半干旱区岩溶碳汇原位监测方法适宜性研究

选择正确的方法准确计算北方干旱半干旱岩溶区的岩溶碳汇量, 有助于提高我国岩溶碳汇效应估算精度和改进全球碳循环模型。利用水化学径流法和标准溶蚀试片法对山西马跑神泉域的岩溶碳汇量进行了计算, 结果表明, 标准溶蚀试片法计算出的流域碳汇量和碳汇强度为386.15 t/a和1.821 t/(km²·a), 水化学径流法的结果为2 084.08 t/a和9.83 t/(km²·a), 试片法计算结果仅为水化学径流法的1/5。试片溶蚀速率和土壤无机碳质量分数呈负相关关系, 进一步表明土壤无机碳质量分数高(是有机碳质量分数的2.85~5.06倍)是造成试片法计算结果偏小的主要原因:高含量的无机碳在半干旱气候条件下容易沉积, 从而使试片溶蚀速率偏小;流域边界清楚, 水化学和流量易于监测, 利用水化学径流法计算岩溶碳汇强度结果更为准确。因此, 在半干旱地区, 计算岩溶碳汇效应宜采用水化学径流法。     

岩溶作用碳汇强度计算的溶蚀试片法和水化学径流法比较——以陈旗岩溶泉域为例

溶蚀试片法和水化学径流法是计算岩溶作用碳汇强度的两种重要方法,利用这两种方法对贵州普定陈旗岩溶泉系统的岩溶作用碳汇强度分别进行了计算,结果发现:通过溶蚀试片法估算出的岩溶作用碳汇强度仅为水化学径流法估算值的1/6左右,这主要是因为陈旗岩溶泉域内埋放溶蚀试片处的上覆土体中含有石灰岩角砾和土骨架中存在少量原生与次生碳酸盐矿物,这些碳酸盐的先期溶蚀大大降低了下部试片的溶蚀量。可见,溶蚀试片法具有一定的局限性,即在该方法应用之前,必须对试片上覆土体的碳酸盐矿物含量进行分析,以评价该方法的适宜性。     

岩溶作用碳汇强度计算的溶蚀试片法和水化学径流法比较——以陈旗岩溶泉域为例

溶蚀试片法和水化学径流法是计算岩溶作用碳汇强度的两种重要方法,利用这两种方法对贵州普定陈旗岩溶泉系统的岩溶作用碳汇强度分别进行了计算,结果发现:通过溶蚀试片法估算出的岩溶作用碳汇强度仅为水化学径流法估算值的1/6左右,这主要是因为陈旗岩溶泉域内埋放溶蚀试片处的上覆土体中含有石灰岩角砾和土骨架中存在少量原生与次生碳酸盐矿物,这些碳酸盐的先期溶蚀大大降低了下部试片的溶蚀量。可见,溶蚀试片法具有一定的局限性,即在该方法应用之前,必须对试片上覆土体的碳酸盐矿物含量进行分析,以评价该方法的适宜性。     

混合岩溶流域碳酸盐岩溶蚀速率与岩溶碳汇——以漓江流域上游为例

碳酸盐岩矿物的化学风化速率要显著高于硅酸盐岩矿物,碳酸盐岩和硅酸盐岩混合流域中碳酸盐岩矿物风化对河流水化学的贡献占主导。为研究混合岩溶流域碳酸盐岩风化及岩溶碳汇特征,在漓江流域上游大溶江、小溶江、灵渠3个混合岩溶流域选取了24个点放置标准溶蚀试片并测试对应的土壤理化性质。基于雨季和全年试片溶蚀量和土壤理化特征,分析试片溶蚀量的主控因素及季节差异,定量评估大溶江、小溶江和灵渠流域岩溶碳汇强度。结果表明:空中试片溶蚀量主要受控于降雨,植被会部分遮挡降雨,使试片溶蚀量显著下降,而地表和土下碳酸盐岩溶蚀受降雨和水文过程共同控制;雨季碳酸盐岩溶蚀更快,空中试片溶蚀量主要受控于降雨,而地表和土下试片主要受控于土壤水分的变化;基于溶蚀试片法,大溶江、小溶江和灵渠流域岩溶碳汇强度分别为0.75、0.30和2.92 tC?km-2 ?yr-1。      

