万华岩表层岩溶带岩溶动力系统的特点研究

万华岩地区碳酸盐岩中普遍发育的非碳酸盐岩夹层,以及“土层+裂隙层”表层岩溶带双层结构对岩溶动力系统和水循环具有显著影响:非碳酸盐岩地段的地下水因其矿化度较低,CO2 含量较高,而具有较强的侵蚀、溶蚀能力,导致岩溶动力系统的物质和能量传输非常活跃,一个岩溶泉年溶蚀量(以CaCO3计)达2795.4kg;由于非碳酸盐岩夹层的普遍存在,不仅阻碍地下水向深循环,而且还有利于土壤、植被的发育。土壤、植被与地表岩溶裂隙网络对区内岩溶地下水还具有较好的调蓄作用,以致使区内有众多的小泉点在地表出露。      

典型表层岩溶动力系统的环境敏感性研究--以广西马山县弄拉峰丛洼地为例

利用多参数自动记录仪(CTDP300)对广西马山县弄拉监测站的降雨量及表层岩溶泉水的水位、水温、pH值、电导率进行了监测。结果表明,系统对环境变化响应及时。其地球化学行为表现为明显的季节与昼夜动态变化,且在不同的气候条件下,水化学动态变化有不同的表现。在正常气候(无雨)条件下,水温、pH与电导率之间具有较好的正相关关系。暴雨期间,降雨开始阶段稀释作用明显。降雨中后期,CO2效应逐渐占主导地位。因此有必要把水、岩、CO2气体作为一个整体来解释表层岩溶作用的水文地球化学行为。     

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.      

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。     

表层岩溶系统碳迁移路径及其土被效应探讨

为了弄清楚表层岩溶系统碳汇机理,有必要对该系统中气、液和固三相不平衡体系中碳的迁移途径进行研究。2010年,在板寨地下河流域布置了8个碳稳定同位素分析测试点。通过碳稳定同位素示踪剂及空气CO2分压对比,发现森林区岩溶水和自由大气中大部分碳是来自土壤空气。在表层岩溶系统碳汇过程中整个碳迁移路径可分为4个环节,依次为(1)植被光合作用吸收空气CO2;(2)土壤根系的呼吸作用及腐殖质分解向土壤释放CO2;(3)地下水循环岩溶作用将气态CO2转换成液态HCO3-离子;(4)地下水中的碳随水流向河流及海洋。在整个碳汇过程中,森林和土壤起到了“加压泵”的作用,大大提高了大气CO2向土壤空气CO2转换过程中的CO2分压,从而显著地提高了岩溶的作用速率。      

亚热带典型岩溶水系统的碳汇效应对比研究

选择中国南方亚热带地区具有不同地质背景和生态状况的广西柳州市官村地下河(灌木林生态环境、人类活动影响显著)、云南省广南县木美地下河(石漠化严重)和贵州茂兰板寨地下河(原始森林生态)3个岩溶水系统为例,对比研究岩溶水中溶解无机碳浓度和碳汇效应的差异。结果表现,(1)流域管道水的溶解无机碳平均浓度排列顺序为:官村>木美>板寨,表层岩溶带泉水的排列顺序为:木美>官村>板寨。(2)水的PCO2分压计算结果显示:3个流域岩溶水的方解石溶解度基本达到饱和,PCO2的大小顺序为:官村地下河>木美地下河>板寨地下河。(3)根据一个水文年的流量监测计算官村地下河流域的岩溶碳汇强度为12.34tC/(km2?a),板寨地下河流域的为11.8tC/(km2?a),木美地下河流域为34.11tC/(km2?a)。木美地下河流域的石漠化现状相当严重,石漠化面积高达90%,而板寨地下河为原始森林区,但木美地下河流域的岩溶碳汇强度却最大,这与其流域面积大、调蓄功能强,且有外源水补给有关。这也同时表明,单从生态环境的角度去研究岩溶作用碳汇潜力是不够的。      

表层岩溶带及其水循环的研究进展与发展方向

表层岩溶带是现代岩溶学一个很重要的概念,表层岩溶水对于解决西南岩溶山区居民的干旱缺水问题具有重要意义。近年来,不但揭示了表层岩溶带的特征、形成的动力条件机理及其含水层特征、开展了表层岩溶的自动化监测、研究了表层岩溶水与生态环境的相关性,还对西南表层岩溶水资源进行了初步评价。今后一段时期内表层岩溶水的主要研究方向是开展表层岩溶水与管道水的耦合关系研究、生态环境调蓄表层岩溶水的功能研究及表层岩溶水资源评价。      

