水生植物生物地球化学行为对岩溶碳汇的影响研究

【摘要】大气CO2浓度的不断上升,正对全球气候变化产生着十分重要的影响,碳循环问题受到来自科学界越来越多的关注。现有研究结果表明地球各碳库的碳源与碳汇是不平衡的,进入大气中约有20%的CO：不知去向,即所谓“遗失的碳汇”。因此寻找这部分“遗漏的汇”成为全球碳循环的热点问题。自从发现“遗漏的汇”以来,从事碳循环研究的科学家从各个方面做了大量工作对其进行合理的解释。虽然有人认为这一未知汇可能是陆地植被或者土壤,但是都没有直接的科学证据。与此同时,国内外的学者开始关注碳酸盐岩的风化过程及其在碳循环中的作用。但是学术界普遍的观点认为,控制着长时间尺度气候变化的是硅酸盐岩的化学风化碳汇作用,而碳酸盐岩的风化存在一个源与汇的相互转换过程,在中长时间尺度的碳汇效应为零。产生这种认识差异的原因可能是把地质作用(包含岩溶作用)列为长时间尺度的慢速过程,使得其长期被忽略。因此,造成当前对CO2循环机理的分析都集中在海洋、植被、大气圈、土壤圈、水圈等。而把地质作用列为长时间尺度的循环,没有考虑岩石圈的吸碳作用及动态变化。但是,现代岩溶学研究成果表明,碳酸盐岩不仅积极参与了全球碳循环,而且对外界环境的变化响应极其迅速。并且近来的研究表明水中的CO2比原有认识的要稳定得多,其平衡常数不是之前认为的6.35,而是3.45。如果碳酸盐岩溶蚀后水中的CO2稳定性增强,对岩溶地区的碳汇作用将产生极大影响。但这一研究仅限于实验室内,对野外实际情况中岩溶动力系统中的CO2稳定性及其变化缺少实际研究。近年来的研究结果表明,如果从地球系统科学的角度出发,将水圈、岩石圈和生物圈结合起来考虑,岩溶地质作用产生的溶解无机碳(DIC)最终通过河流或湖泊中的水生植物的光合作用利用,最终形成有机质被埋藏于海底。研究表明,表层岩溶系统在生物的参与下积极参与全球碳循环,吸碳量占“遗漏汇”的20%。由此可见,表层岩溶系统的吸碳和放碳是自然界碳循环的重要组成部分,是被“遗漏的汇”的一部分,它对大气CO2起着不可忽略的调节作用。其碳循环特征的研究,对完善全球碳循环模型以及解决遗漏汇有着重要的意义。基于国内外研究的现状与本研究依托的项目需要,本文研究选取位于重庆市丰都县的雪玉洞地下河流域为研究对象,利用美国HACH公司生产的MS-5多参数水质在线记录仪对研究区地下水以及地下水转变为地表水后两者的常规水化学特征指标进行为期一年的连续监测(2013年1月～2013年12月),然后将两者进行对比研究。另外,选取一年内四个季节具有代表性的月份(1月、4月、7月、11月)分别做四次时长为36至72小时不等的野外昼夜监测实验,以说明不同季节水生植物光合作用对岩溶碳循环影响的差异,并在此基础上计算出脱气作用和光合作用对地下水Ca2+和DIC的影响量。论文的研究内容和结论主要包括以下两个部分：第一,从地球系统科学和岩溶动力学理论出发,岩溶作用是全球碳循环的重要部分,岩溶区的碳酸盐岩的风化对大气CO2具有吸收作用,表层岩溶作用的碳循环度大气CO2主要是汇。因此,合理评价岩溶作用对大气CO2的源汇效应是十分必要和重要的。本文通过研究雪玉洞地下河的水体化学组成与变化有效认识流域内岩石的化学风化过程。然后,以此为基础,通过水化学-流量法定量化的计算出流域碳酸盐岩的风化强度。然后,计算出流域地下河内硝酸对流域碳酸盐岩溶蚀的影响量。通过对2013年雪玉洞地下河水中的pH值、电导率(SC)以及Ca2+,Mg2+,K+,Na+,HCO3-,Cl等离子的分析发现：雪玉洞地下河的pH值介于7.5-8.1之间,平均值为7.8,为中性偏碱性水质。SC变化范围为333μs/cm-450μs/cm之间,平均值为379μs/cm.HCO3-质量浓度处于152.5mg/L-250.lmg/L之间,Ca2+质量浓度处于62mg/L-94mg/L之间。地下河水中HCO3-和Ca2+为主要离子,阳离子以Ca2+和Mg2+为主,占总阳离子的93.9%。其次是K+、Na+;HCO3占阴离子总量的80.3%。并且HCO3-与Ca2+为的相关性显著(相关系数为0.923),进而推断其地下河水化学类型为HCO3—Ca型。