岩溶碳汇的主控因子——水循环

精确地计算岩溶碳汇量,有助于全球碳循环模型理论的进一步完善。因而在实际工作中,排泄量和HCO^-₃质量浓度是岩溶碳汇监测评价的主要指标。选取贵州茂兰国家级自然保护区的板寨河流域为研究对象,基于自动化在线监测技术,获取了该域排泄量及水化学指标的实时监测数据。对比分析暴雨期、无或弱降水期以及枯水期等不同降水条件下HCO^-₃质量浓度、流域排泄量及岩溶碳汇量的动态过程曲线,发现流域排泄量与岩溶碳汇量呈良好的正相关关系,而与HCO^-₃质量浓度则呈负相关。这说明相比地下水中HCO^-₃浓度,流域排泄量才是影响岩溶碳汇的主控因素,同时也说明水循环方式是影响岩溶碳汇的主控因子,即流域排泄量愈大,流域内岩溶作用对大气CO₂形成的“汇”值愈大。     

利用水化学方法识别岩溶水文系统中的径流

通过暴雨中的野外观测,确认了桂林丫吉试验场S31泉岩溶水文系统中多种径流形式：表层岩溶带管道流、回归流、坡面流和壤中流。现场测量发现不同形式径流的水化学特征(pH、电导率、Ca²⁺、HCO^-₃)存在差异,Ca²⁺的质量浓度相差最大可以达到3倍。从CaCO₃-H₂O-CO₂平衡体系来看,CO₂分压（p_CO2）对径流的水化学特征具有控制作用。在大气p_CO2影响下的岩溶水矿化度较低,而土壤空气p_CO2达到2.7%,是大气的近百倍,其影响的径流矿化度较高。鉴于大气中和土壤中p_CO2的显著差异,从水化学特征上将径流分为2类,并且认为它们构成了系统出口洪水的2个主要来源。在此基础上利用水化学方法计算出S31岩溶泉洪水时的径流构成。结果表明,在暴雨的情形,由大气p_CO2环境产生形成的岩溶水的比例占到泉水总量的70%,进一步证明了快速流在岩溶水中的重要作用。     

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.      

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...     

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.     

湿润亚热带典型白云岩流域的岩溶无机碳汇强度

岩溶作用积极参与全球碳循环过程,进一步弄清岩溶碳汇机制对于精确评估碳循环过程意义重大。中国碳酸盐岩分布面积广大,尤以西南地区最为广泛与集中,虽然本区已开展了较多以石灰岩为主流域的岩溶碳汇研究,但是与白云岩流域相关的研究较为薄弱,这不利于精确评价中国岩溶碳汇潜力和服务于国家碳中和战略。为此,本文以中国西南岩溶区内具代表性的贵州施秉黄洲河白云岩流域作为研究区,对湿润亚热带典型白云岩小流域的水-岩-气相互作用及其无机岩溶碳汇进行了为期1年(2018年5月至2019年5月)的水文水化学自动监测研究。获得了黄洲河白云岩流域的降雨量、流量、水温、电导率、pH值等高时间分辨率的连续监测数据,并采用化学热力学模型计算了方解石与白云石饱和指数及河水中CO₂分压等水化学指标。结果显示:(1)该白云岩流域属典型的山区雨源型河流,洪水流量过程虽然呈现显著的暴涨暴落特征,但是流域出口河水的化学动态仍受水化学稳态行为的控制;(2)流域上游高原面上浅切割地表河两侧发育溶隙型含水介质,中下游排水系统为地表河,由于地表河水中CO₂的释放,使该流域出口河水的方解石饱和指数较高,并伴有河床钙华沉积;(3)采用白云石开放系统化学热力学模型,结合不同土地利用类型的土壤CO₂数据,计算出泄流于地表河的岩溶地下水 {\mathrm{HCO}}_3^{-}浓度为5.1 mmol/L,该值要高于黄洲河出口河水 {\mathrm{HCO}}_3^{-}平均浓度16%,表明该岩溶流域内的地表河因受紊流脱气和水生生物光合作用的影响,水中的溶解无机碳有所降低;(4)由水化学-径流法准确计算了该白云岩流域的岩溶碳汇通量(以CO₂计),为36.43 t/(km²·a),该值并未显著高于中国南方其他碳酸盐岩流域的岩溶碳汇通量,表明白云岩流域覆被中CO₂浓度仍与流域径流量呈反比关系,这两个主控因子的共同作用,使湿润亚热带岩溶流域的岩溶碳汇通量不至于发生较大变化。     

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。     

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.      

