重慶南川巖溶區(qū)不同土地利用類型下碳運(yùn)移特征及其影響因素.pdf

1、隨著全球氣候變暖以及極端氣候事件的頻頻發(fā)生，碳循環(huán)逐漸受到人們的重視。碳酸鹽巖作為全球最大的碳庫，其對全球碳循環(huán)的重要性不言而喻。碳酸鹽巖通過巖溶作用消耗大氣或土壤CO2，對大氣起到減源增匯的作用。受上覆植被類型、土壤理化性質(zhì)、耕作方式以及HNO3和H2SO4等強(qiáng)酸影響，不同土地利用類型下的土壤CO2濃度及巖溶碳循環(huán)具有明顯差異。為此，弄清巖溶區(qū)不同土地利用類型下碳運(yùn)移特征及其影響因素，有助于準(zhǔn)確估算巖溶碳匯效應(yīng)，并為改善土地利用方式以

2、增強(qiáng)巖溶碳匯效應(yīng)提供理論依據(jù)。
　　本文以重慶市南川區(qū)柏樹灣泉域、蘭花溝泉域和后溝泉域?yàn)槔?，通過監(jiān)測巖溶泉水化學(xué)性質(zhì)，探討不同土地利用類型下巖溶碳循環(huán)的差異。另外，本文通過研究3個(gè)泉域上覆土壤理化性質(zhì)、植被類型以及土壤CO2，并運(yùn)用穩(wěn)定碳同位素對碳在各圈層的運(yùn)移進(jìn)行示蹤，揭示不同土地利用類型下碳運(yùn)移特征及其影響因素的差異。
　　3個(gè)巖溶泉中的陽離子均以Ca2+為主，但陰離子組成具有明顯差異。柏樹灣泉域受人類活動(dòng)干擾小，陰離子

3、主要以HCO3-為主，泉水為HCO3-Ca型。蘭花溝泉域和后溝泉域受氮肥及煤鐵殘?jiān)纫蛩赜绊懀琋O3-和SO42-的含量增加，泉水屬于HCO3·SO4-Ca型。通過水化學(xué)性質(zhì)計(jì)算出了3個(gè)泉域的巖溶碳匯效應(yīng)。在不同土地利用類型下，巖溶作用對土壤CO2的凈消耗量具有明顯差異，柏樹灣泉域巖溶作用對土壤CO2的凈消耗量最大，后溝泉域最小，蘭花溝泉域居中。在不同季節(jié)，巖溶作用對土壤CO2的凈消耗量也會(huì)發(fā)生變化。其中柏樹灣泉域土壤CO2凈消耗量由旱

4、季的2.17 mmol·L-1增加到雨季的2.31 mmol·L-1；蘭花溝泉域和后溝泉域土壤CO2的凈消耗量則分別由旱季的0.58 mmol·L-1、-0.15 mmol·L-1下降到雨季的0.27 mmol·L-1、-0.27mmol·L-1。
　　3個(gè)泉域土壤CO2濃度具有明顯的季節(jié)變化特征，即雨季土壤CO2濃度明顯大于旱季。蘭花溝泉域和后溝泉域土壤CO2濃度與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系（0.05

5、進(jìn)了土壤 CO2的產(chǎn)生，但土-氣之間的CO2通量也隨溫度升高而增加，導(dǎo)致蘭花溝和后溝泉域巖溶作用對土壤CO2的凈消耗量在雨季并沒有增加。不同土地利用類型下土壤CO2濃度也存在明顯差異：無論雨季還是旱季，柏樹灣泉域土壤CO2濃度均大于蘭花溝和后溝泉域；旱季蘭花溝泉域土壤CO2濃度小于后溝泉域，而雨季蘭花溝泉域20cm和50cm處土壤CO2濃度大于后溝泉域。在土壤CO2濃度的垂向變化上，柏樹灣泉域土壤CO2濃度在雨季和旱季均出現(xiàn)雙向梯度；蘭

