桂林峰丛洼地岩溶动力系统CO2特征及变化规律

桂林岩溶水文地质试验场属于典型的峰丛洼地地区.峰丛洼地表层岩溶动力系统与土壤CO2密切相关,土壤CO2体积分数以及表层岩溶带土壤CO2溶蚀量的变化受气温和降雨影响.对不同部位不同深度的土壤CO2体积分数进行了野外监测,并利用多参数自动记录仪监测了泉水的水化学,揭示了CO2体积分数的变化规律.其变化特征表现为:①土壤CO2体积分数的季节变化在泉水水化学上和土壤CO2溶蚀量上均能反映出来;②土壤CO2体积分数的变化具有季节性;③50 cm处的CO2体积分数较20 cm处大;④土壤层对泉水水化学起到重要调蓄作用.     

桂林岩溶水文地质试验场岩溶水文地球化学的研究

作者从岩溶水文地球化学为一开放的三相系统出发,重点对桂林岩溶水文地质试验场大气和土壤空气中的CO2及水的pH值、暂时硬度等进行了现场测试和室内分析;同时将水化学变化规律与土壤CO2的变化联系起来,对岩溶发育机理作了新的探索。此外,作者还通过岩溶水文地球化学异常对试验场岩溶含水介质的特征及其非均质性进行了分析研究。      

岩溶动力系统水化学动态变化规律分析

岩溶动力系统,由于其水化学形成过程的三相不平衡控制,特别是气相CO2 的积极参与和碳酸盐岩特殊的溶解/沉积机理,因而其水化学动态变化规律非常复杂。本文通过对日本Akiy oshi-dai高原和桂林岩溶试验场的分析,发现岩溶动力系统水化学动态变化规律主要受稀释效应、水动力效应(扩散边界层效应)和CO2 效应控制。      

广西桂林漓江典型河段水化学昼夜动态变化 及其对岩溶碳循环的影响

岩溶区河流水化学昼夜动态变化的研究,对年际尺度河流监测计划制定、碳循环研究及其通量估算具有重要作用与意义。本文选择桂江上游漓江典型岩溶河流,开展不同河段水化学高分辨率监测和高频水样取样工作,分析了水化学的昼夜动态变化、沿流程变化及其影响因素,探讨了水化学昼夜循环的生物代谢过程与光合作用机理。结果表明,硅酸盐岩分布河段与碳酸盐岩分布河段水化学存在显著差异,且具有不同的昼夜变化规律。总体上,受补给流域地质背景控制,从北部硅酸盐岩山区到南部峰林平原区,即从上游到下游,水温、pH、SpC、Ca~(2+)和HCO_3~–离子含量逐渐升高,升高幅度分别为3.63℃、1.99、125.23μS/cm、22.42 mg/L、73.32 mg/L。DO、pH、Sp C、Ca~(2+)、HCO_3~–及δ13CDIC等指标昼夜变化主要受水生植物光合作用控制,最大昼夜变幅分别为19.4 mg/L、2.02、56.4μS/cm、12 mg/L、48.8 mg/L、–2.05‰。K+、Na+和NO_3~–离子含量昼夜变化主要受生物代谢过程(同化作用)控制。桂林河段水生植物光合作用消耗水体DIC及伴随的Ca沉降能显著影响水体饱和度和CO_2分压,白天CO_2分压下降,水体处于过饱和状态,对水气界面脱气过程发生具有抑制作用。阳朔河段水体均处于过饱和状态,CO_2分压处于与大气平衡的临界线附近,意味着随着流程的增加,水体产生脱气的可能性在减小,说明秋冬季由岩溶作用溶蚀产生的碳汇是相对稳定的。     

基于谱分析的岩溶地下河系统短时间尺度水化学变化研究

岩溶地下河系统在无雨条件下,秋季短时间尺度(10日左右)内其出口处水化学动态具有显著的日周期,连续功率谱及交叉功率谱分析可以识别这一周期。文章以茂兰自然保护区板寨地下河系统出口为研究对象,运用频谱分析方法对2007年10月中旬无雨条件下10日左右连续监测的气象要素、水化学数据进行研究,发现植被覆盖良好的岩溶地下河系统,出口处水化学动态呈现日动态变化周期,表现为白天气温升高,水的pH值升高,二氧化碳分压、电导率和方解石饱和指数降低,其中pH值对气象要素的响应最为敏感,二氧化碳分压对水温的响应最为敏感。     

