岩溶作用碳汇强度变化的土地利用调控规律——贵州普定岩溶水-碳通量大型模拟试验场研究

针对野外监测面临的岩溶流域边界难以确定以及多种土地利用混杂在一起的问题,在贵州普定建设了不同土地利用条件下岩溶水-碳通量大型模拟试验场,监测研究了不同土地利用条件下的入渗系数和岩溶作用碳汇强度。结果表明,不同土地利用条件下的入渗系数和岩溶作用碳汇强度差异明显,径流强度强烈影响着岩溶作用碳汇强度,模拟裸岩地、荒地、农耕地、草地、灌木地的碳汇强度分别为14.31、12.27、11.79、9.17和12.24 t/(km2·a)。与传统认识不同的发现是,生物量最大的草地,其岩溶作用碳汇强度最小,而裸岩地的岩溶作用碳汇强度最大。这表明:在试验场尺度下,不同土地利用通过改变径流强度和土壤CO2含量这两个因素,对岩溶作用碳汇强度产生影响,且因水化学的恒定行为,径流强度决定碳汇强度,因此在考虑生态系统修复时,不仅需要考虑生物量增加带来的增汇效应,还要考虑到径流强度降低带来的减汇效应。     

土地利用对岩溶作用碳汇的影响研究综述

耦合水生光合作用的岩溶作用碳汇新模式的提出使得碳酸盐岩的风化过程成为寻找“陆地剩余碳汇”(residual land sink) 的新方向。传统意义上,碳酸盐岩风化在全球碳循环模型中被认为是未快速响应地表环境变化的地质过程,然而最新一系列研究表明人类土地利用显著改变了这一地质循环过程。文章总结了岩溶作用碳汇对不同土地利用/覆被变化的具体响应,并对其机理进行了系统分析。发现土地利用与覆被变化影响岩溶作用碳循环过程主要源自土壤CO2浓度和径流量变化以及外源酸（硝酸和硫酸）的介入。证据显示在土地利用对岩溶作用碳汇的调控中土壤CO2浓度与径流量是复杂且相互制约的两个机制,人类活动产生的外源酸干扰在不同层面上的影响也不同。由于地表水生生态系统所产生的内源有机碳（AOC）的巨大稳碳能力(水生碳泵效应)在以往的研究中并没有与碳酸盐岩风化过程相联系,因而其对土地利用变化的响应过程和机理是岩溶碳循环研究的最新方向。基于土地利用调控碳酸盐岩风化过程的复杂性和多样性特点,综合考虑岩溶作用产生的DIC(溶解无机碳)与AOC在不同土地利用情况下的相互关系以及定量分析各环境因素的具体效应成为了合理制定人为土地利用调控策略的必要前提,也是岩溶作用碳汇研究的未来发展方向。      

不同植被条件下岩溶地下水δ13 CDIC的差异研究——以贵州夜郎洞、天钟洞和普定岩溶水碳通量模拟试验场为例

影响石笋δ 13 C的因素众多, 且其中一些影响机制未知, 从而导致利用石笋δ 13 C准确重建古环境仍存在一定的困难。作为形成石笋母液的洞穴滴水, 其δ 13 CDIC变化必然会导致石笋δ 13 C的变化, 因而只有对影响洞穴滴水δ 13 CDIC的各种因素进行细致的研究才能更好地利用石笋δ 13 C重建古气候环境。对贵州夜郎洞、天钟洞和普定岩溶模拟试验场的研究均表明, 雨季上覆植被生物量的大小以及植被类型(C3和C4)是控制岩溶地下水δ 13 CDIC变化的主要因素。而对于夜郎洞的研究还得出旱季先期CO2脱气作用对岩溶地下水δ 13 CDIC的影响较大,如夜郎洞C3植被下雨季δ 13 CDIC值在-10.94 ‰ ~-12.15 ‰ 之间, 旱季为-3.66 ‰ ~-5.50 ‰, 夜郎洞C3植被下滴水点雨季旱季之间差异最大达到-8.49 ‰, 这些不仅仅是由生物量的变化而引起的, 先期CO2脱气对滴水碳同位素的影响也是不可忽略的。不同于夜郎洞旱季滴水δ 13 CDIC, 先期CO2脱气作用对天钟洞滴水δ 13 CDIC的影响较小, 天钟洞滴水δ 13 CDIC总体上能够反映上覆植被发育状况, 因而先期CO2脱气作用等过程对滴水δ 13 CDIC影响因洞穴而异, 可能反映了洞穴顶部包气带不同水文地质条件的影响。     

