岩溶洞穴水δ 13 C DIC 时空变化及影响因素分析——以贵州双河洞系麻黄支洞为例
发布时间：2021-08-21 20:48
为探究岩溶洞穴水溶解无机碳同位素(δ13CDIC)的变化特征、来源、影响因素及与主要水文地球化学指标间的相互关系.于2016年9月—2017年8月,逐月对贵州绥阳麻黄洞上覆土壤空气、不同类型洞穴水及对应洞穴空气环境指标进行野外监测、采样和室内实验,并运用数理统计分析方法对各监测指标进行分析.结果表明,时间上,不同类型洞穴水中δ13CDIC值均表现出旱季偏重,雨季偏轻的季节性变化特征;空间上,δ13CDIC值表现出地下暗河>洞穴滴水>裂隙水的特征.洞穴水δ13CDIC值与其主要水文地球化学指标中的水温、EC、Ca2+、HCO-3、SIc等呈显著负相关关系,与pH、Mg/Ca、Sr/Ca等呈显著正相关关系,但由于不同类型洞穴水在基岩裂隙或岩溶管道中运移路径、洞穴上覆地表植被覆盖、洞穴水是否充分脱气及二次溶蚀作用等因素影响,洞穴水点间δ
【文章来源】：环境化学. 2020,39(11)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
麻黄洞监测点分布图
雨季时,PCO2(soil)平均值为15391.8 ×10-6(V/V),旱季为7383.7 ×10-6(V/V),表现出明显的雨季高于旱季的季节性变化特征,是由于研究区属于亚热带季风气候,“雨热同期”的雨季,土壤层中植物根系呼吸作用以及微生物活动较强,使土壤CO2浓度较高;反之,旱季,干旱少雨和气温偏低的气候条件使得土壤中微生物活动和植物根系呼吸活动减弱,土壤CO2浓度降低(图3)[19].空间变化上,麻黄洞上覆土壤PCO2(soil)在2521×10-6—19200×10-6(V/V)之间,且监测点间存在明显差异,可能是由于麻黄洞上覆3个土壤点地表覆被差异引起(表1).2016年9月—2016年12月,各土壤监测点PCO2(soil)逐月降低,可能受该段时间降雨量逐月减少和气温变冷的影响,到2017年4月份降雨量和温度逐渐偏升后,PCO2(soil)也出现了回升,这说明土壤PCO2(soil)变化与洞外环境温度和降雨量变化具有一致性,PCO2(soil)对地表温度和降雨量变化具有积极响应.图3 麻黄洞PCO2(soil) 、PCO2(a)季节变化与温度、降雨量关系图
图2 麻黄洞主要水化学指标时空变化洞穴空气CO2主要来源有:洞穴水的脱气作用[20],洞穴通风效应[21],旅游洞穴中游客呼吸作用[22],洞穴上覆土壤层及表层岩溶带中CO2通过岩溶裂隙的扩散传输作用[23].由于麻黄洞为非旅游洞穴,因此不考虑人为因素的影响.图3所示,麻黄洞洞穴空气PCO2(a)变化范围为444×10-6—985×10-6(V/V),变化幅度达541×10-6(V/V),但较土壤PCO2(soil)明显偏低.时间上,雨季PCO2(a)变化平均值为755.6 ×10-6(V/V),旱季为521.8 ×10-6(V/V),与PCO2(soil)类似均表现为雨季>旱季的较明显的季节性变化特征,是由于雨季气温和降雨量增大,洞穴上覆土壤层生物活动、植被根部呼吸作用增强和土壤通透性发生改变,使得PCO2(soil)升高,大气降水在流经土壤层时将吸收更多的土壤CO2下渗进入洞穴,通过洞穴水的脱气作用和CO2的扩散传输作用进入到洞穴空气环境中,使雨季PCO2(a)高.相反,旱季土壤中微生物活动和植物根系呼吸活动减弱,PCO2(soil)降低,进入洞穴中的土壤CO2减少,使旱季PCO2(a)降低.与此同时,降雨量减少可能引起洞穴上覆岩溶管道或基岩裂隙中的岩溶水干涸甚至断流,使在雨季充满水的岩溶通道或基岩裂隙成为排气孔,岩溶管道和基岩裂隙干涸而成为排气孔,产生“烟囱效应”[24],同样会使PCO2(a)降低.空间上,与洞穴滴水温度类似,在接近洞口的两个监测点(MH1#、MH2#)PCO2(a)较洞内低,且月间变化较洞穴深处其他监测点大,但仍表现出明显的季节性变化特征,主要受洞穴通风效应的影响[25].PCO2(a)随PCO2(soil)也有明显的季节性变化,但变化幅度较PCO2(soil)小,PCO2(a)主要受控于洞穴上覆PCO2(soil)的变化,洞穴上覆PCO2(soil)是PCO2(a)的主要来源,类似的结果在多个洞穴研究中均有记录[26].2016年10月、12月和2017年5月各监测点间PCO2(a)存在显著差异,2016年11月和2017年6月、7月和8月PCO2(a)均表现出显著上升,与其前1—2月的大气降雨对应,表明PCO2(a)变化与大气降雨间存在“滞后效应”,其滞后时间为1—2个月左右,与殷超等[27]的研究结果一致.
