土地利用变化对喀斯特水体溶解无机碳、总氮和总磷输出的影响——以贵州普定沙湾模拟试验场为例

耦联水生光合作用的碳酸盐岩风化碳汇是全球碳循环研究的关键问题,生物碳泵效应不仅能够稳定碳酸盐风化碳汇,也有利于改善水环境,而过量输入氮、磷会导致水环境变差。土地利用变化作为全球变化重要内容之一,对流域碳氮磷的输出具有重要影响,但关于土地利用变化对喀斯特水体溶解无机碳、总氮和总磷输出影响的研究有待进一步加强。本研究以贵州普定沙湾喀斯特试验场为研究对象,以研究土地利用变化对水文、水化学、溶解无机碳汇通量、总氮通量和总磷通量的影响。结果表明,流量、径流深、土壤CO₂浓度、pCO₂、HCO₃^-浓度和电导率呈现出夏秋季节高、春冬季节低的变化特征,与pH变化相反。样地间,土壤CO₂浓度、pCO₂、HCO₃^-浓度和电导率表现为草地>灌丛地>农耕地>裸土地>裸岩地,与pH变化相反。参与岩溶作用的土壤CO₂是造成水化学变化的主要原因。溶解无机碳汇通量和总氮通量呈现出夏秋季节高、春冬季节低的变化特征,总磷通量秋季最高、春季最低。样地间,草地溶解无机碳汇通量最大,HCO₃^-浓度是决定溶解无机碳汇通量大小的主导因素。有植被覆盖的土地利用方式的总氮、总磷浓度及其通量明显低于无植被生长的类型,总氮通量灌丛地最小,总氮浓度是决定总氮通量大小的主导因素,总磷通量草地最小,而流量是决定总磷通量大小的主导因素。综上,我们认为可以通过调整土地利用方式来达到增加岩溶碳汇和改善水环境双赢的目标。     

四川黄龙沟天然水中的深源CO_2与大规模的钙华沉积

在有大规模钙华沉积的四川黄龙沟中,使用化学成分数据以及碳氧稳定同位素组成对其水文地球化学特征进行了分析研究。研究区钙华沉积的地表溪流水质基本上受到两种水混合的制约,即断层泉水和山区的融雪(冰)水。泉水中含有高浓度的经由断层提供的CO2,结果高浓度的溶解CO2使得其溶解的碳酸盐岩比普通的岩溶泉溶解的碳酸盐岩高得多,同时也导致硅酸盐岩的溶解。黄龙沟中上游的泉水相对于方解石接近于平衡。溶解无机碳(DIC)的浓度和它们的δ13C值是大约由c=0.02mol·L1δ13C=-3‰的CO2(aq)与含有δ13C=+3‰的碳酸盐岩在封闭系统条件下反应的结果。估计这些CO2中约有70%来自上地幔。所有泉水的水化学数据均落在高岭石稳定域内,但对Na长石和Ca长石具有侵蚀性。由于这些长石矿物的溶解速率太慢,所以水中的化学成分远离长石稳定域。地表溪流的DIC种类之间达到同位素平衡,在不同观测点发现的δ13CDIC变化主要是由于从水中释放出的CO2的程度不同引起的。水样的δ18O值与其采集点的海拔高度之间存在线性关系;研究区的地表溪流的氧同位素组成受到蒸发的制约。在流经钙华沉积物的地表溪流中白天和夜晚的水化学及pH的日变化表明生物作用促进了碳酸盐的沉积,尽管作用不显著。据估计研究区碳酸钙的日沉积速率是4778kg·km2,即约1mm·a1。     

喀斯特水库碳、硅耦合循环:以红枫湖、普定水库和平寨水库为例

通过研究红枫湖、普定水库和平寨水库三个喀斯特水库的碳、硅循环,探讨了水库碳-硅循环的耦合关系。藻类光合作用导致表层水体溶解硅(DSi)及溶解无机碳(DIC)的亏损;当DSi供应不足时,硅藻生长繁殖大量消耗DSi,导致DSi相对DIC快速亏损。沉降颗粒物中内源有机碳含量越高,生物硅(BSi)及有机碳(OC)含量越高,但OC/BSi受控于硅藻对沉积物有机碳贡献率,且与之呈反比。生物硅与有机碳含量之比K值(K=BSi/OC)可作为硅藻贡献率的潜在替代指标,并与之呈正相关;生物硅与内源有机碳(OC_(auto))含量之比K_(auto)值(K_(auto)=BSi/OC_(auto))可作为水体富营养化程度的潜在替代指标,并与富营养化程度呈负相关。     

云南自水台现代钙华δ13C的季节和空间变化特征研究

对云南白水台引水渠道中钙华沉积的δ13C值分析发现,白水台引水渠道中钙华δ13C值与降雨量有着较好的线性负相关关系,这一发现为下一步利用当地古钙华的δ13C数据重建古降水量提供了实验与理论基础.而造成雨季钙华δ13C值偏负的原因是雨后形成的低δ13C值的坡面流对高δ13C值的渠道水的稀释效应,降低了渠道水的δ13C值.水中贫13C的CO2逸出至大气是下游方向钙华δ13C偏正的主要原因.     

