岩溶溪流水化学特征变化规律的控制因素及其碳汇意义

摘要

岩溶水通过水-岩-气作用溶解碳酸盐岩，以溶解无机碳(DIC)的形式固定大气中的CO2，构成了岩溶作用的碳汇效应。但由于岩溶地下水出露地表后，碳酸钙又以钙华、泉华或石笋等形式发生沉积，CO2又会被释放回到大气中，岩溶碳汇作用也被质疑。因此监测地下水出露地表后，地表溪流HCO3-浓度的时空变化，定量估算岩溶泉水出露地表后的脱气通量有助于更加全面客观地认识岩溶碳汇。
　　 本研究通过对柏树湾泉下游溪流进行高密度和高时间分辨率的长时监测，从2011年6月至2012年8月，现场测定水温(t)、电导(Ec)、pH值、溶解氧(DO)和Ca2+、HCO3-浓度等;实验室内分析水样的阴阳离子浓度、碳稳定同位素值。以揭示岩溶溪流水化学特征沿流程的变化规律，探究其控制因素，尤其是影响溪流脱气作用的因素，并估算岩溶溪流的脱气通量和泉域碳汇量。研究结果表明:
　　 (1)柏树湾泉水的水化学动态变化不大，主要表现为旱季和雨季的差异，pH值、电导率、HCO3-和Ca2+浓度都显现出旱季较高，雨季较低的规律，这可能是由于雨季降水使泉水径流量变大，对各离子的浓度产生稀释效应。泉水的流量介于0.04～5.70L/s，平均流量约为0.79L/s，水温介于14.4～16.8℃，平均值为16.0℃，pH介于7.22～7.82之间，电导率的变化范围为536～594μs/cm;离子成分以HCO3-和Ca2+为主，分别占阴、阳离子的比例为81.7％、92.2％，另外SO42-浓度占阴离子的16.13％，水化学类型为HCO3-Ca型。泉水出露地表后，脱气作用导致下游溪水的HCO3-、Ca2+浓度、电导率和pCO2呈现沿流程明显递减的规律;而pH值、溶解氧、方解石饱和指数逐渐升高的规律;其他常规阴、阳离子未发现沿流程发生明显变化的特点。
　　 (2)岩溶溪流的水化学变化受多重因素影响，包括溪流的脱气作用、碳酸钙沉积、水温、流量等，其中脱气作用是主导因素。另外，不同月份由于水温和流量的差异，溪流水化学也呈现不同的变化特征。碳酸钙沉积也是影响溪流的水化学特征的重要因素，反过来，溪流的化学特征也深刻影响着碳酸钙沉积状况，如2012年1～3月份泉口处的pCO2值比其他月份较低，且溪水Ca2+浓度较高，再加上溪水的流量较小及溪渠的水文扰动，有利于溪流钙华的沉积，因此在溪渠中发现了明显的碳酸钙沉积现象。
　　 (3)影响溪流脱气作用的因素包括泉水的季节流量、泉水出露时的CO2分压、溪水温度、生物作用、溪渠的水力坡度。泉水的季节流量不仅是溪流总脱气通量的决定性因素，而且不同季节流量条件下，脱气作用的速率也不相同，表现为“枯水期＞平水期＞丰水期”。另外，溪流上、下游的游离CO2浓度差表明，泉口CO2分压是影响溪水中CO2溢出速率的主要因素，当泉口的pCO2值较高时，上下游之间的CO2浓度差越大，表明脱气速率也越大。数据表明溪流水温与脱气通量呈现出良好的正相关关系，白天时段溪流的水温较高，CO2在水中的溶解度随着温度的升高而减少，脱气通量也较大。
　　 昼夜监测结果表明，生物作用对岩溶溪流的脱气也有一定影响:1.HCO3-沿流程的递减速率为“正午＞清晨＞夜间”，而溪水温度显示清晨比夜间更低，但由于清晨时段溪渠内的藻类和周围的水生植物开始进行光合作用，吸收利用溪水中的游离CO2，因此清晨的脱气速率反而较大。2.s1-s8溪流段植被较差，生物作用较弱，因此在s8取样点的HCO3-浓度没有明显的昼夜变化，而植被茂盛的s11取样点HCO3-浓度的昼夜差异显著。3.溪流近水面空气中CO2浓度表现为“夜间＞清晨＞正午”，正午时段生物的光合作用占主导，消耗、吸收近水面空气中的CO2，因此监测到的正午时近水面空气中的CO2浓度最低。4.δ13CDIC值沿流程逐渐增大的幅度也表现为“正午＞清晨＞夜间”，且s1（泉口）的δ13CDIc值昼夜波动较小，而s8（距泉口161m）和s11（距泉口260m）的昼夜波动较大且白天的δ13CDIC值比夜间偏重。
　　 除此之外，研究发现s8-s9与s6-s8渠段相比，尽管溪流长度较短，但由于水力坡度较大，对应的HCO3-浓度降低幅度也更大，表明溪水的紊流及溪渠的比降通过加剧水文扰动作用，从而促进溪流的脱气作用。
　　 (4)溪流脱气通量和泉域碳汇量的估算结果表明，监测时段柏树湾泉流域回收大气CO2的量平均约15.97kgCO2/天，溪流溢出CO2的量平均约3.58kgCO2/天。所以尽管岩溶地下水出露地表后，发生了脱气作用，但是在所研究的溪流范围内，溪流脱气量平均约仅占其泉域碳汇总量的22.4％，仍然存在可观的净碳汇量。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．1．1 岩溶碳汇效应

1．1．2 岩溶溪流的脱气作用

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩溶溪流的脱气作用及其水化学特征变化

1．2．2 岩溶溪流的碳酸钙沉积及其控制因素

1．3 问题的提出

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第2章 研究区概况与研究方法

2．1 研究区概况

2．2 研究方法

2．2．1 野外测试

2．2．2 水样采集

2．2．3 实验室分析

第3章 岩溶溪流水化学特征的变化规律

3．1 柏树湾泉水的水化学特征

3．2 溪流水化学特征沿流程的变化规律

3．2．1 HCO3ˉ浓度沿流程的变化规律

3．2．2 其他水化学特征沿流程的变化规律

3．3 岩溶溪流水化学特征变化规律的影响因素分析

3．3．1 岩溶溪流的碳酸钙沉积

3．3．2 溪水流量和温度

3．5 本章小结

第4章 岩溶溪流脱气作用的影响因素及脱气量的估算

4．1 季节径流量

4．2 泉水出露时的CO2分压

4．3 溪水温度

4．4 生物作用

4．4．1 HCO3ˉ浓度变化的昼夜差异

4．4．2 溪流近水面空气中的CO2浓度的动态变化

4．4．3 δ13CDIC值沿流程的动态变化及昼夜差异

4．5 溪渠的水力坡度

4．6 溪流脱气通量和泉域碳汇量的估算

4．7 本章小结

第5章 结论与不足

5．1 结论

5．2 存在的不足

5．3 论文新意

参考文献

附录

致谢

作者简历