冬春季青藏高原北麓河多年冻土活动层中气体CO2浓度分布特征

2005年1~5月在青藏高原北麓河附近的高寒干草原、高寒草甸和高寒草原3种典型草地上进行了不同深度土壤气体采样和CO₂浓度分析.结果表明:土壤剖面的土壤气体CO₂浓度呈现出上低下高的分布特征.在动态变化上,土壤中CO₂浓度在多年冻土活动层春季升温过程中出现一个峰值,经过短暂的降低后随夏季融化过程开始而升高.土壤剖面CO₂浓度与土壤有机碳、重组有机碳、轻组有机碳、水溶性有机碳、植物残体有机碳、微生物碳贮量和土壤温度呈明显的相关关系,在100 cm以上深度与土壤水分呈负相关关系.在整个观测期间,高寒干草原、高寒草原和高寒草甸植被下3种土壤剖面土壤气体CO₂浓度变化范围分别为1 052~3 050 mL·m^-3、3 425~39 144 mL·m^-3和984~12250 mL·m^-3,高于我国塿土CO₂浓度变化范围,也远远高于青藏高原五道梁地区高寒草原土壤气体CO₂浓度变化范围.石灰简育寒冻雏形土和石灰寒冻砂质新成土CO₂浓度变化范围低于国外报道的草地和农田CO₂浓度变化范围;石灰草毡寒冻雏形土CO₂浓度变化范围明显高于国外报道的草地和农田CO₂浓度变化范围.活动层冻结期,土壤CO₂的闭蓄作蓄作用比较明显.由于微地形导致土壤水分条件的差异,夏季融化过程各观测点土壤CO₂浓度开始升高时间存在差异.     

祁连山疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤CO2通量特征

研究青藏高原多年冻土区高寒草甸土壤CO₂通量有助于准确估算该区域的土壤CO₂排放, 对认识高原土壤碳循环及其对全球气候变化的响应具有重要意义. 利用静态箱-气相色谱法和LI-8100土壤CO₂通量自动测量系统对疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤CO₂通量进行了定期观测, 结合气象和土壤环境因子进行了分析. 结果表明: 整个观测期高寒草甸土壤表现为CO₂的源, 土壤CO₂通量的日变化范围为2.52～532.81 mg·m^-2·h^-1. 土壤CO₂年排放总量为1 429.88 g·m^-2, 年均通量为163.23 mg·m^-2·h^-1; 其中, CO₂通量与空气温度和相对湿度、活动层表层2 cm、10 cm、20 cm、30 cm 土壤温度、含水量和盐分均显著相关. 2 cm土壤温度、空气温度和总辐射、空气温度、2 cm土壤盐分分别是影响活动层表层2 cm土壤完全融化期、冻结过程期、完全冻结期、融化过程期土壤CO₂通量的最重要因子. 在完全融化期、冻结过程期和整个观测期, 拟合最佳的温度因子变化分别能够解释土壤CO₂通量变化的72.0%、82.0%和38.0%, 对应的Q₁₀值分别为1.93、6.62和2.09. 冻融期(含融化过程期和冻结过程期)和完全冻结期的土壤CO₂排放量分别占年排放总量的15.35%和11.04%, 在年排放总量估算中不容忽视.     

青藏高原高寒湿地CO2通量特征及影响因子分析

利用玉树隆宝湿地2015年的涡动相关系统观测资料,分析了高寒湿地CO₂通量的变化特征及影响因子。结果表明：玉树隆宝湿地生长季CO₂通量日变化呈倒单峰型,夏季日变化幅度大,冬季日变化幅度小。4-9月CO₂净交换量为负值,其余各月CO₂净交换量为正值。全年CO₂净吸收量为465 g·m^-2。白天CO₂通量随着光合有效辐射的增大而减小。CO₂排放量与土壤温度和气温日较差均呈正相关。高寒湿地土壤体积含水量对CO₂通量的影响很微弱。降雨事件发生后, CO₂排放量在短期内有所升高。各影响因子中,光合有效辐射对高寒湿地CO₂通量影响的相关度最高,其次为气温日较差,土壤温度,而土壤体积含水量对CO₂通量影响的相关度最低。     

