岩溶区地下水补给型水库表层无机碳时空变化特征及影响因素

为更深入地认识岩溶区地下水补给型水库表层无机碳的循环过程,于2014-07-12~2014-07-20期间,以广西上林县大龙洞岩溶水库表层水体为研究体系,对无机碳循环研究的重要指标进行定点观测和高密度的昼夜监测.结果发现:1从上游到下游DIC含量和水体p CO2值逐渐增加[DIC(平均):122.88 mg·L-1增至172.02 mg·L-1,p CO2(平均):637.91×10-6增至1 399.97×10-6],δ13CDIC值逐渐偏负[δ13CDIC(平均):-4.34‰降至-6.97‰].2库区均为大气CO2的源,CO2交换通量在7.11~335.54 mg·(m2·h)-1之间,平均125.03 mg·(m2·h)-1,上游和下游地区CO2交换通量较大[平均131.73 mg·(m2·h)-1、170.25 mg·(m2·h)-1],中游狭窄地区CO2交换通量较小[平均116.05 mg·(m2·h)-1].3表层水体p CO2值和水-气界面CO2交换通量存在晚上升高,白天降低的昼夜变化规律,且与叶绿素a(Chla)呈负相关关系.分析认为:1大龙洞水库表层水体DIC含量、δ13CDIC值和水体p CO2的空间分布主要受浮游植物浓度、浊度、电导率、水深、透明度等的影响,而水-气界面CO2交换通量除了受浮游植物浓度空间变化的影响外还受风速的影响.2浮游植物昼夜垂向运动及光合作用和呼吸作用昼夜变化控制着水库表层水体溶解性无机碳的昼夜循环过程.     

气候和人类活动对典型岩溶地下河系统径流年际变化的影响

为揭示气候变化与人类活动对岩溶地下河系统年径流量的影响,以南洞地下河为研究对象,利用其1972-2014年的径流量、降水量和蒸散量数据,分析其年际变化特征。研究结果表明：研究期内径流、降水和蒸散均呈现波动减少的趋势。其中流域内径流整体以0.014亿m³/a的速度减少,降水整体以3.14 mm/a的速度减少,蒸散整体以7.94 mm/a的速度减少。通过有序聚类法和Mann-Kendall法综合确定出径流、降水的突变年份为2002年、2008年。通过累积量斜率变化率比较法,定量分解了不同时期气候与人类活动对径流变化影响的贡献率：综合考虑降水和蒸散因素,以人类活动轻微的T₁（1972-2002年）阶段为基准期,气候变化对径流减少的贡献率在T₂（2003-2008年）、T₃（2009-2014年）时期分别为-86.68%、35.92%,人类活动对径流减少的贡献率在T₂、T₃阶段分别为186.68%、64.08%。可见,人类活动是南洞地下河流域径流量年际变化的主导因素,其中生活、生产的直接耗水和土地利用/土地覆被变化影响下径流过程的变化,共同影响着径流年际变化。     

桂江流域夏季水-气界面CO2脱气的空间变化及其影响因素

河流具有复杂的流域空间异质性,加之岩溶区河流富钙偏碱高溶解无机碳的特殊环境,使得河流水-气界面CO_2脱气出现显著的空间变化.为揭示岩溶区河流水-气界面CO_2脱气的空间变化特征及其影响因素,利用主要离子、物理化学参数、δ~(13)C_(DIC)等数据以及模型法和浮游箱法分析桂江流域水-气界面CO_2脱气特征.结果表明:(1)桂江流域水文地球化学表现出明显的空间变化特征,HCO_3~-、Ca~(2+)以及电导率、总溶解性固体(TDS)、SIc、p CO_2都表现出中游支流中游下游上游的相似的分布特征;(2)桂江流域在监测期间均表现出CO_2脱气,为大气CO_2的源,脱气通量平均值为237 mg·(m~2·h)~(-1),位于世界河流平均CO_2脱气通量范围内,但桂江流域CO_2脱气在不同的河段表现出明显的空间变化,中游支流和中游明显大于上游和下游;(3)桂江流域中游干流和支流CO_2脱气主要受到碳酸平衡系统的影响,但同时中游支流受到生物光合作用的影响.此外,上游CO_2脱气通量主要受到大气环境因素的影响,而下游CO_2脱气通量则受到诸多因素的共同影响.     

