水生光合生物对漓江流域水化学和岩溶碳汇的影响

发布时间：2017-12-10 21:12

  本文关键词：水生光合生物对漓江流域水化学和岩溶碳汇的影响

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【摘要】：全球气候变暖以及全球气候的变化越来越受到科学界的关注。对碳循环的过程、机制的研究,特别是致力于减少大气CO_2浓度的碳汇和封存技术的研究仍是本世纪全球变化研究的核心问题之一。岩溶碳汇曾经被认为速率小,是一个长时间尺度的地质过程而在碳循环过程中被忽略。最近数十年的研究证明碳酸盐岩风化是一个快速而敏感的反应过程,已被科学界所接受,IPCC第五次气候变化评估报告将其从万年—亿年尺度调整为千年尺度。但碳酸盐岩溶解是一个可逆的过程,Curl认为岩溶地质作用是一个碳迁移过程,而不是碳汇。而基于水-岩-气-生相互作用的碳酸盐岩风化模型是回应这一质疑的关键。即水生光合生物对水体中碳酸氢根的光合利用,可以将岩石风化形成的溶解无机碳转化为有机碳,使地质碳汇,特别是岩溶碳汇,以有机碳的形式稳定下来,起到与海洋过程类似的“生物碳泵”作用。这一过程已在实验室条件和岩溶小流域研究中被证实,且比例可观,而对较大岩溶流域的研究较少。因而,本文选取一个较大的典型岩溶流域—漓江流域,通过对河流水化学特征,无机碳、有机碳地球化学特征的研究,分析水生光合生物对河流水化学、无机碳和有机碳影响的季节性变化特征及主要影响因素,进而估算流域水生生物“生物碳泵”作用对岩溶碳汇稳定性的贡献。本文在漓江流域自上游到下游选取了华江、灵渠、大溶江、桂林水文站、潮田河、冠岩、兴坪、遇龙河和阳朔水文站9个采样点,并分别于2015年4月、2015年7月、2015年10月、2016年1月进行采样分析,研究水生光合生物作用的季节性变化。并在2015年11月8日至2015年11月12日,在阳朔水文站断面进行了一次暴雨昼夜监测,分析洪水过程中无机碳、有机碳的变化特征及水生光合生物的作用。研究结果表明,漓江流域水化学类型为HCO3-Ca型。非洪水过程中,水化学主要参数受降雨和水生生物作用,表现出明显的季节性,Ca2+、HCO3-等主要离子表现为冬季最高,夏季最低的特征。Ca2+、Mg2+、HCO3-主要来源于岩石风化,特别是碳酸盐岩的风化;K+与Na+的变化主要受降雨、硅酸盐岩的风化及人类活动的影响;而Cl-、SO42-和NO3-主要受降雨和人类活动的影响。漓江流域水化学主要受控于碳酸盐岩的风化,因而在空间分布上,TDS以及最主要的Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度随碳酸盐岩分布比例的增加而增大。而对于水生光合生物而言,春、秋季水生生物的光合作用对河流水化学影响显著,而在空间上,HCO3-浓度较高的岩溶区支流和流域干流(桂林至阳朔段)水生生物作用更为突出,相应的河流有机碳含量(主要为DOC)也相对更高。而在洪水过程中,水化学指标主要受控于流量的变化。Ca2+、HCO3-和DOC有着一致的变化趋势,其浓度的动态变化主要受流量的稀释作用影响,经历了一个先剧烈下降后缓慢上升的过程,其浓度最低值较洪峰到来的时间滞后10小时。而POC和TSM值受流量控制,与流量的增减相一致,并较非洪水过程有着急剧的增加,这与地表径流对土壤的强烈侵蚀有关。漓江流域水生光合生物对水体无机碳的利用普遍存在,且表现显著。该过程可以产生δ13CDIC值的分馏,使其偏正。水生光合生物对无机碳的影响存在显著的季节差异,春、秋季水生生物生长茂盛,光合作用利用碳酸氢根,从而使的δ13CDIC值偏正,分馏可达3‰。冬季因水温低,水生植物生长缓慢,分馏不显著。夏季因水动力条件强,水气交换强烈,水生植物直接利用HCO3-占总无机碳的比例较小,分馏不显著,再加上夏季偏负的土壤CO_2的影响,使得δ13CDIC值在夏季偏负。而洪水过程中δ13CDIC值的变化与夏季相类似,洪水过程前因水生光合生物对HCO3-的利用,δ13CDIC值偏正。洪水过程中,水生光合生物所利用的HCO3-在无机碳中的比例减小,分馏减弱,δ13CDIC值变负,再加上偏负的土壤CO_2的参与,使δ13CDIC值更负,整个洪水过程前后,δ13CDIC值变轻达3‰。漓江流域洪水过程和非洪水过程有机碳来源存在显著差异,非洪水过程中有机碳以DOC为主,并主要来自水生生物的初级生产力。且来自水生光合生物光合利用碳酸氢根离子生成的有机碳的比例占总内源有机碳的60%。而在洪水过程中,有机碳中DOC和POC含量基本相当,POC略高,并且外源有机碳比例显著增加。在漓江流域总出口阳朔水文站2015年度一个水文站的数据表明,漓江流域水化学特征表现为碳酸盐岩风化占绝对优势,比例为97.5%。其中碳酸风化碳酸盐岩对河水的贡献比例最大,平均79.2%;其次为硫酸风化碳酸盐岩,平均18.3%。碳酸盐岩风化、硅酸盐岩风化和生物碳泵作用的碳汇强度分别为69.2,4.8和14.5t CO_2·a-1·km-2。本年度因更为丰富的降水,其碳汇强度显著高于往年,但各碳汇类型间的相对比例差别不大。生物碳泵作用稳定的碳汇量大致相当于岩溶碳汇的20%,数量可观。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P342;P642.25

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