云南白水台钙华水池中水化学日变化及其生物控制的发现

为弄清云南白水台泉及其下游钙华水池中水化学的日变化,选取1号泉及其流经的两个钙华水池(6号和10号)作为研究对象并对其水温、pH值和电导率进行了自动监测。根据Ca2 、HCO3-与电导率存在的线性关系,用WATSPAC软件计算了水中方解石的饱和指数和PCO2。监测发现:泉水不存在显著的水化学日动态变化,而两个钙华水池表现出显著的日动态变化。其中10号钙华水池在白天温度较高时水中的CO2大量逸出并通过水下水生植物的光合作用加速了水中碳酸钙的沉积。6号钙华水池水生植物生长茂盛,其叶片和部分枝干露出水面,因而光合作用主要发生在空中,所以此处水化学表现为白天pH值降低和电导率升高的反常现象,即由温度主导的根呼吸作用,在白天释放更多的CO2进入水体而使沉积下来的碳酸钙重新溶解。     

桂林会仙岩溶湿地水化学昼夜动态变化 及其影响因素

岩溶区地表河流与岩溶湖水化学的动态变化及水生植物固碳作用的研究,有助于加深对岩溶作用的生物地球化学过程特性,即短时间尺度属性的认识。本文利用自动化高精度在线监测和高密度取样,探讨岩溶湖(地下河水补给)水化学的昼夜动态变化及不同水生植物的影响。受气温和水生植物光合作用的影响,白天水温、pH、溶解氧、无机碳同位素值呈同步上升,而Ca2+、HCO-3含量、电导率下降。沉水植物群落分布区水化学等指标昼夜变幅大于挺水植物群落分布区,水温、pH、Ca2+、HCO-3、溶解氧、无机碳同位素值在挺水植物区的昼夜变化幅度分别为442 °C、065、18 mg/L、08 mmol/L、1402 mg/L、-2.27‰(δ13CV-PDB),在沉水植物区则分别上升到632 °C、143、24 mg/L、15 mmol/L、2386 mg/L、-5.03‰(δ13CV-PDB),说明沉水植物区的钙沉降与固碳效率更高。结果可为深入认识岩溶湿地水生生态系统,估算岩溶区水生植物固碳潜力奠定科学基础。     

水-岩-气相互作用引起的水化学动态变化研究--以桂林岩溶试验场为例

利用多参数自动记录仪对桂林岩溶试验场的降水量、水位、水温、pH值和电导率进行了监测,数据采集间隔根据参数变化的程度由2min到1h不等。结果发现,岩溶裂隙水在洪水期间pH值呈降低趋势,而电导率呈升高的不寻常变化。与此相反,对于岩溶管道水,同样是在洪水期间,它的pH值是升高的,而电导率呈正常的降低。考虑到Ca2 和HCO-3分别为地下水中主要的阴阳离子(>90%),及它们与电导率的线性关系,计算得到了洪水期间方解石的饱和指数(SIc)和水的CO2分压(Pco2)的变化情况。发现洪水时裂隙水的Pco2高于正常情况的Pco2,而它的SIc值比正常情况低。与此相对,对于管道水,尽管同一洪水期间其SIc降低,但Pco2也降低。从这些结果,可以推断,至少有两个关键的过程控制着洪水期间的水化学变化。一个是雨水的稀释作用,另一个是水-岩-气的相互作用。然而,对于裂隙水来说,后者的作用可能更重要,即在洪水期间,高浓度的土壤CO2溶解于水中,则更具侵蚀性的水能溶解更多的石灰岩,从而增强水的电导率。而对于管道水,雨水的稀释作用更重要,因为研究区较高的pH和低电导率的雨水能更快地通过管道流出,所以,要了解岩溶系统水化学的变化,仅考虑水-岩相互作用是不够的,我们还必须重视CO2气体对岩溶系统中水化学变化的影响。总之,水-岩-气相互作     

