变化的主要因素。(4)洞穴不同滴水点的Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-等离子浓度和EC、pH、pCO_2、SIc等地球化学指标均对土壤CO_2浓度的变化有良好的响应,土壤CO_2浓度的上升引起滴水的pCO_2、Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-、EC上升以及pH、SIc下降。但作为指示外界干湿变化的关键指标,Mg/Ca比在“稳定”滴水点中具有明显的季节变化特征,而“敏感”滴水点的Mg/Ca比则全年稳定。与此相反的是雨季的高强度降雨使“敏感”滴水点的离子浓度表现出稀释效应,而“稳定”滴水点的离子浓度则相对稳定,这表明滴水在下渗的过程中由于运移路径的不同导致其经历PCP作用以及稀释作用的强度存在差异,使不同滴水点的水化学指标在特定时期内对上覆土壤CO_2的变化存在差别响应。


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