慕士塔格夏季近地表大气CO2浓度变化特征

利用CIRAS SC型号的CO₂和H₂O分析仪, 对东帕米尔高原慕士塔格地区2003年夏季(6~8月)近地表大气CO₂浓度和水汽进行精确持续观测, 给出了我国内陆高原大气近地表 CO₂ 浓度夏季的变化特征. 观测表明, 该地夏季CO₂浓度呈整体下降趋势, 并因受陆地植被光合作用、呼吸作用和土壤微生物等的影响, 有明显的日周期变化. 在短时间尺度上, 其变化趋势与瓦里关站点观测结果基本一致, 与Mauna Loa站点观测结果差别明显. 通过考察当地 CO₂浓度与大气水汽的关系, 发现两者具有很显著的反相关性. 上述现象揭示, 慕士塔格近地表大气CO₂含量的变化不仅受植物光合作用的影响,同时大气中水汽的含量在控制CO₂含量方面起着重要作用.     

冻融作用对兴安型多年冻土区森林腐殖层土壤温室气体通量的影响

多年冻土区森林土壤是重要碳库，对于全球CO₂、N₂O和CH₄平衡具有重要意义，冻融循环是多年冻土区的重要特征，但冻融作用对不同林型腐殖土有机质分解和温室气体排放的影响需进一步研究。本研究对兴安落叶松林(针叶林)、白桦林(阔叶林)、兴安落叶松和白桦混交林(针阔混交林)三种林型的腐殖层土壤进行了42天的短期室内培养实验，探索冻融作用对土壤理化性质和温室气体排放的影响。结果表明，冻融导致森林腐殖层土壤溶解性有机碳(DOC)增加，针叶林、阔叶林和针阔混交林分别增加了314.8%、91.4%和43.2%，但冻融后短期内土壤有机碳分解的温度敏感性(Q₁₀)均明显下降，CO₂排放量在25℃时分别下降24.7%、36.4%和29.5%。同时冻融作用也降低了森林土壤吸收CH₄的能力，但没有发现对土壤N₂O排放产生明显影响。冻融作用短期内降低了森林土壤温室气体全球增温潜势(GWP)，其中对CO₂的抑制作用最为明显，阔叶林腐殖层土壤受...     

峰丛洼地表层岩溶动力系统季节变化规律

峰丛洼地表层岩溶动力系统与土壤CO₂密切相关.土壤CO₂体积分数变化受气温和降雨影响, 其季节变化特征表现为: 冬季的波谷、夏季的波峰交替出现, 秋季出现次波谷和次波峰.受降雨影响, 表层岩溶动力系统运行强度春、夏季较强, 秋、冬季较弱.从冬至夏, 在土壤CO₂逐渐增多时, 系统溶解、转移碳的能力也逐渐增强.在土壤CO₂和温度双重支配下, 系统由冬季的沉积趋势转为春、夏季的溶解趋势.      

疏勒河上游多年冻土区植物生长季主要温室气体排放观测

选取青藏高原东北部疏勒河上游多年冻土区的高寒草甸样地为研究对象, 对2011年植物生长季(6-10月)主要温室气体(CO₂、 CH₄CH₄和CO₂)的排放进行了观测. 结果显示: 疏勒河上游多年冻土区高寒草甸地表CO₂、 CH₄和N₂O排放速率范围分别为7.58~418.60 mg·m^-2·h^-1, -0.20~0.14 mg·m^-2·h^-1和-27.22~39.98 μg·m^-2·h^-1. 0~10 cm土壤温度、 含水量和盐分与CO₂和CH₄排放速率显著相关, 但与N₂O排放速率无显著相关. 日均排放速率显示, CO₂和N₂O在整个观测期均表现为排放; CH₄在植物返青期和生长旺盛期表现为排放, 在枯黄期伴随表层土壤发生日冻融循环时为吸收. 从9月30日12:00-10月6日14:40, 表层0~10 cm土壤经历了3次日冻融循环, CO₂和N₂O日均排放速率分别由冻融前的60.73 mg·m^-2·h^-1和9.91 μg·m^-2·h^-1提高到122.33 mg·m^-2·h^-1和11.70 μg·m^-2·h^-1. 土壤温度、 含水量和盐分是影响CO₂和CH₄排放的重要因子, 表层土壤冻融交替作用可提高地表CO₂和N₂O的排放速率.     