不同土地利用下岩溶水系统水化学日动态强度小波分析

土地利用/覆被变化会使岩溶水系统演化的化学驱动能——土壤CO2量发生变化,进而使得岩溶水系统的水化学日动态变化强度发生变化。小波分析方法可以有效识别岩溶水系统的水化学日动态变化强度,并给出定量化的指标。通过对亚热带季风气候区的贵州省陈旗、灯盏河与板寨岩溶水系统长达2年的水文水化学监测数据进行小波分析,发现有土壤覆盖但土地利用程度较高的岩溶水系统(陈旗和灯盏河),其排泄点水化学指标中CO2分压日动态强度要高于植被覆盖良好但岩石裸露的岩溶水系统(板寨)排泄点,说明岩溶水系统中土壤对水化学日动态强度的调控有着关键的作用。这一发现对于正确理解和评价不同土地利用下的岩溶作用及其碳汇强度差异有着重要的意义。     

桂林岩溶试验场钻孔水化学暴雨动态和垂向变化解译

用多参数自动记录仪对桂林岩溶试验场的CF1钻孔(代表裂隙含水介质)和CF5钻孔(代表管道含水介质)水化学进行了暴雨动态和垂向变化的监测,通过数据的分析及对比,发现: 暴雨时至少有两个重要的作用在控制着水化学的动态变化,一是雨水的稀释作用,另一个是碳酸盐岩— 水— CO2 气相互作用。然而,这两个作用在管道含水介质和裂隙含水介质中的表现是不同的: 对于裂隙含水介质,碳酸盐岩— 水— CO2 气相互作用占主导,而对于管道含水介质,雨水的稀释作用则成为主控因素。因此,鉴于岩溶水化学是在碳酸盐岩- 水- CO2 气三相相互作用的开放系统中形成的,所以水化学的研究不能仅考虑水- 岩相互作用,而必须重视CO2 时空变化对水化学的控制,只有从三相系统全面考虑,才能正确把握岩溶水化学的时空演变规律。此外,试验场相距不到5m的CF1和CF5钻孔水化学时空变化的显著差异,进一步证明了岩溶含水介质的非均质性特征。      

不同岩溶动力系统的碳稳定同位素和地球化学特征及其意义——以我国几个典型岩溶地区为例

结合水化学的野外观测及室内计算,作者对桂林岩溶试验场、四川黄龙风景区和贵州乌江渡坝区3个岩溶动力系统的碳稳定同位素特征进行了分析,进而对系统的性质、系统中CO_2的来源、碳酸盐沉积过程中的碳同位素动力分馏、水化学和钙华的成因及热水钙华的~(14)C测年等地球化学问题作了探讨。结果表明,桂林岩溶试验场属于表层岩溶作用动力系统,其中的侵蚀动力主要来源于大气降水溶解土壤中的CO_2;四川黄龙风景区属于深部岩溶动力系统,侵蚀动力来自大气降水溶解幔源的CO_2;贵州乌江渡坝区岩溶系统,虽然属于表层岩溶动力系统,但其中一部分的同位素和水化学特征已受到人类活动的重大影响。     

水生光合生物对茂兰拉桥泉及其下游水化学和δ~(13)C_(DIC)昼夜变化的影响

碳酸盐风化能否形成稳定持久碳汇很大程度上取决于风化产生的溶解无机碳(DIC)能否被水生光合生物利用及其利用程度,后者可通过地表水水化学和?13CDIC的昼夜变化进行探讨。本研究对冬季茂兰拉桥表层岩溶泉及其中游和下游池水的温度、pH、电导率(EC)和溶解氧(DO)进行了为期30 h(1月27日10:00至1月28日16:00)高分辨率(15 min/次)的昼夜动态监测和?13CDIC定期取样(白天每隔2 h,夜间每隔4 h)测定,以了解水生光合生物对水化学和?13CDIC昼夜动态变化的影响。同时,结合水面静态箱CO2测定获得的岩溶水与空气CO2交换通量,对生物碳泵效应进行了估算。结果表明,在少有沉水植物生长的泉口及其下游水池,水化学和?13CDIC的昼夜变化明显偏小,而在沉水植物(轮藻为主)大量生长的中游水池,水的DO、pH、SIC(方解石饱和指数)和?13CDIC在白天呈逐渐增加趋势,而在夜间逐渐降低,与水生生物的新陈代谢进程(白天以光合作用为主,晚上以呼吸作用占优势)相一致;另一方面,水的EC、3HCO?、Ca2+和p(CO2)(二氧化碳分压)呈现相反的变化趋势,即白天下降,晚上上升。计算得到中游水池因类似海洋"生物碳泵"效应固定下来的有机碳通量达到336 t C/(a·km2),是海洋的51倍,表明陆地水生生态系统应该作为"遗失碳汇"的一个重要方面继续进行研究。     