【参考文献】：
期刊论文
[1]岩溶区不同土地利用下地下水碳同位素地球化学特征及生态意义[J]. 任坤,潘晓东,曾洁,焦友军,彭聪,梁嘉鹏. 环境科学. 2019(10)
[2]短时间高强度旅游活动下洞穴CO2的变化特征及对滴水水文地球化学的响应[J]. 张结,周忠发,汪炎林,潘艳喜,薛冰清,张昊天,田衷珲. 地理学报. 2018(09)
[3]贵州绥阳地质公园白云岩喀斯特景观特征及其形成演化分析[J]. 韦跃龙,罗书文,陈伟海,欧阳志宏,罗劬侃,李成展. 地球学报. 2018(03)
[4]贵州凉风洞洞穴系统锶同位素特征[J]. 朱小龙,罗维均,王世杰. 地球化学. 2018(02)
[5]池武溪流域岩溶水SO42-的空间变化特征及其来源分析[J]. 汪炎林,周忠发,田衷珲,李坡,张结,潘艳喜,曹明达. 环境化学. 2017(12)
[6]土壤CO2与喀斯特洞穴CO2季节变化响应分析[J]. 殷超,周忠发,田衷珲,曹明达,张结,潘艳喜,汪炎林. 水土保持学报. 2017(04)
[7]白云岩洞穴系统中水-气CO2分压对洞穴水水文化学过程的影响:以贵州双河洞为例[J]. 曹明达,周忠发,张结,殷超,张绍云. 环境科学与技术. 2017(03)
[8]重庆芙蓉洞洞穴水DIC-δ13C的变化特征及影响因素[J]. 黄春霞,李廷勇,韩立银,李俊云,袁娜,王海波,张涛涛,赵鑫,周菁俐. 中国岩溶. 2016(03)
[9]贵州纳朵洞洞穴水化学性质和δ13CDIC特征及其影响因素研究[J]. 沈蔚,王建力,王家录,蒋先淑,毛庆亚. 中国岩溶. 2016(01)
[10]贵州施秉白云岩喀斯特区水化学和溶解无机碳稳定同位素特征[J]. 肖时珍,蓝家程,袁道先,王云,杨龙,敖向红. 环境科学. 2015(06)
本文编号：3356312
【文章来源】：环境化学. 2020,39(11)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
麻黄洞监测点分布图
雨季时,PCO2(soil)平均值为15391.8 ×10-6(V/V),旱季为7383.7 ×10-6(V/V),表现出明显的雨季高于旱季的季节性变化特征,是由于研究区属于亚热带季风气候,“雨热同期”的雨季,土壤层中植物根系呼吸作用以及微生物活动较强,使土壤CO2浓度较高;反之,旱季,干旱少雨和气温偏低的气候条件使得土壤中微生物活动和植物根系呼吸活动减弱,土壤CO2浓度降低(图3)[19].空间变化上,麻黄洞上覆土壤PCO2(soil)在2521×10-6—19200×10-6(V/V)之间,且监测点间存在明显差异,可能是由于麻黄洞上覆3个土壤点地表覆被差异引起(表1).2016年9月—2016年12月,各土壤监测点PCO2(soil)逐月降低,可能受该段时间降雨量逐月减少和气温变冷的影响,到2017年4月份降雨量和温度逐渐偏升后,PCO2(soil)也出现了回升,这说明土壤PCO2(soil)变化与洞外环境温度和降雨量变化具有一致性,PCO2(soil)对地表温度和降雨量变化具有积极响应.图3 麻黄洞PCO2(soil) 、PCO2(a)季节变化与温度、降雨量关系图