吐哈盆地北缘中侏罗世植物化石稳定碳同位素的古环境意义

新疆吐哈盆地北缘三道岭煤田中侏罗统西山窑组的植物化石属于Coniopteris-Phoenicopsis植物群的典型组合。从该植物群中挑选出优势属种,分别为似银杏、拟刺葵、枝脉蕨以及斯堪尼狭轴穗,对其进行稳定碳同位素分析。前3种为叶片化石,它们的δ13C值分布在-21.66‰~-23.83‰,属于典型的C3植物。最后一种为繁殖器官化石,其δ13C值为-20.91‰,比叶片的值高。将δ13C值根据公式转换为大气CO₂的δ13C_a值,发现基于银杏类叶片获得的现代和中侏罗世的δ13C_a值与其他方法获得的值相似。这说明银杏类叶片是重建地质历史时期δ13C_a的一类可靠植物,为今后研究中生代-新生代δ13C_a变化提供了一个简便而可行的方法。C_i/C_a比值是一重要的植物生理生态特征值,因此进一步将银杏类化石叶片的δ13C值换算成C_i/C_a。化石似银杏的C_i/C_a值为0.6,而现生银杏的C_i/C_a为0.63,二者相似。虽然三道岭地区中侏罗世的CO₂浓度约为现在的4.5倍,但是化石和现生银杏类植物的C_i/C_a值仍然保持恒定,表明银杏植物的气孔参数对CO₂变化比较敏感,是重建古CO₂浓度的良好指示植物。这也为判断一种植物能否用来重建古CO₂浓度提供了一种简便而有效的检测方法。     

贵州麻黄洞空气CO2与上覆土壤空气CO2相关性研究

CO₂作为岩溶作用的驱动力,在岩溶作用中起着关键作用。岩溶区特有的地上地下二元结构表明,洞穴系统作为地下空间的窗口,对其CO₂及δ¹³C_CO2研究是十分必要的。本研究对贵州绥阳麻黄洞上覆土壤空气CO₂、洞穴内部和外部大气参数以及CO₂浓度和δ¹³C_CO2进行了为期12个月的监测,监测结果表明:（1）麻黄洞洞穴空气和上覆土壤空气CO₂与δ¹³C_CO2均呈现出明显的时空变化规律,表现出雨季CO₂浓度高、δ¹³C_CO2偏轻,旱季CO₂浓度低、δ¹³C_CO2偏重的特征。（2）土壤CO₂是内源性CO...     

深部煤层CO2注入煤岩力学响应特征及机理研究进展

为揭示CO₂注入煤岩力学响应特征及机理,回顾了CO₂注入煤岩力学性质影响因素、CO₂注入对煤岩大分子-孔隙-裂隙结构改造作用和煤岩力学参数的统计模型、理论模型与智能预测模型.结果表明:CO₂注入煤岩力学性质受控于煤阶、CO₂压力、水分、围压和时间等因素,CO₂注入压力的增高、水的加入及时间的延长均会进一步降低煤岩力学性质,而围压对CO₂注入力学性能弱化具有一定改善作用.CO₂水溶液通过溶胀作用、萃取作用和塑化作用促使煤岩大分子结构重组,通过微晶结构改变、化学溶蚀和非均匀变形改造煤岩孔隙结构,通过化学溶蚀、膨胀应力和化学-应力耦合作用诱发煤岩结构损伤,均不同程度引起煤岩力学性能弱化.在CO₂注入煤岩力学参数预测模型中,类Langmuir模型、广延指数模型和修正的粘聚力模型具有明确的物理意义,而智能预测模型具有更高的预测精度,预测准确度可达99%以上.本次研究为科学评价CO₂-ECBM安全性和促进深部煤层CO₂高效注入奠定了理论基础.      