北方不同植被下土壤岩石试片的溶蚀速率及碳汇分析——以山西汾阳地区为例

通过山西汾阳不同植被条件下的对比溶蚀实验,并结合土壤有机碳和无机碳含量测试分析及土壤水分含量和CO2浓度野外现场测试,揭示出北方半干旱条件下的溶蚀速率特征及其影响因素,结果表明:（1）不同植被条件下的土下试片溶蚀速率差异明显,林地的地面以下溶蚀速率最大,为0.551 1 mg/(cm2?a),分别是灌丛[0.258 5 mg/(cm2?a)]和草地[0.254 7 mg/(cm2?a)]的 2.13倍和2.16倍;表明随着植被的正向演替,碳酸盐岩溶蚀速率有增加的趋势。（2）试片溶蚀速率主要受土壤有机碳、无机碳、水分控制,受土壤CO2浓度影响小;其中土壤有机碳含量、土壤水分与试片溶蚀速率呈正相关,土壤无机碳含量与试片溶蚀速率呈负相关;高浓度的无机碳使部分试片经过溶蚀后重量不减反增,造成试片溶蚀速率偏低。（3）以林地、灌丛、草地条件下试片土下平均溶蚀速率计算出研究区岩溶碳汇强度为1.815 tCO2/(km2?a),与前人根据水化学径流法计算的结果[8.69 tCO2/(km2?a) ]相比偏小。这意味着由溶蚀试片法来计算我国岩溶碳汇量可能会比实际偏小。      

岩溶试片的岩性差异对估算岩溶速率和碳通量的影响

研究岩性差异对溶蚀速率的影响有助于提高溶蚀试片法估算岩溶碳汇强度的精确度。本文以贵州省普定县为研究区,将埋放地的主要基岩类型（石灰岩与白云岩）制成标准尺寸的试片,并将其埋设于不同土地利用类型和土壤深度下,经过4个水文年的监测后将估算的结果与前人在同一区域使用标准溶蚀试片的研究结果进行对比分析,结果表明:（1）在相同气候和土壤环境条件下,岩性对溶蚀试片的溶蚀速率有显著影响,且溶蚀速率与岩石中CaO含量呈正相关关系,与MgO含量呈负相关关系;（2）石灰岩与白云岩试片溶蚀速率的差异程度受土地利用及埋放深度的调控,整体上石灰岩溶蚀速率比白云岩溶蚀速率大14%;（3）不同岩性试片估算的岩溶碳汇强度相差较大,标准溶蚀试片估算的结果比埋放地基岩试片估算的结果高。故使用溶蚀试片法估算区域岩溶碳通量时应考虑埋放地基岩的岩性,或者对基于标准溶蚀试片的估算结果进行校正,才能准确反映区域尺度真实的岩溶碳通量大小。      

碳酸盐岩土壤CO2的动态特征及其对溶蚀作用的驱动

由于气候及人类活动等环境因素的影响，直接观测碳酸盐岩－大气系统中ＣＯ２剖面的动态及行为比较困难，作者以碳酸盐岩发育的土壤作为ＣＯ２产生，贮存，运移的介质，对土壤剖面中ＣＯ２的分布及动态特征，不同深度标准石灰岩溶蚀试片的溶蚀作用以及岩溶地下水的水化学参数进行了观测研究，并结合以往的研究资料，对岩溶作用的气体动力学机制进行了探讨，获得如下新认识，（１）土壤剖面ＣＯ２分布特征与气候密切相关，在旱季，土壤     

半干旱岩溶区油松林显著促进碳酸盐岩溶蚀

植被覆盖通过促进碳酸盐岩风化吸收大气CO2, 在实现碳中和中具有重要作用, 但不同植被类型的影响强度仍不清楚。为揭示半干旱区植被类型对碳酸盐岩风化的影响规律, 以一个典型岩溶小流域为研究区, 通过系统的植被调查和野外溶蚀试片试验, 详细对比了不同植物群系的碳酸盐岩溶蚀率及其影响因素, 并探讨了不同分类层次植被的溶蚀率的差异。结果表明, 半干旱岩溶区碳酸盐岩溶蚀率在植被型组层次为森林>草地>灌丛, 在演替的早期减弱、后期促进溶蚀; 群系层次的对比发现油松(Pinus tabuliformis)林内碳酸盐岩溶蚀率最高, 是其它群系的5倍至近30倍; 不同群系对溶蚀率的影响强度的大小得以明确; 溶蚀率与土壤CO2浓度(pCO2)、土壤温度和土壤含水量任何单一因素无相关性, 而与三者匹配性有较好的对应关系, 与湿润区明显不同; 植被演替通过增强对溶蚀环境因子匹配性的调控能力, 促进碳酸盐岩的溶蚀。半干旱区油松林显著促进碳酸盐岩溶蚀, 进行群系层次的广泛对比研究可以更好揭示植被类型与碳酸盐岩溶蚀之间的关系, 为提高岩溶生态系统恢复的碳汇量提供有效指导。     