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.     

石漠化治理对土壤中CO2、CH4变化特征及碳汇效应的影响

为探究石漠化治理对土壤中CO2、CH4变化特征及碳汇效应的影响,采用气相色谱法对重庆市南川石漠化治理示范区土壤中CO2、CH4浓度进行观测,结合土壤温度、土壤含水率、土壤容重和土壤有机碳对石漠化治理区（试验区）和对比区（未经过石漠化治理的荒草地）进行研究,并用溶蚀量数据估算岩溶区碳汇量。结果显示:土壤中CO2浓度随土壤深度的增加先增加后减小,变化范围为393～7 400 mg·L-1;而土壤中CH4浓度随土壤深度的增加先减小后增大,变化范围为1.13～3.42 mg· L-1。试验区土壤中CO2浓度均值为2 131 mg· L-1,CH4浓度均值为1.94 mg· L-1 ;而对比区土壤中CO2浓度均值为2 338 mg· L-1,CH4浓度均值为2.10 mg·L-1。土壤温度、土壤有机碳与土壤中CO2浓度变化趋势呈显著正相关关系,而与土壤中CH4变化趋势呈显著负相关关系,说明土壤温度和土壤有机碳是影响土壤中CO2、CH4浓度的主要因素;土壤温度与土壤中CO2浓度呈正相关关系且相关性随石漠化治理而变弱,说明经过石漠化治理土壤温度对土壤中CO2浓度的影响减弱。试验区岩溶试片溶蚀速率大于对比区,且经过石漠化治理,由岩溶作用产生的碳汇可提高0.66～9.42 t·km-2·a-1 ;说明石漠化治理对于岩溶区碳汇起到了促进作用。      

西江流域水文水化学因子对岩溶系统碳汇通量的影响分析

河流岩溶碳汇通量的研究对于掌握全球碳循环机制、寻找"遗漏碳汇"具有重要意义。水文地质特征是岩溶动力系统的重要单元,为了分析河流岩溶碳汇在通量、长时间尺度的变化,本文选取受湿润季风气候影响显著的西江梧州断面为研究对象,探讨了2011~2015年西江流域流量、水位、本地降水量、水温、pH值、电导率、Ca~(2+)和HCO_3~-浓度等水文水化学因子对岩溶碳汇通量的影响。结果表明:1岩溶碳汇通量与流量、水位的相关系数均在0.95以上,岩溶碳汇通量与流量达到了同步变化,岩溶碳汇通量与水位良好的相关关系则是通过水位对流量响应表现出来;降水通过不同方式进入河流直接改变地表径流状况,进而影响岩溶碳汇通量。2水温对岩溶碳汇通量的影响与西江流域雨季与夏季在同一时间段的气候特点有关,属于次要因子。3监测点水体常年呈弱碱性,pH值对岩溶碳汇通量的影响较弱;电导率、Ca~(2+)和HCO_3~-浓度主要受流量影响,对岩溶碳汇通量变化的影响甚微。由此推断,流量是岩溶碳汇通量的主控因素。     

典型表层岩溶泉水短时间尺度动态变化规律

通过多功能自动化监测记录仪CTDP300,对金佛山表层岩溶泉碧潭泉物理化学性质的昼夜变化过程进行了研究.短时间尺度监测表明,岩溶动力系统对环境变化比较敏感,响应及时,水的物理化学性质昼夜动态变化在不同气候条件下有不同表现.在无雨条件下,水温的变化与气温基本一致,电导率峰值区滞后温度数小时,这可能与植被从光合作用向呼吸作用转变导致大气CO₂浓度产生较大的梯度变化有关,而这种梯度十分有利于岩溶作用的进行,但由于植被覆盖和地质构造等因素的差异,滞后时间有较大不同;在暴雨期间,虽有植被和土壤的阻挡和调蓄作用,降雨对碧潭泉岩溶水还是有较强的稀释作用,但开始降雨后数小时左右,表层岩溶带高裂隙率和渗透性开始发挥作用,水动力作用和CO₂效应逐渐占主导地位.     

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.     