水力坡度对溪流钙华沉积的影响

在有钙华沉积的云南白水台景区引水渠道中,通过水准测量以及导线测量的方法,获得了引水渠道各研究点的相对高程和距离。利用流速仪测定了各研究点的水流流速,通过计算获得了各研究点的总水头和水力坡度。利用水化学记录仪,在短时间内测定了各研究点的电导率、水温与pH值,结合现场滴定以及室内水样分析的结果,计算出各点的方解石饱和指数和二氧化碳分压。发现在方解石饱和指数大于0.8的研究渠段,电导率、Ca2+和HCO3-浓度沿水流方向降低,经成因分析与数学推导,得出Ca2+浓度与总水头呈线性关系,水力坡度与渠段上的钙华沉积量也呈线性关系,这是岩溶作用动力学扩散边界层控制理论的具体体现,也即水力坡度越大,流速越快,扩散边界层越薄,碳酸钙沉积速率越大。     

基于生物标志物法的珠江流域有机碳溯源及DIC施肥效应研究

内源有机碳由地表水体水生光合固定DIC产生,是岩石风化碳汇的重要组成部分。为准确区分河陆地流水体中的内源有机碳及计算其所占比例,本文选取珠江流域作为研究区,通过不同季节的野外采样调查,利用类脂生物标志物法,结合传统水化学特征,揭示河流中有机碳的来源差异;最终根据有机碳的时空分布规律与水-岩-土-气-生相互作用分析,明确流域岩性及气候变化对碳汇的影响。结果表明:(1)珠江流域水体中冬季和夏季内源有机碳占总有机碳比例的平均值分别为65%和54%,表明水生植物光合作用导致的初级生产力的重要性;(2)内源有机碳比例和水生藻类生物量与DIC浓度和呈现出显著的正相关关系,表明DIC对水生植物光合作用具有施肥效应;(3)雨季因降雨稀释DIC浓度和冲刷外源有机质,对水生植物的施肥效应减弱,生成的内源有机质减少,且携带的外源有机质增加,导致内源比例减少;(4)高悬浮质(TSS)可以遮挡水体表层太阳光,减弱水生光合作用强度,降低内源有机碳的形成;但在TSS浓度比较低的情况下,其对水生植物生长繁殖的影响则体现在为其提供空间和营养物,从而增加水生藻类生物量及内源有机碳比例。     

中国南方喀斯特地区碳循环研究进展

中国南方喀斯特地区碳循环路径与过程基本清晰,与其他陆地生态系统明显不同,呈现出鲜明的区域特色:雨热同季、地质构造背景与碳酸盐岩可溶性的耦合,导致碳酸盐岩中大量封存的碳重新进入生态系统碳的循环;二元三维结构中地下空间CO_2具体动态变化性,可视为次级碳库,影响生态系统碳的循环过程;陆生植物、水生植物均有利用HCO_3~-碳源进行光合作用的新途径;发现了碳酸盐岩快速的风化作用与水生植物生物碳泵的耦合机制,喀斯特作用碳汇效应得以确证。但是,中国南方喀斯特地区碳循环的研究还存在明显不足:喀斯特作用碳汇量的估算受到气候变化、土地利用变化的正负机制、外源酸等多因素的挑战,还具有很大的不确定性;植被、土壤与岩石、地下空间次级碳库、大气、大气降水存在复杂的多界面作用过程,碳的通量及迁移转化机制仍不明确。未来研究应重视:针对喀斯特地区特点的新研究方法、技术的研发;喀斯特关键带理念的统领;联网长期观测;模型的集成与创新。     