中国岩溶碳汇潜力研究

为了应对全球环境变化,中国地质科学院岩溶地质研究所等单位在地质调查项目的资助下,在中国典型岩溶流域开展了岩溶碳汇调查,建立了岩溶碳汇观测网站,深化了岩溶碳汇过程、影响因素和形成机理研究,发现了岩溶区外源水、土地合理利用、植被恢复和水生光合作用等增加岩溶碳汇的途径,取得了大量的科技创新进展。在调查研究的基础上,将我国岩溶区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,利用GIS技术计算各区的岩溶面积和岩溶碳汇量,获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a,这是我国344万km2岩溶区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇。该项研究进展在2011年的《Science》通讯报道中获得高度评价。     

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。     

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。      

典型岩溶水系统碳汇通量估算

现代岩溶学研究成果表明,碳酸盐岩在全球碳循环中响应极其迅速,水循环过程中的碳汇效应显著。本研究选取广西桂林寨底地下河系统、广西环江大安地下河系统、重庆北碚青木关地下河系统三个典型岩溶地下水系统,利用各系统地下河的流量和HCO3-浓度的监测资料,采用简单化学平衡模式法估算碳汇通量(CO2)。结果显示,寨底地下河系统的单位面积年碳汇通量为68.82 t/(km2.a),大安地下河系统的单位面积年碳汇通量为81.18 t/(km2.a),青木关地下河系统的单位面积年碳汇通量为100.07 t/(km2.a)。分析认为同一个岩溶水系统的结构特征和环境条件基本上是稳定的;地下河的流量和HCO3-浓度是影响岩溶碳汇强度的关键因素,尤其是地下河流量的变化对碳汇强度的影响显著;不同岩溶水系统的碳汇通量不但受水化学条件和地下水动力条件的控制,同时受土地利用变化的影响。该研究对于改进碳循环模型和评价岩溶地质碳汇有重要意义。     

漓江流域丰水期外源酸对岩溶化学风化碳汇的影响

于2020年4月对漓江流域主要干/支流进行采样及监测, 结合Gibbs图、离子比值、Galy模型和同位素特征值方法, 分析流域内水化学特征及外源酸对流域岩溶碳汇的影响。结果显示: (1)受碳酸盐岩风化影响所控制, 漓江水体主要水化学类型为HCO3-Ca; [Ca2++Mg2+]/[HCO– 3]的当量比均值为0.87, [Ca2++Mg2+]/ [HCO– 3+SO2– 4+NO– 3]的当量比均值为1.07, 指示碳酸盐岩风化过程受到外源输入的硫酸和硝酸影响; (2)漓江流域最终出口(阳朔断面)的碳汇通量为974.86×103 mol·(km2·a)–1。各支流碳汇量占总出口比例的波动较大, 比例最小为小溶江, 只占总通量1.44%, 而贡献比例最大则为良丰河35.74%, 甘棠江和良丰河贡献比例合计达57.04%。(3)流域内各支流CO2消耗量的占比均值为10.02%, 存在显著的空间变化, 受不同流域的地质分布和流量的影响明显。(4)外源酸风化碳酸盐岩的DIC贡献率介于13%~55%之间, 空间变化上, 大榕江和桃花江的贡献比例较大, 均高于50%, 而外源酸对阳朔断面DIC贡献率低至13%。     

表层岩溶系统水化学成因及植被恢复条件下变化趋势——以广西马山弄拉兰电堂泉为例

常见的碳酸盐岩主要有灰岩和白云岩, 两者的岩溶作用机理不同, 因而常形成不同的地貌格局。在我国西南地区, 若在小范围内有灰岩和白云岩出露时, 往往在山体陡峭的部位出露质纯层厚的灰岩, 而山间平原多出露白云岩。这种地层组合结构致使表层岩溶带的发育具有独特的双重岩性结构。基于兰电堂表层岩溶系统的研究, 发现绝大部分水样的水化学类型均为HCO₃-Ca·Mg型, 其主要阳离子Ca²⁺和Mg²⁺质量浓度的季节动态变化趋势不明显, 但对短期降水稀释效应及森林植被CO₂效应的响应则非常迅速。将降水量小且比较均匀的8、9、10及12月水样的ρ(Ca²⁺)和ρ(Mg²⁺)关系曲线定义为"同比例溶解线", 并用其判别不同降水条件下泉水化学成分差异的成因。另外, 为了研究次生森林生态功能逐步恢复条件下岩溶作用强度的变化趋势, 对近10年来弄拉表层岩溶泉水化学组分进行分析对比, 发现岩溶水化学中主要阴、阳离子浓度均有增加趋势, 也进一步佐证了森林植被的岩溶效应。     