中国岩溶碳汇通量估算与人工干预增汇途径

中国是岩溶大国,岩溶作用吸收土壤或大气CO₂形成溶解无机碳,并随河流排向海洋,这是陆地碳循环的重要组成部分。中国地质调查局从2009年开始对岩溶碳汇进行探索性调查,基本查明了岩溶碳汇的作用机理、影响因素和计量方法。研究表明: 碳酸盐岩溶蚀试片、径流-水化学和回归模型等方法均揭示了中国岩溶碳汇潜力巨大; 植被恢复、土壤改良、外源水灌溉和水生植物培育等是人工干预增加岩溶碳汇的重要途径; 流域尺度岩溶碳循环及碳汇效应调查技术的应用,助力取得了岩溶碳循环地质调查和碳汇效应评价方面的理论、技术和平台建设等系列成果。值得注意的是,岩溶碳汇计量、核查和人工干预固碳增汇试验示范等方面还面临巨大挑战,这需要在“十四五”期间及以后的研究中不断攻关、完善,从而满足地质碳汇服务碳中和目标的需求。     

典型岩溶断陷盆地溶蚀速率对海拔高度和土地利用方式的响应

采用标准溶蚀试片法,研究典型岩溶断陷盆地内不同海拔高度区域(中山区、平坝区和河谷区)6种土地利用方式下(弃耕地、草地、灌木地、松树林地、柏树林地及其他林地)的试片溶蚀速率,并分析其影响因素.结果显示:土下0–60 cm的试片平均溶蚀速率按大小排列顺序为:松树林地((3.98±0.41)mg·cm–2·a–1)>草地((3.59±0.45)mg·cm–2·a–1)>弃耕地((3.16±0.42)mg·cm–2·a–1)>灌木林地((2.90±0.44)mg·cm–2·a–1)>其他林地((2.21±0.18)mg·cm–2·a–1)>柏树林地((2.16±0.28)mg·cm–2·a–1);从土下5 cm到土下60 cm,试片平均溶蚀速率逐渐增加;试片溶蚀速率随海拔升高呈增加趋势,与海拔呈极显著正相关(R=0.328,p<0.01).以6种土地利用的土下试片平均溶蚀速率计算得出研究区平均岩溶碳汇强度为12.80 tCO2·km–2·a–1,林地、耕地、草地下岩溶年碳汇量为11613.11 tCO2·a–1,约为珠江流域岩溶年碳汇量的0.38％.影响不同土地利用下试片溶蚀速率的主控因子各不相同;降水、土壤有机质为试片溶蚀速率随海拔高度变化的主控因子;土壤水分、土壤CO2为试片溶蚀速率随土壤深度变化的主控因子.该研究成果可为区域石漠化治理、生态修复工作和碳汇效应研究提供参考依据.     

西南岩溶区农田生态系统岩溶作用及碳汇效应：以重庆南川市三泉镇为例

岩溶地区的碳循环是地质作用和生物作用最好的结合点,系统研究农田生态系统中石灰岩溶蚀作用强度对精确估算岩溶作用的碳汇效应具有重要意义。通过在重庆南川市三泉镇选择菜地、旱地、冬水田、两季田、草地、未利用地等样地类型进行以一个水文年为周期的标准溶蚀试片溶蚀试验、土壤剖面与植被样方观测以及土壤、标准溶蚀试片样品分析,探讨了农田...     