不同土地利用对洱海入湖河流溶解无机碳(DIC)浓度及其碳同位素组成(δ13CDIC)的影响

不同土地利用对河流中的溶解无机碳(DIC)浓度及其碳同位素组成(δ¹³C_DIC)的影响有很大差别,但其机制仍有待进一步揭示。本文以洱海入湖河流为研究对象,分别于2020年10月(雨季)和2021年1月(旱季)采集了洱海主要入湖河流的水样,测定了入湖河流的基本物理参数、主要阴阳离子及δ¹³C_DIC组成,对其中岩性相似的流域进行了土地利用方式对河流DIC浓度及其δ¹³C_DIC组成的影响分析。结果表明,洱海入湖河流的pH呈弱碱性,主要阳离子为Ca²⁺和Mg²⁺,主要阴离子为HCO^-₃。入湖河流的DIC浓度在0.35～4.6 mmol/L之间,由于稀释作用雨季的DIC浓度小于旱季。河流δ¹³C_DIC在-12.59‰~-2.99‰之间,北部流域、南部流域的河流以及洱海中部的白鹤溪、黑龙溪、中和溪和莫残溪的δ¹³C_DIC值要比其它河流偏负。在流域内岩性相似情况下,洱海入湖河流中的DIC浓度随着流域内的建设用地面积占比的升高而增加,随着植被(林地+草地)覆盖面积占比的升高反而减小。流域内林地和草地面积占比越大δ¹³C_DIC越偏正,耕地和建设用地面积占比越大入湖河流中的δ¹³C_DIC越偏负。其中的原因是受到耕地施肥和污染物排放等人为活动的影响,耕地中的土壤CO₂升高及河流中生物活动增强,导致洱海入湖河流的DIC浓度升高及其δ¹³C_DIC偏负,从而掩盖了林地和草地对河流中的DIC浓度及其δ¹³C_DIC的影响规律。在土地利用的影响方面,洱海入湖河流中的DIC浓度受到河流建设用地的影响最大,耕地的影响相对于建设用地来说要弱;δ¹³C_DIC也受到建设用地和耕地的控制,林地和草地对河流中的DIC浓度及其δ¹³C_DIC的影响较小。     

洞穴滴水-CaCO_3体系氧碳同位素组成的气候意义研究现状和问题

近年来,通过对洞穴滴水-CaCO3体系各项指标的长期监测,以了解现代碳酸钙沉积的形成机制成为了石笋古气候研究的重点。尤其是对滴水-CaCO3体系氧同位素组成(δ18 O)的研究取得了显著的进展。人们在对滴水和CaCO3的δ18 O与古温度关系的研究中,不断地修改普遍使用的关系式,甚至提出了适合自身研究区石笋δ18 O与温度的关系式。无疑这将增加利用石笋氧同位素组成重建本地区古温度的可信度。在对碳同位素组成(δ13 C)的研究中,学者们更加细致地研究了各种影响滴水δ13 C值的因素(如先期碳酸盐沉积PCP、通风条件等),为更好地利用石笋δ13 C重建古气候环境提供了科学支撑。由于洞穴监测条件的限制,至今大多数洞穴都未能建立起完善的自上而下的监测体系,所以对一些δ18 O、δ13 C变化的解译仍然存在多解性和不确定性,有待未来的研究继续加强。     

珠江流域水化学组成的时空变化特征及对岩石风化碳汇估算的意义

基于水-岩-气-生相互作用的碳酸盐风化碳汇模型表明,陆地碳酸盐风化碳汇是大气CO_2汇的重要组成部分;然而,碳酸盐风化碳汇的过程、机制和控制因素仍有待进一步的研究。本文采用野外监测、现场滴定和样品室内测试相结合的方法,对珠江流域支干流分旱季和雨季进行了4次野外监测取样,研究其水化学组成的时空变化特征。结果表明:珠江流域支干流的水化学组成受流域岩石风化、气候和水生光合作用的共同影响,并具有明显的时空变化特征。空间上,南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,水流较慢,水质清澈,水生光合作用强烈,电导率、[HCO_3~-]和[Ca~(2+)]的空间变化主要受水生光合作用控制;从红水河上游蔗香段至肇庆西江大桥监测点,反映的是流域岩石风化对水化学空间变化的影响。季节变化上,西江的电导率、[HCO_3~-]和[Ca~(2+)]呈现出夏季低、冬春季高的特征,主要反映稀释效应的控制。西江干流河水的溶解氧具有明显的季节变化,在上述南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,DO是夏季高冬季低,其他监测点是冬季高而夏季低;DO的季节变化受水生光合作用强度的控制。在南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,温度是光合作用强度的限制因子,而其他监测点的光合作用限制因子为浊度影响的光照。造成上述差异的原因是监测点的水文环境不同。通过对梧州水文站流量和[HCO_3~-]变化的分析发现,[HCO_3~-]的季节变化幅度相对流量小得多,显示在西江流域中,HCO_3~-也存在化学稳定性行为。因此在西江流域中,流量变化是岩溶碳汇通量变化的主控因子。研究还发现,西江流域中具有强烈的生物碳泵效应,由内源有机碳形成的碳汇通量约占传统计算模式碳汇(溶解无机碳-DIC)通量的40%。因此,在估算珠江流域碳酸盐风化碳汇时,必须考虑水生生态系统光合生物对DIC的利用形成的有机碳的贡献。