土地利用变化对典型碳酸盐岩流域风化碳汇的影响——以云南小江岩溶流域研究为例

地球陆地岩石的风化过程要消耗大气或土壤中的CO2,成为大气CO2巨大的汇。以中国云南小江流域为例,研究了典型岩溶地区碳酸盐岩风化吸收CO2(碳汇)强度与土地利用变化之间的关系。选择了有代表性的12块土地及其利用变化的25个地下水监测点,分析了1982年、2003年这些监测点的600多组地下水化学监测数据。12块土地利用变化中,有4块为林地变耕地,3块未利用地变耕地,4块未利用地变林地,1块为林地变建设用地。研究结果表明:首先,土地利用变化后,地下水化学成分变化极大;第二,将风化过程中吸收大气或土壤中CO2的那部分C(用HCO3-表示)与整个风化过程中参与风化的全部C的百分比,定义为碳酸盐岩化学风化对土壤或大气CO2吸收强度(简写为CIS,%),推出了计算式子为CIS(%)=100×[1-(Ca2++Mg2+)total waters)/HCO3-total waters]。估算了4种土地利用类型从1982年到2003年22年间CIS的变化值。结果是,(1)林地的CIS比未利用地高,前者为48.84%,后者47.66%;(2)未利用地转变为耕地后,CIS平均减少了7.85%;林地转变为耕地后,CIS平均减少了8.59%;林地转变为建设用地后,CIS平均减少了1.66%,而未利用地转变为林地后,CIS平均增加了1.74%。(3)讨论了土地利用变化对CIS的影响机理,如未利用地或林地变为耕地后,(NH4)2PO4、CO(NH2)2、NH4NO3、(NH4)2SO4等氮肥的大量使用,硝化后产生的硝酸等干扰或抵消了碳酸对碳酸盐岩化学风化作用,导致了岩溶地下水中Ca2+,Mg2+离子的相对增多,HCO3-离子相对减少,促使CIS减小。     

岩溶地区土地利用变化的水文响应研究——以贵州后寨河流域为例

以贵州普定后寨地下河流域为研究区,在分析流域生态环境特征以及岩溶水形成机制的基础上,通过野外调查、资料收集并结合现代空间技术、地理信息系统和遥感技术,研制开发了适合我国后寨河流域的基于落水洞的岩溶半分布式水文模型,分析了土地利用/覆被变化对流域径流的影响以及流域产汇流参数对比关系.结果表明:生态建设后除最大土壤蓄水量增大外,其它产流参数变化不大;汇流参数基本小于生态建设前,但相差不大;在降雨条件不变的情况下,生态建设后的产流量小于生态建设前的产流量,生态建设前土地覆被下的流量在低水位时比生态建设后的流量稍高,而在高水位时生态建设前流量比生态建设后的流量稍低.     

饱水-风干循环作用下砂岩强度劣化规律试验研究

砂岩是我国石窟寺最常见的赋存岩石类型,其本身疏松多孔,易发生强烈的水-岩溶蚀作用,严重威胁着石窟寺岩体的稳定性及宝贵的艺术价值。本文通过室内干湿循环模拟试验,从宏观力学与微观结构方面研究了水-岩溶蚀条件下安岳石窟砂岩的劣化损伤规律,探讨了石窟寺砂岩的阶段异质性劣化特征与损伤机制。研究发现：质量、波速、强度等岩石基本物性指标均随干湿循环进行而逐渐劣化;孔隙变化、微观形貌变化、矿物含量变化具有阶段性劣化特征,是决定砂岩阶段异质性劣化效应的3个关键因素。劣化损伤可分为3个阶段：以孔隙扩展主控的第1阶段、以微观接触结构损伤主控的第2阶段、以穿晶破裂主控的第3阶段。基于干湿循环作用下砂岩的阶段异质性劣化特征与损伤规律,本文进一步建立了砂岩劣化损伤演化模型,并针对性地提出了石窟寺岩体修护建议,可为长期处于水-岩溶蚀条件下的石窟寺岩体保护提供一定的理论依据。

     

饱水-风干循环作用下砂岩强度劣化规律试验研究

库水位变幅带是库岸边坡稳定的敏感地带,饱水-风干循环作用下岸坡岩体的强度将如何劣化,以及由此引发的地质灾害问题都是十分严峻而又不可回避的。特选取三峡库区典型库岸边坡变幅带区域砂岩为研究对象,进行饱水-风干循环作用试验,试验结果表明,在饱水-风干循环过程中,砂岩试样的抗压强度、凝聚力和内摩擦角均逐渐劣化,变化趋势基本一致,而且,浸泡时水压力变化幅度越大,饱水-风干循环次数越多,损伤效应越明显,说明水压力的升、降和饱水-风干循环作用对岩样的损伤有累积作用。最后,基于砂岩试样的饱水-风干循环作用试验研究,对饱水-风干循环作用的水-岩作用机制进行了详细地探讨。研究成果对于把握库岸边坡变幅带岩体性质劣化规律具有较大的参考价值,为库岸边坡的长期稳定性分析提供了有益的依据。     