岩溶地下河补给的地表溪流溶解无机碳及其稳定同位素组成的时空变化

岩溶水体中溶解无机碳(DIC)主要以HCO_3~-形式存在,其同位素(δ~(13)CDIC)被广泛用于示踪DIC的不同来源及其影响因素.为了解亚热带典型岩溶溪流溶解无机碳及其稳定同位素的分布规律,本文以广西柳州官村地下河补给的地表溪流为研究对象,对其水化学特征和δ~(13)CDIC进行分析.结果表明,溪流上游和下游的DIC与δ~(13)CDIC都表现出明显的时空变化特征,地下河出口(G1点)HCO_3~-旱季浓度变化范围为(4.73±0.14)mmol·L~(-1),而雨季为(4.23±0.68)mmol·L~(-1).溪流下游(G2点)HCO_3~-旱季浓度变化范围为(4.56±0.23)mmol·L~(-1),而雨季为(4.20±0.59)mmol·L~(-1).溪流上游的旱季δ~(13)CDIC变化范围为-12.22‰±0.49‰,雨季的变化范围为-12.28‰±0.82‰;溪流下游的旱季变化范围为-10.73±0.71‰,雨季的变化范围为-11.10‰±0.90‰.两个点水体DIC含量旱季均高于雨季,且G1点要高于下游G2点.两个点水体δ~(13)CDIC值旱季较雨季偏重,且G2点水体δ~(13)CDIC值显著高于G1点δ~(13)CDIC值.地下河水和溪流DIC主要来源于土壤CO2和碳酸盐岩溶蚀,但是溪流上游与下游DIC和δ~(13)CDIC值差异表明水体的CO2脱气作用,水生植物的光合作用显著影响了水体DIC和δ~(13)CDIC值.     

不同地质背景水库区夏季水-气界面温室气体交换通量研究

岩溶水库水化学特征受碳酸盐岩溶蚀风化产物所控制,形成"富钙偏碱高溶解无机碳"的特殊环境,其水-气界面温室气体交换特征、过程及影响因素与其他非岩溶水库存在较大差异.为揭示不同地质背景控制下典型水库水-气界面温室气体交换的特征及控制机制,选取广西三座不同地质背景的水库[大龙洞水库(岩溶水库)、五里峡水库(半岩溶水库)、思安江水库(非岩溶水库)],同时运用静态箱法(FC)和模型计算法(TBL)对其水-气界面温室气体(CO2、CH4)交换通量进行比较研究.结果表明:1两种方法获得的结果均显示,大龙洞水库库区和出库水体均为大气CO2、CH4的源;五里峡水库库区总体上为大气CO2的汇、大气CH4的源,其出库水体均为大气CO2、CH4的源;思安江水库库区均为大气CO2的汇、大气CH4的源.2无论是岩溶水库还是非岩溶水库,其出库水体温室气体排放量远大于库区,如何控制水库出库水体的CO2、CH4释放问题值得关注.3在没有大量淹没土壤有机质和植物的情况下,由岩溶地下水补给的水库水-气界面CH4交换通量与其他半岩溶水库和非岩溶水库差别较小,但由于富含DIC水体的输入及受水库热分层的影响,其CO2交换通量要明显高于其他非岩溶水补给的水库.     

云南断陷盆地高原面典型小流域土壤元素含量特征

岩溶断陷盆地是中国西南岩溶地区典型的生态脆弱区。其特殊的盆-山共存的地质分异构造制约着断陷盆地地貌演化过程和水土岩植的空间分异格局。为探明断陷盆地高原面土壤元素全量及有效态含量特征,以云南蒙自市断陷盆地高原面典型封闭落水洞小流域为研究对象,探讨了铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)、钙(Ca)、镁(Mg)、钾(K)、钠(Na)、磷(P)、铝(Al)、铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)、镉(Cd)、铅(Pb)等15种常量与微量土壤元素的含量及微量元素有效态含量特征。结果表明,(1)石漠化较为严重地区的元素全量和有效态含量均较为离散,这与石漠化区土壤空间异质性有较大关系;受裸露岩石的"聚集效应"影响,石漠化较严重地区元素全量和有效态含量平均值均较高。(2)pH值仅与Co和Pb的有效态含量呈正相关关系,与其他元素的相关关系不显著,这可能与土壤元素的溶解度随pH值上升而逐渐下降,而元素的固定和吸附却随土壤pH值的上升而增加有关。SOC和TN与9种微量元素的有效态含量之间的关系一致,除与Cr的有效态含量相关关系不显著之外,与其余8种元素的有效态含量之间均呈极显著正相关关系,这主要是因为微量元素能与有机化合物结合成分子量小、呈离子态、简单而可直接为植物所吸收的络合态。该研究结果可为阐明断陷盆地石漠化与地质环境分异协同演变的关系提供基础数据。     