根据地下河水化学的季节变化特征分析得出,在一个水文年内,流域碳酸盐岩的风化体现出明显的季节变化规律,由于温度,雨量的不同,导致流域碳酸盐岩的风化强度在不同季节有不同。进而导致水体的水文地球化学特征不同。由1月份到12月份,地下河水中的Ca2+、HCO3表现为低→高→低的变化趋势,基本呈现为雨季升高,旱季降低。雨季Ca2+、HCO3-浓度最高值达94mg/L和250.1mg/L。旱季最低值分别为62mg/L和152.5mg/L。根据连续监测发现水中的Ca2+、HCO3-与流量基本呈正相关关系,说明降水和流量在碳酸盐岩风化中起着十分重要的作用,降雨和流量增加促进碳酸盐岩的风化,从而增强碳汇效应。可以得出流域碳酸盐岩的风化强度雨季比旱季更强烈。最后,利用水化学-流量法估算出流域碳酸盐岩风化碳汇量约为5.19t/a,硝酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC量约为3.91t/a。第二,在岩溶地区,岩溶地下水转变为地表水后,水体中Ca2+和HCO3-浓度有明显的昼夜变化,并且与光照变化关系较为明显,呈现出明显的昼夜变化规律。通过昼夜监测数据的对比发现：在昼夜监测期间,地下水水化学没有明显的昼夜变化,地下水水化学特征较稳定。而地表水则有明显的日动态变化。白天,水体的pCO2.Ca和HCO3-浓度、SC降低,并且在下午16时左右达到最低值。而pH值、DO与前者刚好相反,pH值、DO在白天升高,在夜晚降低。另一方面,晚上,水体的pCO2.Ca和HCO3-浓度、SC升高,在凌晨4时左右达到最高值。根据分析得出,产生这种昼夜变化的主要原因是由于在白天,水池中的水生植物发生光合作用,要吸收水体中的CO2,放出02,导致水体DO升高,pH值升高,SIc升高,pCO2降低,进而导致Ca2+和HCO3-浓度、SC降低。而在夜晚,由于水生植物的光合作用被其呼吸作用所取代,水生植物吸收02,放出C02,导致水体DO降低,pH值降低,SIc降低,pCO2升高,Ca2+和HCO3-浓度、SC升高。并且通过相关性分析,得出pH与pCO2呈反相关关系(相关性系数为0.914),说明了水中pH值很大程度上受到了水中的CO2浓度变化的影响。pH值的变化将直接影响岩溶作用,白天pH值升高,岩溶作用已沉积为主,夜晚pH值降低,岩溶作用以溶解为主。除此之外,水中DO与pCO2呈现出显著的反相关关系(相关性系数为0.732)。表明水生植物光合-呼吸作用对水体溶解性气体有很重要的影,从而影响地表岩溶水中的碳循环。同时,通过四次昼夜监测对比发现：不同的季节,昼夜监测期间池水水化学的变化幅度也不尽相同。7月份,光照充足,水温高,水生植物生物活性增强,有利于水生植物的新陈代谢作用。而1月份,太阳辐射较弱,气温低,导致水温低,不利于水生植物的新陈代谢作用,使得水生植物生物活性减弱。不同季节,由于气温不同,光照不同,水生植物的光合-作用对岩溶水碳循环的影响也不同。不同季节,水生植物利用水中的DIC的效率不同,根据计算得出一个水文年内,水生植物光合作用利用水中的DIC产生有机碳的效率大小顺序依次是夏季>春季>冬季>秋季。最后通过初略计算得出,夏季利用效率最高,达135.06kg/day,其次是春季、冬季和秋季,依次是10.03kg/day.8.75kg/day和7.17kg/day。这部分损失的无机碳被植物吸收后转变为有机碳,在岩溶系统中可构成自然界中长时间尺度的碳汇。因此水生植物的生物地球化学行为对岩溶地区碳的动态循环有重要影响。另外,在降雨条件下,水生植物光合用作用减弱。降雨使得在降雨条件下,岩溶水受水生植物光合-呼吸作用引起的昼夜动态变化不明显,降雨使这种昼夜变化减小
【作者】郑洁；
【导师】蒋勇军；
【作者基本信息】西南大学，第四纪地质学，2014，硕士
【副题名】以重庆丰都雪玉洞地下河流域为例
【关键词】雪玉洞地下河流域；碳酸盐岩风化；水生植物光合-呼吸作用；净碳汇效应；

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