近27a来典型白云岩流域岩溶碳汇变化及其调控机制——以贵州施秉黄洲河流域为例

以贵州省施秉县黄洲河典型白云岩岩溶小流域为例,基于白云石化学平衡热力学方法分别定量估算出1990-1992年、2001-2003年及2016-2018年白云岩流域的年均岩溶碳汇强度,并分析其对气候变化、土地利用调控的响应,结果表明:（1）流域内第二个时段年均有效降雨最大,其次是第一个时段,第三个时段的最小;（2）流域内主要以有林地为主,旱地、建设用地持续增加但增长速率减缓,总体上流域植被覆盖度呈现上升趋势;（3）流域整体的岩溶碳汇强度由大到小依次为2002年、1990年、2016年,水田与旱地对岩溶碳汇贡献较大;（4）气候变化与土地利用共同控制岩溶碳汇,碳汇强度可能不随地类正向演替而增大。      

表层岩溶泉域短时间尺度岩溶作用碳汇效应初步研究——以重庆市金佛山水房泉域为例

本文以水房泉表层岩溶泉域为例,通过CDTP300多参数自动水质监测仪提供的年际连续的电导率、水温、水位,利用岩溶水化学-径流量方法计算出水房泉连续两年各月的CO2吸收量和年吸收总量。计算结果显示水房泉各月CO2吸收量中6、7、8三个月吸收量较大,1、2、12月吸收量均较小;年最大CO2吸收量出现在7月份,年中最小CO2吸收量出现在1月份。水房泉各月CO2吸收量同水房泉出口月径流量和月降雨量都有很好相关性,雨季吸收量远大于旱季吸收量。泉水HCO3-含量受到气温、降水、径流量和土壤CO2含量的综合影响, HCO3-含量的最高值与月CO2吸收量的最大值在时间上存在2个月的滞后现象。相对于较大流域碳汇的估算,以小流域为对象从短时间尺度计算碳汇更加精确,而且对于流域岩溶作用碳汇过程及其控制机理的深入揭示也是非常必要的。      

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。     

岩溶作用及其碳汇强度计算的“入渗-平衡化学法”——兼论水化学径流法和溶蚀试片法

岩溶作用通过碳酸盐岩溶解时消耗大气或土壤CO2成为重要的碳汇过程。本文首先简要介绍了定量评价岩溶作用及其碳汇强度的水化学径流法和碳酸盐岩溶蚀试片法及其优缺点,即水化学径流法仅适用于边界清楚且为全排型的流域,而试片法仅适用于土壤中不含碳酸盐矿物的条件。继而推导出了岩溶作用及其碳汇强度计算的“入渗-平衡化学法”(或称“潜在最大溶蚀法”),该方法的优点在于只要知道了相关地区的基本气候资料,如温度、降水和蒸发蒸腾数据,即可计算出该地区的岩溶作用及其碳汇强度。     

岩溶碳汇效应研究中“碳”测定的不确定度分析——以溶解性无机碳为例

为建立非分散红外吸收法测定岩溶区流域水体中溶解性无机碳(DIC)分析结果不确定度的评定方法,采用不确定度连续传递模式,对两个岩溶地下水样的DIC测定结果的不确定度进行了评定。其主要做法是:先采用双误差回归方式对校准曲线进行拟合,对评定过程中各个不确定度分量进行量化,然后合成得到DIC测定结果的不确定度评定模型。通过实验结果计算表明:(1)测定结果的不确定度主要来源于标准溶液引入的不确定度、曲线拟合产生的不确定度和测定过程产生的不确定度。(2)样品的DIC含量越低,其相对不确定度越大,且校准曲线在拟合过程中所引入的不确定度对其测定结果的总不确定度具有较大的贡献率。      

表层岩溶系统中土-气-水界面碳流通的短尺度效应——以贵州茂兰国家喀斯特森林公园的秋季日动态监测为例

在2001年秋季对贵州省荔波县茂兰国家喀斯特森林公园林地、草地植被下土壤CO2呼吸释放及岩溶表层泉水HCO3及其δ13C值的变化进行了日动态的野外监测,表明岩溶系统中土-气-水界面间存在着碳交换的日动态变化以及所伴随的同位素交换的变化,这种变化与土温的日动态有密切的关系。林地植被显示了平抑这种日动态幅度的效应,而草地植被则显示响应于温度变化的较灵敏的动态变化。这种短尺度的变化构成了表层岩溶系统对外界条件的灵敏响应,进一步揭示了在生物作用下岩溶地质作用在碳循环过程及其同位素交换上的灵敏性和动态性。其不同植被系统下的日动态差异在解释岩溶沉积记录和讨论岩溶作用与碳循环时值得充分注意。     