亚热带典型岩溶区地表溪流水文地球化学昼夜变化及其影响因素研究

为了解岩溶区地表溪流水文地球化学的昼夜变化过程及其影响因素,于2013-07-09～2013-07-14期间,在广西壮族自治区融安县官村地下河出口(G1)和下游雷崖村(G2)设置两个监测点同时展开了为期5 d的高分辨率昼夜监测工作,每15min监测水温(T)、pH、溶解氧(DO)和电导率(Spc),每2 h进行人工采样工作,样品测试Ca2+、HCO-3和NO-3等主要离子以及δ13CDIC.结果发现:1 G1和G2点都是HCO3-Ca型水,但是两个监测点表现出不同的水文地球化学昼夜变化过程;2监测期间官村地下河出口(G1)的物理化学参数和主要离子(Ca2+、HCO-3和NO-3等)基本上保持稳定,而雷崖监测点(G2)的物理化学参数(T、pH、DO、Spc)和Ca2+、HCO-3和NO-3离子表现出有规律的昼夜变化特征;3 G2监测点的溶解无机碳(DIC)和δ13C值表现出相反的昼夜变化特征,DIC在白天下降晚上升高而δ13C值白天上升晚上下降,并表现出较好的负相关关系(相关系数为-0.87,P<0.01).结果表明,水生植物的光合作用和呼吸作用、水温以及脱气作用共同影响岩溶区地表溪流水文地球化学的昼夜变化,控制了岩溶地表溪流内部物质循环过程.     

亚热带典型岩溶溪流水气界面CO2交换通量变化过程及其环境影响

具有较高水体CO_2分压(p CO_2)的岩溶地下水出露地表后常与大气形成较高的正向CO_2浓度梯度,因此评价岩溶水体水气界面CO_2交换通量对于岩溶碳循环过程研究具有重要意义.本文以广西柳州官村地下河补给的地表溪流为研究对象,详细讨论了岩溶溪流水-气界面CO_2交换通量.使用静态箱法和手持式二氧化碳测量仪GM70对脱气通量进行检测,结果表明,溪流的CO_2交换通量以脱气为主,地下河出口(G1点)脱气通量变化范围为139.48~890.84 mg·(m~2·h)~(-1),平均值为445.72mg·(m~2·h)~(-1),溪流下游(G2点)脱气通量变化范围为16.54~844.18 mg·(m~2·h)~(-1),平均值为159.81 mg·(m~2·h)~(-1),脱气通量的时空变化特征表现为雨季要大于旱季,地下河出口地区要大于下游地区.溪流CO_2脱气会对附近空气中CO_2气体碳同位素(δ~(13)C-CO_2)产生影响,使溪流附近空气中CO_2气体碳同位素(δ~(13)C-CO_2)值逐渐偏负,并表现出明显的时空变化,即δ13C-CO_2雨季偏负于旱季,G1点δ~(13)C-CO_2偏负于G2点.并且由于脱气作用的进行,溪流的水化学性质沿流程变化,表现为HCO-3沿流程逐渐降低,p H值升高,电导率降低,p CO_2沿流程递减,常见碳酸盐矿物的饱和指数SIc逐渐升高,δ~(13)C-DIC值逐渐偏正.     

夏季热分层效应对典型岩溶水库水化学及溶解无机碳的影响

热分层导致水库内部水化学、水生生物分布等出现显著的分层特征,并影响了水库内部的生物地球化学循环过程.为掌握夏季热分层期岩溶水库水体理化性质和溶解无机碳变化过程及其影响因素,以岩溶地下水补给型水库广西上林县大龙洞水库为研究对象,于2015年6月沿水库流程方向在8个点位开展分层采样及监测.结果发现:(1)水库夏季存在明显的热分层现象,水体pH、电导率(Spc)等理化性质出现分层结构;(2)水体溶解氧(DO)与叶绿素a(Chl-a)浓度从表层至底层并没有呈现单一的递减趋势,而是在水面以下2.5 m或者5 m处达到最大值;(3)由表层至底层水体溶解无机碳(DIC)浓度整体上呈增加趋势,表层水体DIC平均浓度为2.03 mmol·L~(-1),底层平均浓度为4.18 mmol·L~(-1);其同位素(δ~(13)C_(DIC))在表水层偏正,在温跃层随水深增加逐渐偏负.分析认为:(1)由于夏季热分层效应,水库水体温度、水生生物的分布及新陈代谢的强度和方向在不同水层存在显著差异,致使水库水体理化性质、DIC均呈现垂向分层性特征;(2)DIC浓度变化在表水层主要受碳酸盐岩沉淀过程及浮游植物光合作用影响,进而影响水中DIC稳定同位素的分馏;在温跃层则主要由生物呼吸作用及有机质分解过程控制.