施用农肥对岩溶溶蚀作用的影响及其生态环境意义

土壤下伏碳酸盐岩溶蚀作用研究对岩溶区成土作用及大气中CO_2影响意义重大.施肥改变了土壤的生物地球化学场,进而会影响岩溶区的岩溶动力学过程及碳循环.本文在贵州贵阳碳酸盐岩土壤剖面不同深度,埋设白云石、石灰石试片,进行了野外溶蚀试验,观测了试片溶蚀量、土壤CO_2、土壤pH及其他如土壤含水量、土壤矿物与化学成分、土壤水化学成分等影响凶素.结果表明:(1)施用农家肥降低了碳酸盐岩的溶蚀速率:石灰石的溶蚀速率降低了10.48%～53.90%.平均25.51%;白云石的溶蚀速率降低了25.0%～65.69%,平均39.45%.同样条件下土壤中石灰石溶蚀量比白云石大.(2)施用农家肥降低了当地的碳酸盐岩成土速度,降低了35.77%～37.27%.(3)施肥土壤更利于CO_2的产生:施肥剖面土壤中CO_2浓度比空白剖面CO_2浓度高22.52%～198.87%,平均高93.94%;施肥剖面地面CO_2通量比空白剖面地面CO_通量高67.64%.(4)施用农家肥减少了土壤对大气CO_2的沉降量,在贵州贵阳地区,减少的大气CO_2沉降量为25.50%～39.45%;间接地对岩溶水CO_2汇的作用产生了抵消作用,在贵州贵阳地区,抵消作用为59.41%～62.73%.     

南方典型溶蚀丘陵系统现代岩溶作用强度研究

我国典型溶蚀丘陵系统分布于湖南中西部雪峰山地区的新化 -涟源县一带。主要宏观岩溶地貌类型有丛丘谷地、峰丘谷地、峰丛洼 (谷 )地、丘岭谷地。它们之间岩溶发育程度、形态组合特征差异明显。本文在论述不同地貌系统岩溶水水化学特征及其溶蚀能力的基础上 ,用水化学平衡法对不同地貌区的溶蚀速度进行了计算 ,并分析了现代岩溶作用强度趋异的原因。溶蚀丘陵区平均溶蚀速度为 2 5 .19m3·km- 2 ·a- 1 ,决定了该区宏观地貌以半岩溶形态为主导特征。     

农业活动对岩溶作用碳汇的影响:以重庆青木关地下河流域为例

以受农业活动影响强烈的重庆青木关地下河流域为研究对象,利用CTDP300多参数水质自动记录仪、WGZ-1型光电数字水位计、HOBO小型气象站在线自动监测电导率、水位以及降雨等数据,并获取流域耕地面积数据,于2010年分月采集地下水样,分析常规水化学和地下水溶解无机碳δ13C,初步探讨流域农业活动对岩溶作用过程和碳汇的影响,发现农业活动对岩溶作用过程产生明显的影响,进而影响到岩溶地质碳汇。地下水水化学以及地下水δ13CDIC值证实了流域地下水DIC是碳酸、硝酸和硫酸共同溶蚀碳酸盐岩的产物;每月碳酸溶蚀碳酸盐岩产生DIC占地下水中总DIC的比例在55.53%～81.25%之间,雨季(62.98%)普遍低于旱季(74.86%);碳酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC的量为14.67×106mol/a,其中岩溶作用产生的净CO2汇量为7.335×106mol/a,而硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC总量为7.48×106mol/a,约占地下水中总DIC的33.8%,单位面积耕地上硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生DIC的强度为1.89×106mol/(km2.a)。人类活动引入的硝酸和硫酸参与碳酸盐岩的溶解并改变了区域碳循环。     

酸雨溶蚀碳酸盐岩的源汇效应分析——以广西典型岩溶区为例

选取广西的桂林、柳州、河池、百色、玉林、南宁、钦州7个酸雨监测点进行了为期一年（2014年5月至2015年5月）的监测,结合各站点溶蚀试片和降雨降雨量、降雨时间、pH值和电导率等,分析了试片溶蚀量的主要影响因素及酸雨的源汇效应。结果表明,试片溶蚀量与累计降雨时间,即溶蚀作用发生的时间关系密切。单场酸雨对碳酸盐岩的溶蚀过程可分为两个阶段,即:前期强酸溶蚀碳酸盐岩,释放CO2,为碳源;后期碳酸溶蚀碳酸盐岩,吸收大气CO2,为碳汇。而就整年而言,碳汇过程占绝对优势,酸雨减汇量仅占总溶蚀量的0.27%～3.52%,平均为1.96%,但酸雨减汇比例随酸雨pH值的降低而呈指数增加。酸雨对岩溶碳汇有着显著影响,在岩溶碳汇的研究中不应忽视。      