峰丛洼地自然封育过程岩溶水溶解无机碳的变化——以桂林丫吉试验场为例

以桂林丫吉试验场为例,检验植被恢复对岩溶碳汇的影响作用。上世纪80年代,丫吉试验场峰丛洼地的植被受砍伐干扰,地表以草地居多,此后施行自然封山育林,植被经二十多年的封育后,现在变成为灌木林,土壤中植物根系呼吸和微生物异养呼吸增强,土壤空气中CO2含量上升,岩溶作用增强,泉水输出的无机碳通量增加。通过建立系统的水化学混合模型,将泉水的无机碳通量分解为原水输出和降雨补给引起的新水输出。在一次典型的强降雨过程,S31岩溶泉原水输出量占总量的65%~83%,而降雨补给引起的新水无机碳输出通量较少,且不能反映生态环境的变化,因此应以原水中溶解无机碳的浓度衡量整个生态环境对岩溶作用的影响。长期的观测表明由于植被的改变导致原水输出的无机碳含量提高了27%,而原水在岩溶泉的年流量中所占的比例高达72%~84%,其中由植被演化造成岩溶碳汇增加的幅度为19%~23%。      

基于主成分分析的岩溶水水化学组成及影响因素研究——以贵州水城盆地为例

2015年9月对贵州水城盆地进行采样,共采集地下水样品12个,地表水样品10个,综合运用相关性分析、主成分分析等方法,并结合PHREEQC软件对矿物饱和度指数的计算结果,探讨了地下水、地表水水化学特征现状及其影响因素。研究结果表明:水城盆地岩溶水的水化学类型主要为HCO3-Ca型,部分为SO4-Ca型,地下水和地表水水化学组成主要受Ca2+、K++Na+、HCO3-、SO42-和Cl-影响。研究区地下水和地表水中Ca2+和HCO3-主要来源于碳酸盐岩地区的水-岩反应,水体中Cl-、NO3-和Na+主要来源于城镇生活污水、屠宰废水排放。地下水水质受水-岩反应影响,部分区域受到人类活动干扰明显;地表水水质在钟山区方向主要受沿途生活污水和农业面源污水汇入影响显著,而在水城县方向受煤矿企业排放废水影响较大。      

水-岩作用的线性规划模型与应用研究——以溪洛渡水电工程为例

采用水-岩作用热力学模拟的方法,以溪洛渡水电站工程为实例,从水化学方面对坝区复杂水文地质条件作了定量分析评价。研究成果充分反映了水-岩作用这种物理化学反应的结果,同时也为正确评价溪洛渡水电站复杂水文地质条件提供了可靠的依据。     

加强我国土地利用/覆盖变化及其对生态环境安全影响的研究——-从荷兰“全球变化开放科学会议”看人地系统动力学研究的发展趋势

综述了在荷兰阿姆斯特丹召开的"全球变化开放科学会议"的主要学术成果,从中分析了在全球变化研究的各个领域,人类活动在全球变化中所起作用的重要方面。在此基础上,阐述了我国如何加强在全球变化和可持续发展研究中,开展土地利用/覆盖变化及其对生态环境安全影响研究的重要方向。以此研究揭示土地利用变化的驱动力,土地覆盖变化的生态效应,土地利用/覆盖格局对生态环境安全的影响机理。着眼我国生态系统对全球变化的可能响应,重构了我国生态环境安全条件下的土地利用/覆盖的空间宏观格局。     

水-岩作用对储层渗透性影响的数值模拟研究——以鄂尔多斯盆地东北部上古生界砂岩储层为例

油气储层的质量及演化往往受沉积作用和成岩作用的共同制约,成岩作用是影响储层孔渗最直接的因素,水-岩反应贯穿于整个成岩作用阶段,决定了孔渗的演化过程。本次研究以鄂尔多斯盆地东北部上古生界陆源碎屑岩储层下石盒子组-山西组为对象,运用多相流反应溶质运移数值模拟的方法,定量研究水-岩化学作用对含油气盆地储层渗透性能的影响,再现水-岩反应所造成的储层矿物溶解、沉淀以及储层渗透性的变化。结果表明：在成岩作用初期,矿物溶解过程占主导地位,模型运行50 Ma时,储层孔隙度由初始的0.30增至0.36,渗透率由初始的5.00×10^-15 m²增至8.70×10^-15 m²;在油气充注阶段（气体CO₂为主）,整个成岩作用矿物的沉淀量大于矿物的溶解量,导致固相体积增加,模型运行20 Ma时,储层孔隙度由0.20降低至约0.15,渗透率由5.00×10^-13 m²下降至约2.00×10^-13 m²。