图2 麻黄洞主要水化学指标时空变化洞穴空气CO2主要来源有:洞穴水的脱气作用[20],洞穴通风效应[21],旅游洞穴中游客呼吸作用[22],洞穴上覆土壤层及表层岩溶带中CO2通过岩溶裂隙的扩散传输作用[23].由于麻黄洞为非旅游洞穴,因此不考虑人为因素的影响.图3所示,麻黄洞洞穴空气PCO2(a)变化范围为444×10-6—985×10-6(V/V),变化幅度达541×10-6(V/V),但较土壤PCO2(soil)明显偏低.时间上,雨季PCO2(a)变化平均值为755.6 ×10-6(V/V),旱季为521.8 ×10-6(V/V),与PCO2(soil)类似均表现为雨季>旱季的较明显的季节性变化特征,是由于雨季气温和降雨量增大,洞穴上覆土壤层生物活动、植被根部呼吸作用增强和土壤通透性发生改变,使得PCO2(soil)升高,大气降水在流经土壤层时将吸收更多的土壤CO2下渗进入洞穴,通过洞穴水的脱气作用和CO2的扩散传输作用进入到洞穴空气环境中,使雨季PCO2(a)高.相反,旱季土壤中微生物活动和植物根系呼吸活动减弱,PCO2(soil)降低,进入洞穴中的土壤CO2减少,使旱季PCO2(a)降低.与此同时,降雨量减少可能引起洞穴上覆岩溶管道或基岩裂隙中的岩溶水干涸甚至断流,使在雨季充满水的岩溶通道或基岩裂隙成为排气孔,岩溶管道和基岩裂隙干涸而成为排气孔,产生“烟囱效应”[24],同样会使PCO2(a)降低.空间上,与洞穴滴水温度类似,在接近洞口的两个监测点(MH1#、MH2#)PCO2(a)较洞内低,且月间变化较洞穴深处其他监测点大,但仍表现出明显的季节性变化特征,主要受洞穴通风效应的影响[25].PCO2(a)随PCO2(soil)也有明显的季节性变化,但变化幅度较PCO2(soil)小,PCO2(a)主要受控于洞穴上覆PCO2(soil)的变化,洞穴上覆PCO2(soil)是PCO2(a)的主要来源,类似的结果在多个洞穴研究中均有记录[26].2016年10月、12月和2017年5月各监测点间PCO2(a)存在显著差异,2016年11月和2017年6月、7月和8月PCO2(a)均表现出显著上升,与其前1—2月的大气降雨对应,表明PCO2(a)变化与大气降雨间存在“滞后效应”,其滞后时间为1—2个月左右,与殷超等[27]的研究结果一致.
【参考文献】：
期刊论文
[1]岩溶区不同土地利用下地下水碳同位素地球化学特征及生态意义[J]. 任坤,潘晓东,曾洁,焦友军,彭聪,梁嘉鹏. 环境科学. 2019(10)
[2]短时间高强度旅游活动下洞穴CO2的变化特征及对滴水水文地球化学的响应[J]. 张结,周忠发,汪炎林,潘艳喜,薛冰清,张昊天,田衷珲. 地理学报. 2018(09)
[3]贵州绥阳地质公园白云岩喀斯特景观特征及其形成演化分析[J]. 韦跃龙,罗书文,陈伟海,欧阳志宏,罗劬侃,李成展. 地球学报. 2018(03)
[4]贵州凉风洞洞穴系统锶同位素特征[J]. 朱小龙,罗维均,王世杰. 地球化学. 2018(02)
[5]池武溪流域岩溶水SO42-的空间变化特征及其来源分析[J]. 汪炎林,周忠发,田衷珲,李坡,张结,潘艳喜,曹明达. 环境化学. 2017(12)
[6]土壤CO2与喀斯特洞穴CO2季节变化响应分析[J]. 殷超,周忠发,田衷珲,曹明达,张结,潘艳喜,汪炎林. 水土保持学报. 2017(04)
[7]白云岩洞穴系统中水-气CO2分压对洞穴水水文化学过程的影响:以贵州双河洞为例[J]. 曹明达,周忠发,张结,殷超,张绍云. 环境科学与技术. 2017(03)
[8]重庆芙蓉洞洞穴水DIC-δ13C的变化特征及影响因素[J]. 黄春霞,李廷勇,韩立银,李俊云,袁娜,王海波,张涛涛,赵鑫,周菁俐. 中国岩溶. 2016(03)
[9]贵州纳朵洞洞穴水化学性质和δ13CDIC特征及其影响因素研究[J]. 沈蔚,王建力,王家录,蒋先淑,毛庆亚. 中国岩溶. 2016(01)
[10]贵州施秉白云岩喀斯特区水化学和溶解无机碳稳定同位素特征[J]. 肖时珍,蓝家程,袁道先,王云,杨龙,敖向红. 环境科学. 2015(06)
本文编号：3356312
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