广西渐新世宁明组三种植物碳同位素与古气候分析

渐新世代表地球一个早期的“冰室”期,是地球气候演化和生物演替过程中一段特殊的时期。渐新世植物化石的碳同位素可为研究该时期的古气候提供依据。对广西渐新世宁明组三种植物及其最近现生亲缘种的碳同位素进行分析,化石种Buxus ningmingensis,Chuniophoenix slenderifolia和Cephalotaxus ningmingensis的碳同位素组成（δ13C）分别为-29.0‰,-28.3‰,-28.0‰;碳同位素分馏（Δ13C）分别为23.48‰,22.74‰,22.43‰;叶内细胞间和外界大气的CO₂分压比（C_植物/C_空气）分别为0.84,0.81,0.80;水分利用效率（WUE）分别为42.63μmol CO₂/mol H₂O,51.56μmol CO₂/mol H₂O,55.38 μmol CO₂/mol H₂O。其对应的最近现生亲缘种（NLRs）的δ13C分别为-27.9‰,-29.7‰,-28.8‰;Δ13C分别为20.47‰,22.36‰,21.42‰;C_植物/C_空气分别为0.71,0.79,0.75;WUE分别为72.22 μmol CO₂/mol H₂O,51.28μmol CO₂/mol H₂O,61.76 μmol CO₂/mol H₂O。化石种δ13C值均落在现代C₃植物相应的数值范围内,其Δ13C和C_植物/C_空气均高于相应的NLRs数值;而Buxus ningmingensis和Cephalotaxus ningmingensis的WUE低于相应的NLRs数值;其中Chuniophoenix slenderifolia的WUE稍高于相应的最近现生亲缘种C. hainanensis,推测可能与其NLR标本的母本植物生长在水源充足、空气潮湿的湖溪边湿地环境有关。基于Δ13C、C_植物/C_空气和WUE结果,推测化石种可能生活在一种比现在更为温暖湿润的气候环境中;化石种及同层位化石的古气候重建支持了当前古气候分析结果。     

高寒湿地生态系统土壤有机物质补给及地-气CO2交换特征

海北高寒湿地植物地上、地下生物现存量较高,2004年海北高寒湿地植物净初级生产力为1799.7 gC·m^-2.由于家畜对湿地植物采食量低,每年将有大量的枯黄植物残留于地表,表现出地上、地下生物量以及苔鲜均成为土壤有机物质的补给源.由于区域温度低,积水严重,对植物残体分解缓慢,导致湿地土壤有机质含量很高,形成了厚达2 m左右的泥炭层.观测结果表明,海北高寒湿地净生态系统CO₂交换量具有明显的季节变化,年内4月和10月存在两个CO₂释放高峰期,夏季的7~8月为一个强吸收期,全年来看为一个巨大的碳源.2004年净生态系统年碳交换量为76.7 gC·m^-2.计算结果表明,植被的呼吸消耗量每年为1199.8 gC·m^-2,其植物总固碳量为2999.5 gC·m^-2,而土壤呼吸为1876.4 gC·m^-2.     