苏北盆地层状盐穴储气库CO2封存数值模拟研究

地下盐岩溶腔是CO₂封存的有效地质体,CO₂沿盐岩软弱夹层和盐层-夹层交界面泄漏是制约地下盐岩溶腔CO₂安全封存的关键。以苏北盆地金坛地区CO₂盐穴储气库为研究对象,建立了层状盐穴储气库CO₂封存的流-固耦合数学模型,分析了盐岩及泥岩夹层中CO₂运移泄漏规律及其对CO₂安全封存的影响,并探讨了盐岩及泥岩夹层渗透率的动态响应特征。结果表明：渗透率是决定盐岩层中CO₂运移速率和泄漏范围的关键,在其影响下,相同封存时间内泥岩夹层中CO₂运移速率和影响范围远大于盐岩,但随封存时间延长,盐岩和泥岩夹层中CO₂运移速率和压力增幅均呈降低趋势,并随着CO₂压力传播至模拟边界而趋于稳定。渗透率动态变化是上覆地层压力负效应与盐岩层中CO₂压力正效应共同作用的结果,并受盐岩和泥岩夹层力学性质的影响。CO₂封存时间<3 ...     

江苏泗阳城区浅层地下水化学特征及其影响因素

根据现场取样分析,对江苏泗阳城区浅层地下水水文地质特征、水化学组分在空间上的分布特征进行了研究,并对其形成特点和影响因素进行探讨。结果表明：研究区浅层地下水水化学类型呈现明显的平面分带性,京杭运河西南侧浅层地下水阴离子中HCO^-₃占主导地位,溶解性总固体(TDS)多小于1 g/L,总硬度小于450 mg/L,水质一般较好;京杭运河东北侧浅层地下水阴离子以HCO^-₃、Cl^-、SO^2-₄为主,TDS多介于1~3 g/L,总硬度大于450 mg/L,为微咸水,水质变差。研究区NH⁺₄-N、NO^-₃-N污染较明显,空间分布具有明显的地域性差异;高浓度分布在京杭运河两岸以及泗阳农场一带,纵向上NH⁺₄-N高浓度主要集中在小于18 m的浅层地下水,NO^-₃-N多在8~20 m的浅层地下水富集。研究区浅层地下水水化学组分现状特征及其差异性的形成与演化,受海陆交互相沉积环境、含水介质、地下水补径条件以及人类活动等因素的影响。     

酸雨对桂林枯水期岩溶地下水δ13CDIC及碳汇效应的影响

定量评价硫酸对岩溶碳汇效应的影响有助于提高岩石风化碳汇通量估算精度, 对当前全球气候变化研究意义重大.选取受酸雨影响的桂林岩溶区为研究对象, 在枯水期对研究区14个岩溶大泉和15条地下河水化学成分和碳同位素进行了测试分析, 结果表明: 岩溶大泉和地下河中阳离子以Mg2+和Ca2+为主, 阴离子以HCO₃-为主, 分别占阳离子和阴离子组成的90%以上, SO₄2-含量较低, 其含量范围为0.004~0.213mmol/L; 所占阴离子组成比例为0.12%~6.11%;δ13C_DIC、[Ca2++Mg2+]/[HCO₃-]更偏向于碳酸溶解端元, 离硫酸溶解端元距离远, 证实硫酸参与碳酸盐岩的溶解对地下水无机碳(dissolved inorganic carbon, 简称DIC)及δ13C_DIC的影响有限; 与Sr2+/Ca2+值一样, δ13C_DIC主要受径流条件控制, 其大小可以反映地下水径流条件的强弱.利用化学计量关系计算出由硫酸溶蚀碳酸盐岩的平均比例为22.64%, 产生的DIC(HCO₃-_H2SO4)占总DIC的平均比例为13.04%, 碳酸产生的DIC(HCO₃-_H2CO3)占地下水总DIC的比例为86.96%, 其中来源于土壤大气中的HCO₃-比例为43.48%.因此, 扣除硫酸对地下水中DIC的贡献后, 岩溶碳汇效应将减少13.04%.      