Bicarbonate Daily Variations in a Karst River: the Carbon Sink Effect of Subaquatic Vegetation Photosynthesis

Using the Guancun River, an underground stream-fed river, in Rong’an County of Guangxi, China as a case study, the daily biochemical cycle was examined in this paper based on the data collected a weeklong via high resolution data logger monitoring and high-frequency sampling. Furthermore, the loss of inorganic carbon along its flow path was estimated. Results show that chemical components of the groundwater input are quite stable, showing little change extent; while all of the chemical parameters from two downstream monitoring stations show diel variation over the monitoring period, suggesting that plant activity in the river has a strong influence on water chemistry of the river. The comparison of the input fluxes from the groundwater with the output fluxes of HCO3? estimated at the downstream monitoring station during the high-frequency sampling period shows a strong decrease of HCO3?, indicating that the river is losing inorganic carbon along its flow path. The loss is estimated to be about 1,152 mmol/day/m of HCO3? which represent about 94.9 kg/day of inorganic carbon along the 1,350 m section of the Guancun River. It means that HCO3? entering the river from karst underground stream was either consumed by plants or trapped in the authigenic calcite and thus constitutes a natural sink of carbon for the Guancun karst system.     

岩溶关键带及其碳循环研究进展

岩溶关键带的范畴包含了大气-(降水)-植被-土壤-裂隙-基岩-水组成的“碳-水-钙”循环强烈的表层岩溶带以及岩溶管道-洞穴-地下河-隔水层组成的巨大岩溶地下空间,岩溶关键带碳循环是岩溶地球系统科学研究的前沿方向。总结概括了岩溶地球系统科学发展至今的岩溶关键带范畴内碳循环及其对大气CO2源汇效应的研究成果,包括早期碳运移模型、当前主流的区域岩溶碳汇量的计算方法和结果以及“生物碳泵”的新发现等,讨论了当前岩溶碳循环研究框架过于单一或不一致以及碳周转时间尺度等问题,提出应对岩溶关键带碳输入、赋存以及碳输出的各个环节做出系统化监测,通过联网在线高分辨率监测站点的建设以及“3S”技术实现点位到区域的研究,使岩溶碳汇在全球碳循环模型中的重要性更具说服力。     

Advance of Karst Critical Zone and Its Carbon Cycle

The category of karst critical zone includes surface karst zones with strong carbon-water-calcium cycle composed of atmosphere-precipitation-vegetation-soil-fissure-bedrock-water and huge karst underground space composed of karst pipeline/fissure-cave-underground river-aquifer, which is the frontier direction of karst earth system science research. This paper summarized the research results of carbon cycle and its effect on atmospheric CO₂ source and sink from the scientific development of karst earth system up to now, including the early carbon migration model,the calculation methods and results of current mainstream regional carbon sink and the new discovery of bio-carbon pump, etc. It discussed the problems that the current research frameworks of karst carbon cycle are too single or inconsistent and time scales of carbon turnover are not the same. It was proposed that systematic monitoring of carbon input, storage and output in karst critical zone should be carried out. The importance of karst carbon sinks in the global carbon cycle model should be more convincing through the construction of online high-resolution monitoring sites and the "3S" technology to achieve point-to-area research.     

利用稳定同位素技术研究广西桂江流域水体中碳的来源

本文对岩溶区不同类型样品中的有机碳同位素样品前处理的分离提纯技术进行了研究,并对广西桂江流域水体进行了稳定有机碳同位素分析.结果表明,C3植物对桂江水体可溶性有机碳(DOC)有很大比例的贡献,而水生生物对水体有机碳影响较小.抚河流域比漓江流域有较高的(DOC)含量,可能与非岩溶区土壤微生物活动强,土壤活性有机碳含量高有...