典型电厂海洋CO2地质储存场地选址适宜性评估

我国华东和东部沿海地区分布有大量的火电、水泥和炼油等CO₂排放源,但由于距离陆域大中型沉积盆地较远,限制了规模化的深部咸水层CO₂地质储存工程选址。本文以华能玉环电厂为实例,开展了东海陆架盆地瓯江凹陷场地选址适宜性评估。通过瓯江凹陷CO₂地质储存地质条件分析,初步圈定出了发育有利储盖层的目标靶区,并依次开展了地质安全性和经济适宜性分析。利用碳封存领导人论坛潜力评估公式,计算了目标靶区推荐储层的单位面积储存潜力;并在构建综合储集条件、地质安全性条件和经济适宜性条件的指标体系基础上,开展了GIS多源信息叠加评估,在丽水西次凹内筛选出两处较好的场地。研究对开展该区海域CO₂地质储存选址具有一定的探索意义。     

青藏高原东北缘小水子地区晚中新世-上新世生态演化及其意义

晚中新世-上新世古生态演化是探讨构造-气候-生态环境相互耦合作用的热点议题,该时段不同区域C₄植物是否发生大规模扩张及其在时空维度上如何演化等问题尚存争议。以青藏高原东北缘小水子红黏土为研究对象,基于总有机碳同位素重建了小水子地区晚中新世-上新世（6.7~3.6 Ma）的植物生态型,并结合周边结果对C₃/C₄植被时空演化进行综合对比研究。研究表明：小水子地区晚中新世-上新世以C₃植被为主（平均丰度95%）,伴生小部分C₄植被;C₄植被在空间上以六盘山为界呈现东多西少模式,南北方向上在37°~38° N范围内达到峰值;从时间演化序列上来看,4 Ma前小水子地区生态演化与黄土高原大致相同,晚中新世C₄植被含量较高、C₃植被含量较低,上新世早期C₄植被减少、C₃植被增多,大气CO₂浓度与区域降水变化可能是植被演化的主要影响因素;4 Ma左右夷平面区域构造活动可能导致了小水子地区C₄植被差异性演化。     

The Influence of Allogenic Water and Sulfuric Acid to Karst Carbon Sink in Karst Subterranean River in Southern Hu’nan

Evaluating the impact of allogenic water and sulfuric acid on karst carbon sink not only helps to improve the accurate calculation of soil CO₂ uptake by rock weathering, but also obtains a complete understanding of the global carbon cycle. Groundwater samples were collected from four karst subterranean rivers watershed within different lithology strata in Wushui Basin, upstream of Beijiang Basin, Hunan Province, for revealing the important impact of silicate weathering on hydrochemistry of groundwater. To estimate the contribution of soil CO₂ uptake by silicate weathering to CO₂ uptake by rock weathering, the Galy model was employed in this article. The important impact of sulfuric acid on CO₂ uptake by carbonate weathering resulting from the substitution of carbonic acid by protons from sulfuric acid was investigated. Our results showed that the concentration of Na⁺, K⁺ and SiO₂ in L01,L02 subterranean river with silicate strata in watershed were higher than that in L03,L04 subterranean river without silicate strata in watershed, which implied that the contribution of silicate weathering to Na⁺,K⁺ and SiO₂ was very important in watershed within silicate strata . The changeable equivalent ratio between (Ca²⁺+Mg²⁺) and HCO₃^- was 1.05 to 1.15, and the value of [Ca²⁺+Mg²⁺]/[HCO₃^-+SO₄^2-] was 0.99 to 1.08. The concentrations of Ca²⁺ and Mg²⁺ exceeded the equivalent concentrations of HC₃^-, and the excess of Ca²⁺ and Mg²⁺cations were compensated by SO₄^2-, which suggested that sulfuric acid has an important influence on carbonate dissolution. The contribution of soil CO₂uptake by silicate weathering to CO₂ consumption in L01 and L02 subterranean river were 3.36% and 2.22%, respectively, whereas the contribution in L03, L04 subterranean river were less than 0.50%, indicating that the contribution of soil CO₂ uptake by silicate weathering was important in the subterranean river basin within silicate strata. Due to the contributions made by sulfuric acid, the CO₂ consumption in four subterranean rivers decreased by 4.84%, 4.52%, 6.20%, 9.36%, respectively.     