苏南地区碳酸盐岩的溶蚀性分析

为了解江苏南部地区碳酸盐岩地层的岩溶发育潜力,采集代表性岩石样品,并制作成统一规格的试片,开展一个水文年的溶蚀试验。结果表明,本地区碳酸盐岩的平均溶蚀速度约为1.42 mm?ka-1,与国内其它地区相比处于较低的水平,大致相当于西南地区的1/30,略高于北方岩溶区。实验证明了苏南地区二叠系、三叠系碳酸盐岩具有最强的溶蚀性,这为解释上述地层区的岩溶现象提供了地质依据。研究还表明,岩石的溶蚀性与Ca含量关系密切,同时也受岩石矿物成分、微构造影响,一般高Ca碳酸盐岩具有较高的溶蚀性。苏南地区的岩溶发育性以岩石溶蚀性为基础,但水动力条件也十分关键,宜兴地区二者兼备,岩溶最为发育。      

不同种类微生物及其碳酸酐酶对CO_2-H_2O-碳酸盐系统中碳酸盐岩的溶蚀作用

以从西南岩溶地区土壤中筛选出来的产碳酸酐酶(CA)的典型细菌、真菌和放线菌为材料,研究比较了不同种类微生物及其CA对CO2-H2O-碳酸盐系统中碳酸盐岩的溶蚀作用。结果表明,实验所用的3种典型微生物均对石灰岩和白云岩有明显溶蚀作用,真菌的溶蚀效果最显著,而且微生物CA对石灰岩具有明显的酶促溶蚀效果。微生物对石灰岩的溶蚀能力强于白云岩,加入石灰岩的真菌试验组中Ca2+浓度比加入白云岩的真菌试验组高8.0%,而且,真菌CA对白云岩的溶蚀能力明显强于石灰岩。上述结果为研究微生物及其CA在岩溶碳汇中的作用提供了科学依据。     

发展中的板块边界:天山-贝加尔活动构造带

不同的土地利用方式可使土地理化性质产生一系列的变化和差异,从而影响到岩溶作用的方向和强度。通过野外溶蚀试片实验法,对金佛山典型岩溶区碧潭泉和水房泉两泉域岩溶生态系统的5种典型土地利用方式下的土壤溶蚀速率进行雨季短时间尺度变化的野外观测。2006年7月中旬开始,重庆地区罕遇43天高温无雨的特殊天气,测试结果表明不同土地利用方式甚至同一土地利用方式下不同海拔的岩溶区石灰岩试片溶蚀速率都存在较大差异,碧潭泉域雨季绝对溶蚀量仅为水房泉域的13.3%,6个测试点土下溶蚀量由大到小依次为水房泉竹林地、水房泉林地、水房泉草地、碧潭泉林地、碧潭泉灌草丛、碧潭泉耕地。在研究时间内降雨量、温度和土壤CaCO3含量差异的基础上,金佛山两泉域岩溶作用主要有两个控制因素:土壤CO2浓度、土壤有机质。     

南北地理分界线——秦巴山区碳酸盐岩溶蚀速率研究

溶蚀速率作为反映岩溶作用强度的一个量化数据,其研究有助于岩溶区生态系统的恢复,对石漠化治理研究也有较为重要的意义。陕西秦巴地区是中国地理上重要的南北分界线,其气候、生态环境与南方存在明显差异,为应对日益严峻的岩溶生态环境退化问题,亟需针对陕西秦巴地区开展岩溶作用的研究。研究选取林地、灌丛、草地三种植被类型,利用标准溶蚀试片法获得溶蚀速率,分析不同植被类型、气候条件对溶蚀速率的影响,以及溶蚀速率与石漠化程度的关系。结果表明：三种植被类型地下平均溶蚀速率表现为林地>灌丛>草地的规律。降雨与溶蚀速率有显著的正相关性,相关系数R=0.84,而气温与其相关性不显著。在发育石漠化区域的溶蚀速率对比中,发现人类活动越频繁的地区,溶蚀速率越大,石漠化程度越高。     

岩溶土壤中CO2浓度、水化学观测及其与岩溶作用关系

本研究选择了具有我国南方岩溶石山地区特点的桂林丫吉村试验场为研究场区,对其岩溶土壤的ＣＯ２浓度变化、岩溶泉水和土壤水水化学指标、石灰岩的溶蚀作用进行了定位长期观测。观测结果显示:（１）土壤ＣＯ２浓度的季节变化在泉水和土壤水水化学上均能反映出来;（２）两个土壤剖面的石灰岩溶蚀试验结果均表明,溶蚀强度随不同土壤深度的ＣＯ２浓度的变化基本是一致的,但土壤水分的差异会造成溶蚀强度的正叠加;（３）两个土壤剖面由于所处小环境、土壤结构和与下垫面灰岩关系不同,使得其中ＣＯ２浓度历月变化特征有一定差异。