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。     

亚热带典型岩溶区地表溪流溶解无机碳昼夜变化特征及其影响因素

岩溶水体溶解无机碳(DIC)的转化过程是评价岩溶碳汇稳定性及效应的重要指标之一,为了解其在岩溶地下水补给的地表溪流中的变化特征和影响因素,于2013年7月8~14日对广西融安县官村地下河水补给的地表溪流进行7昼夜定位连续监测,利用高分辨率自动监测仪器每15分钟测定pH、溶解氧(DO)、水温(T)、电导率(SpC)等参数,人工每2小时采集水样用于测定常规离子和δ~(13)C_(DIC)等指标。结果表明溪流水体T,pH,DO,SpC,DIC(以HCO_3~-表示),Ca~(2+),δ~(13)C_(DIC),方解石饱和指数(SIc)以及水体二氧化碳分压(pCO_2)等水化学指标均表现出明显的昼夜变化过程。SpC,DIC,Ca~(2+)和pCO_2等指标白天降低,夜间升高;T,pH,DO,δ~(13)C_(DIC)和SIc等指标白天升高,夜间降低。SIc变化范围为0.70~0.89,表明溪流中可能发生了碳酸盐的沉积。通过热力学参数计算表明水温(昼夜变化幅度为5.8℃)对水体pCO_2的昼夜变化影响率为27.48%~54.88%。反映水体水生植物新陈代谢过程(光合作用和呼吸作用过程)的水体DO指标和水体δ~(13)C_(DIC)均在白天上升,夜间下降,而δ~(13)C_(DIC)和水体DIC呈明显负相关关系(R~2=0.71),这也证明溪流水体DIC的变化过程受到水生植物新陈代谢过程的影响,白天水生植物以光合作用为主,消耗DIC,释放O_2,水体δ~(13)C_(DIC)上升;晚上以呼吸作用为主,消耗O_2,释放CO_2,增加DIC,水体δ~(13)C_(DIC)下降,其对水体pCO_2的昼夜变化影响率为45.12%~72.52%。通过研究表明溪流溶解无机碳变化过程受到物理因素(太阳辐射和水温等)和生物作用(呼吸作用和光合作用)的共同影响,这为进一步了解岩溶地下水出露地表后溶解无机碳转化过程及岩溶碳汇稳定性评价提供了依据。     

四川黄龙沟源头黄龙泉泉水及其下游溪水的水化学变化研究

用水化学仪器自动记录、现场滴定及取样室内分析等方法,对四川黄龙沟钙华景区水的物理化学动态变化特征进行了研究。结果发现,黄龙钙华的沉积主要起因于水中CO2的大量释放,造成溪流自黄龙泉泉口向下游方向水的二氧化碳分压（p（CO2））和电导率（EC）降低,pH值和方解石饱和指数（SIc）升高。但仔细分析发现,水化学的这一空间变化主要发生在SIc〈1．0时;当SIc〉1．0后,向下游方向,水化学趋于稳定。同时,黄龙沟地表融雪水和沿途泉水分别产生的稀释和浓集作用对溪流水化学的这一空间变化产生了明显的影响。此外,源头黄龙泉的水化学稳定,没有明显的日变化,而下游的池水则出现pH值、EC和SIc及p（CO2）的显著日变化,即白天p（CO2）、EC较低,而pH和SIc较高,反映了白天较快的碳酸钙沉积,其中温度和水生生物光合作用的影响可分别达到19％和81％。     

岩溶水化学参数与水动力参数耦合之水文地质勘探意义：以天津蓟县为例

能否将岩溶水系统的水化学参数与水动力参数有机地结合起来，以指导水文地质勘探工作，一直是水文地质学家努力探索的一个问题，本文以天津市蓟县地区岩溶水系统为研究对象，利用十余年积累的大量水化学和水位资料，以渗透系数计算公式为理论依据，将流场与水化学场（钙离子，镁离子，硫酸根离子，方解石饱和度及白云石饱和度）叠加，画出了十余条岩溶水强渗透带，并首次利用抽水试验资料，建立了岩溶水钙离子浓度，二氧化碳分压，氟     