有机污染物(菲)在弱透水层中的越流迁移特征

采用高渗透压渗流试验装置,模拟已被污染的浅层地下水越流通过弱透水层污染深层地下水的过程,研究不同矿化度、不同pH条件下有机污染物（菲）通过饱和黏性土弱透水层时的质量浓度变化特征。结果表明：矿化度的增加有利于弱透水层吸附截留渗滤液中的菲;高矿化度水中的Na+交替土层中的Ca²⁺、Mg²⁺,使水中的Ca²⁺、Mg²⁺质量浓度增加,与HCO^-₃、菲组合形成络合物;不同pH条件下,Ca²⁺、Mg²⁺、HCO^-₃对菲的迁移有阻滞作用,SO^2-₄参与还原反应并可与菲形成络合物,对菲迁移有促进作用。菲在弱透水层中的迁移能力很弱,衰减率达82％～96％,高渗透压下菲的污染锋面迁移速度为0.714 m/d,pH=8时菲通过弱透水层的迁移质量浓度最小。控制渗滤液的pH、组分可有效阻止菲在弱透水层中的迁移。     

中国第二次北极科学考察路线上温室气体瓶采样结果分析

用气相色谱和非红外色散分析方法,分析了中国第二次北极科学考察路线上采集到的气体样品中温室气体(CO₂和CH₄)的浓度,对不同纬度带上CO₂和CH₄平均浓度变化特征进行了研究.结果表明:海洋表面不同纬度带上CO₂的浓度呈现出随纬度升高而减小的趋势,这与全球范围内CO₂的年平均浓度的地理分布特征相反,显示了海洋对CO₂气体的吸收作用.45°N以北的海洋表面,CH₄浓度有随纬度升高而增大的趋势,这与全球范围内CH₄的年平均浓度的地理分布特征相同;中纬度近海岸地区温室气体浓度变化无明显规律,可能受到区域或局地气团的影响较大.     

岩溶水系统的水化学曲线及其在水文地质研究中的应用

为了认识水文地质条件与岩溶泉水化学之间的关系,以西南地区的6个典型岩溶水系统丫吉试验场S31号泉、毛村地下河、官村地下河、陈旗岩溶泉、青木关地下河以及金佛山水房泉为例进行研究。通过对比发现,在这些强烈非均质的山区裸露型岩溶水系统中,仪器能够实现自动化监测的电导率、温度和pH值等指标的水化学曲线存在差异。分析可知控制水化学变化的主要因素如下:首先是降雨补给引起系统的水量与碳酸盐岩溶解过程的变化;其次是CO₂气体随降雨进入含水层,促进碳酸盐岩的溶解;最后是地表污染物的淋滤。当电导率、水温、pH曲线出现降低和碳酸盐岩矿物饱和指数下降时,反映的是岩溶水的稀释作用;当电导率曲线出现高峰时,反映的是岩溶水补给的CO₂效应,此时水中二氧化碳分压(p_CO2)升高;当场雨中水化学曲线的变化滞后于水文动态曲线时,反映的是岩溶管道的活塞流效应;与人类活动有关的NO₃^-等污染物质量浓度在降雨后出现高峰,反映土壤的降雨淋滤作用,并可能影响电导率的变化趋势。某个系统的水化学曲线趋向于经常出现某几种效应,并且彼此的类型不同,表明了降雨补给的面状渗流方式和集中灌入方式对岩溶水影响的强弱不同,以及系统在径流方式和调蓄机制上的差异。一般而言:以面状补给方式为主的系统,水化学曲线多表现为CO₂效应,较少出现稀释作用;而岩溶发育强烈的系统,降雨补给受控于溶蚀裂隙和管道,其水化学曲线较多出现稀释作用,较少出现CO₂效应;以管道为主要径流方式的系统易出现活塞流效应,而包气带厚度大和含水层储水能力强的系统水化学变化被减弱。     

中国岩溶碳汇过程与效应研究成果及展望

我国是世界能源消费和CO₂总排放量第一大国,碳减排任务艰巨,责任重大。据调查,我国岩溶碳汇与森林、土壤碳汇在同一数量级,但其要在国家层面发挥重大作用,其影响因素及机理需要进一步调查和阐释,估算精度还有待提高。系统总结了流域尺度岩溶碳循环过程,并重点揭示了生物作用对岩溶碳循环的影响;研究了水圈二氧化碳的再循环规律;评估了外源水对岩溶作用的影响程度和促进强度;利用数学回归模型估算区域岩溶碳汇通量,提高了由点到面岩溶碳汇通量估算精度,并提出增加岩溶碳汇潜力技术途径,为我国岩溶碳汇通量科学估算提供支撑。