2012—2013年重庆雪玉洞洞穴系统碳循环特征

重庆雪玉洞洞内CO₂浓度之高,在国内外皆罕见,但此洞穴系统碳循环特征及控制因素仍不清楚.利用土壤二氧化碳分压(P_CO2-soil)、洞内大气二氧化碳分压(P_CO2-cave)、地下河水二氧化碳分压(P_CO2-eq)、方解石饱和指数(SIc)、地下河水溶解无机碳同位素(δ13C_DIC)等指标来研究雪玉洞洞内CO₂浓度变化、控制因素以及地下河对洞内碳循环的影响.结果表明:雪玉洞上覆P_CO2-soil雨季高,旱季低;降雨量是控制上覆P_CO2-soil的重要因子.雪玉洞P_CO2-cave变化规律明显,暖季高,冷季低;温度变化导致洞内外气流频繁交换是P_CO2-cave突变的重要原因,地下河水CO₂脱气能够在短时间内让P_CO2-cave上升到较高值.雨季由于土壤CO₂效应,地下河水具有低SIc、高P_CO2-eq特性,矿化度较高,并且部分月份地下河水具有溶蚀性;旱季由于土壤CO₂效应及降雨较少,地下河水呈现高SIc、低P_CO2-eq特性,矿化度较低,以沉积为主.      

近2 Ma BP以来地球轨道参数周期上全球海平面变化机制

海平面的变化往往对区域生态环境、社会经济造成严重影响.通过对全球相对海平面变化(relative sea level,简称RSL)记录的再分析结果,合成了近2 Ma BP以来的全球RSL变化记录,分析了合成RSL记录对原始RSL记录数理特征的继承性,并基于频谱、滤波等数理分析验证了合成RSL记录的合理性.在此基础上,讨论了合成RSL与大气CO₂浓度、中高纬度海域表层海水温度(sea surface temperature,简称SST)、全球大洋底栖氧同位素(δ18O_B)等参数指标间的相关性,结果显示:(1) 合成RSL不仅与原始RSL记录的变化趋势基本一致,继承了原始RSL记录对全球气候变化的响应特征,而且显示出合成RSL记录对地球轨道参数周期变化响应明显;(2) 近2 Ma BP以来,在冰期-间冰期旋回中,合成RSL与δ18O_B变化呈良好的负相关,相关系数r平均值可以达到约0.81,高于合成RSL与大气CO₂浓度及中高纬度海域SST变化的相关系数;(3) 在地球轨道参数周期上,合成RSL与极地冰盖体积(δ18O_B)的变化几乎同时,在偏心率周期上,合成RSL落后于SST和大气CO₂浓度变化;在斜率周期上,合成RSL落后于SST变化而领先于大气CO₂浓度变化.推测这些变化的诱导因素可能是在太阳辐射量改变的前提下,大气CO₂浓度及大洋SST变化对极地冰盖体积产生了差异影响,进而引起海平面发生变化.      

泄漏情景下碳封存项目的环境影响监测技术方法

CO₂环境影响监测技术作为碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)体系的重要组成部分,贯穿整个储存过程,决定着CCUS工程的成败,对CCUS工程的有效性、持续性、安全性及碳减排效果的评估发挥着举足轻重的作用。为确保碳封存项目安全可靠运行,需要对环境影响、地层响应和CO₂地下运移等多个监测指标开展全流程测量和监控。不同监测阶段、不同监测指标下CO₂环境影响监测的重点会有所不同,相应的监测技术组合也略有差别。围绕地质封存中CO₂泄漏监测及泄漏源监测识别问题,系统剖析了CO₂环境影响监测技术的特点和应用场景,阐述了不同监测阶段、不同监测指标下CO₂环境影响监测技术方法的研究进展,总结了不同泄漏情景下CO₂环境影响监测技术方法的选择及其在实际应用中面临的问题,认为实时连续的监测设备研发、“大气-地表-地下”立体化快速监测技术体系以及长期有效的CO₂监测管理系统构建将是CO₂环境影响监测技术的发展方向。可为未来开展百万吨级碳封存工程的环境影响监测提供参考和借鉴。