表层岩溶生态系统碳循环特征研究

本文以广西桂林丫吉试验场的实际观测资料为基础,应用同位素示踪方法,探索了整个系统中碳的输入、输出和转移问题,并分析了表层岩溶生态系统中泉水水化学、土壤 CO²浓度及近地表植被层空气中CO²浓度的变化特征。结果显示,泉水水化学主要组分的日变化不明显,而土壤中CO²浓度则明显受日气候变化的影响,两者存在明显的滞后关系。用碳同位素示踪方法,重点对桂林观测站表层生态系统各碳库间碳的转移过程进行了定量研究,认为在有土壤层和植被覆盖的表层岩溶生态系统中,参与岩溶作用的碳有一半以上来源于与生物作用有关的碳。     

玉符河对济南岩溶水化学过程的影响研究

玉符河是济南岩溶地下水重要补给源,对济南保泉和供水具有重要意义。本文以2015年玉符河入渗补给试验为例,利用水化学和同位素方法分析了河水入渗对岩溶水矿物组分溶解及离子成分的影响、河水入渗后的渗流路径、影响范围等问题。结果表明,玉符河至城区泉群,水化学类型由SO₄-Ca-Mg型逐渐过渡到HCO₃-Ca型;河水的入渗导致岩溶地下水中方解石和白云石饱和指数减小,石膏的饱和指数几乎不变;水化学和同位素数据表明催马-蛮子庄一带岩溶水中河水比例为48%。在空间分布上,河岸东侧3km范围内河水入渗补给量占比可达50%。在河道东侧8km处,河水入渗补给量占比为5%。在靠近城区泉群一带,河水入渗补给量占比更低, < 5%。本次观测结果表明,河道补水尚未对城区泉群有明显影响。本研究为济南岩溶水资源评价和保泉方案的制定提供依据。     

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。     

水生植物对岩溶区河水地球化学昼夜变化的影响——以漓江为例

为研究河流非岩溶区断面和岩溶区断面生物地球化学昼夜变化过程、特征及影响因素,探讨水生生物对岩溶区河水碳汇作用的影响,于2016年10月30日-2016年11月1日,在广西桂林漓江干流非岩溶区的峡背和岩溶区的省里设置两个监测点同时开展了为期48小时的高分辨率在线监测和高频率取样工作,研究其水文参数(电导率(EC)、水温(T)、pH以及Ca2+、HCO-3、NO-3等离子和溶解无机碳同位素(δ13CDIC)等水化学参数的昼夜变化规律,并分析其影响因素。发现:（1）峡背和省里两断面水化学类型为HCO3－Ca型,但水文地球化学昼夜变化过程不同:省里断面的物理化学参数昼夜变化显著,T、pH、DO、SIC白天上升夜间下降,Ca2+、HCO-3的质量浓度和EC、p (CO2)白天降低、夜晚上升;而峡背断面理化指标昼夜变幅小,这与峡背断面处于岩溶区与非岩溶区交界处,非岩溶河流汇入、生物量较小等环境特征有关。（2）省里断面营养元素(NO-3、SO42-、Cl-、Na+)昼夜变化过程主要受水生植物同化作用控制,呈现白天降低、夜间升高的变化规律。（3）峡背断面和省里断面TOC 与DOC白天上升、夜间下降,最高日变化幅度可达79%和61%,利用端元混合模型计算得出省里断面和峡背断面内源有机碳占总有机碳的比例分别为91.99%和88.39%,省里断面和峡背断面水生植物光合作用利用HCO-3作为无机碳源的比例为67.42%～99.75%和57.76%～69.78%,平均值分别为79.54%和63.13%。（4）省里断面溶解无机碳(DIC)变化范围为67.1～115.9 mg·L-1,平均值为96.5 mg·L-1,呈现白天下降夜间上升的变化。δ13CDIC变化范围-7.8‰～-9.9‰,平均值为-8.9‰,表现为白天偏重、晚上偏轻的动态变化,两者呈显著的负相关关系(相关系数为-0.79)。研究表明省里断面水生植物光合作用和呼吸作用以及钙沉降是控制DIC昼夜变化的主导因素。通过估算监测期间省里断面光合作用DIC转化速率平均值为1.2×10-5 mmol·L-1·S-1,Ca2+离子的沉积速率平均值为0.18×10-5mmol·L-1·S-1。因此,岩溶区河段水生生物光合作用及其固碳能力较非岩溶区河段明显增强。