山西马跑神泉泉域与广西龙寨地下河流域碳汇特征对比

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自工业革命以来,大气CO2含量增加了25%,其产生的温室效应,导致全球气温升高,海平面上升,对人类生产和发展产生的威胁,减少大气CO2含量成为全人类的共同问题。碳酸盐岩是地球上的最大的碳库,其通过岩溶作用参与全球碳循环,岩溶作用通过吸收CO2对碳酸岩产生溶蚀,形成一个CO2的汇,对降低大气中CO2浓度,减轻气候变暖具有重要作用。我国是一个岩溶大国,岩溶区面积约占国土面积的1/3强,岩溶碳汇潜力巨大,因此,为了估算岩溶作用对碳循环的作用,有必要明确气候、地质和生态环境条件影响岩溶作用的机理。本文选取山西马跑神泉泉域和广西龙寨地下河流域,分别代表我国北方岩溶区和南方岩溶区,通过水化学-径流法和野外溶蚀实验法估算流域碳汇通量,对比不同气候、地质和生态环境条件对岩溶作用对岩溶作用的影响,得出如下结论:(1)气候条件决定了南、北方岩溶区不同的岩溶动力条件,从而影响了岩溶碳汇能力。南方岩溶区龙寨地下河流域年降雨量为1525mm,地下水系统对大气降水响应较剧烈,雨季流量大,旱季流量小,最大值为最小值的42.5倍,年均径流模数为13L/(km2·s);北方岩溶区的马跑神泉泉域年均降雨量为444mm,地下水系统对大气降水响应相对微弱,全年流量基本稳定,年均径流模数为2.6L/(km2·s)。南方岩溶区的龙寨地下河流域含水介质以管道为主,地下水的流动以管道流为主,流速大;岩溶作用强烈;北方岩溶区的马跑神泉泉域含水介质以裂(孔)隙为主,水流速低,岩溶作用相对较弱。(2)地层岩性控制了流经该地区的水的地球化学组成和类型,马跑神泉与龙寨地下河流域均为裸露碳酸盐岩区,主要离子化学组成相似,阴离子中HCO-3占绝对优势,SO)42-<10%,阳离子以Ca2+、Mg2+为主,而且HCO-3与Ca2++Mg2+有很好的相关关系,表明HCO3-主要来自碳酸盐岩的风化过程,因此水中的HCO-3有一半是在碳酸盐岩的溶蚀过程中来自大气或土壤中CO2。而马跑神泉下游的郭庄泉域为覆盖岩溶区,由于受南北陡立岩带中奥陶统石膏的影响,SO42-含量较高,为SO4·HCO3-Ca·Mg水。SO)42-/HCO3-当量比为0.44,表明存在H2SO4条件下的碳酸岩溶蚀。(3)采用水化学-径流法估算马跑神泉泉域和龙寨地下河流域的CO2通量分别为7.84t/(km2·a)和32.13t/(km2·a),龙寨地下河流域的CO2通量是马跑神泉泉域的4.1倍,南方岩溶区的碳汇通量远大于北方岩溶区。另外,南方岩溶区碳汇通量年内差异大,丰水期占62%,平水期占32%,枯水期仅占6%,北方岩溶区碳汇通量年内分布则较均衡。(4)野外溶蚀试验的研究表明:南方岩溶区的溶蚀速率明显高于北方岩溶区,柳江流域平均溶蚀速率为2.87mg/cm2·a,为马跑神泉泉域(0.71mg/cm2·a)的4倍。马跑神泉泉域林地的溶蚀速率最大为0.91mg/cm2·a,分别是灌丛和草地的1.4倍和1.6倍,且地上部分溶蚀量大于地下部分;柳江流域林地的溶蚀速率3.18mg/cm2·a,,分别是草地和灌丛的1.1倍和1.3倍,但与北方相反,地面溶蚀量小于地下溶蚀量,由此可见,植被条件明显了影响岩溶碳汇的强度,随着植被的正向演替,岩溶碳汇通量有增加的趋势,因此,提高流域碳汇量要从加强石漠化的预防和治理,促进植被的正向演替着手。(5)植被及土壤条件对岩溶碳汇具有很大影响,随着植被的正向演替,土壤有机碳的含量逐渐增大,马跑神泉林地、灌丛和草地土壤总碳量分别为2.66%、2.17%和2.11%;柳江流域分别为4.43%、3.58%和1.83%。马跑神泉草地、灌丛和林地的有机碳含量分别为0.91%、1.01%和1.62%;在柳江流域草地、灌丛和林地的有机碳含量分别为1.79%、3.24%和4.18%。柳江流域土壤碳主要以有机碳的形式存在,林地、灌丛和草地土壤有机碳分别占土壤总碳的94%、91%和98%;马跑神泉泉域土壤碳则无机碳所占比重较大,林地、灌丛和草地无机碳含量分别占总碳的39%、53%和57%;土壤中有机碳含量随深度的增加而降低,无机碳随深度则无明显变化规律。(6)在影响岩溶碳汇作用的因子中水为最直接的因子,这就是为什么水化学-径流法比溶蚀试片法估算的碳汇量大的主要原因。因为本次溶蚀试片只埋放于土壤中,没有埋放地下水裂隙和管道中,而该环境的溶蚀作用更强烈。因此采用溶蚀试片法估算的碳汇量,要比实际的值小。
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