6、花溝泉域土壤較薄，土壤CO2濃度隨土壤深度的增加而增加；后溝泉域土壤CO2濃度在旱季表現(xiàn)為雙向梯度，在雨季則隨土壤深度增加而增加。上覆植被以及土壤性質(zhì)是導(dǎo)致不同土地利用類型下土壤CO2濃度變化特征出現(xiàn)差異的主要原因。
　　柏樹灣泉巖溶作用對土壤CO2的凈消耗量最大且雨季大于旱季，與土壤CO2濃度的變化一致。但蘭花溝和后溝CO2凈消耗量卻與土壤CO2濃度變化趨勢相反，并且無論蘭花溝泉域土壤CO2濃度是否大于后溝泉域，其土下巖溶作用對

7、土壤CO2的凈消耗量均大于后溝泉域。這說明土壤CO2濃度并不是影響蘭花溝和后溝泉域土下巖溶作用的主要因素。在不同的土地利用類型下，受土壤性質(zhì)及人類活動(dòng)等影響，碳運(yùn)移特征及其影響因素也會(huì)出現(xiàn)差異。
　　室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了6個(gè)不同的處理，以分析不同因素對土下巖溶作用及碳運(yùn)移特征的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，H2SO4含量增加導(dǎo)致土下巖溶作用增強(qiáng)，但巖溶作用對CO2的凈消耗量并沒有隨之增加。并且當(dāng)H2SO4溶蝕碳酸鹽巖產(chǎn)生CO2沒有再次參與巖

8、溶作用時(shí)，巖溶作用對CO2的凈消耗量隨H2SO4含量的增加而減少；降水對下滲水的水化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了明顯的稀釋效應(yīng)，即降水量增加導(dǎo)致下滲水中各離子濃度減小；土壤厚度既可以通過土壤CO2又可以通過土壤中H2SO4含量間接影響土下巖溶作用強(qiáng)度及碳在各圈層中的運(yùn)移方向。
　　通過監(jiān)測土壤CO2的δ13C以及泉水δ13CDIC發(fā)現(xiàn)，雨季植物殘?bào)w以DOC的形式進(jìn)入底部土壤也是引起底部土壤CO2δ13C變化的重要原因，因此僅僅依靠土壤CO2的δ1

9、3C并不能判斷HNO3和H2SO4溶蝕碳酸鹽巖后產(chǎn)生的CO2是否返回到土壤中。蘭花溝泉和后溝泉水化學(xué)性質(zhì)及泉水δ13CDIC顯示，HNO3和H2SO4溶蝕碳酸鹽巖后產(chǎn)生的CO2并沒有全部再次對碳酸鹽巖進(jìn)行溶蝕。在降水減少的時(shí)期，土壤CO2因水巖接觸時(shí)間增加，其對碳酸鹽巖溶蝕量的貢獻(xiàn)增加。但HNO3和H2SO4溶蝕碳酸鹽巖后產(chǎn)生的CO2對碳酸鹽巖的溶蝕作用也隨之加強(qiáng)，這意味著更多來自碳酸鹽巖的碳進(jìn)入到水體中。另外，由于表層土壤呈酸性，在土

10、壤水下滲速率減慢時(shí)，更多的H+與HCO3-結(jié)合，較輕的碳從水體中脫離，從而導(dǎo)致巖溶泉水δ13CDIC偏重。以上作用共同控制泉水δ13CDIC，導(dǎo)致泉水δ13CDIC不能反映出巖溶碳匯效應(yīng)的變化。
　　以上結(jié)果表明，受上覆植被類型、土壤性質(zhì)及人類活動(dòng)影響，本研究中林地巖溶作用對土壤CO2的凈消耗量主要受土壤CO2濃度控制；而在農(nóng)用地，巖溶作用對土壤CO2的凈消耗量主要受降水控制。另外，運(yùn)用碳同位素技術(shù)估算巖溶碳匯效應(yīng)時(shí)，HNO3和H