亚热带典型岩溶地表溪流溶解无机碳变化过程及其影响因素

发布时间：2018-04-11 08:17

本文选题：溶解无机碳 + 昼夜变化　；参考：《西南大学》2015年硕士论文

【摘要】：岩溶动力系统中,在水循环驱动下,岩溶水体中的溶解无机碳(DIC)在-定条件下又以钙华、泉华或石笋等形式发生沉积,同时伴随着CO2的溢出,因此岩溶碳汇作用被质疑成碳转移过程,形成的碳汇并不稳定。然而,岩溶水体出露地表形成的地表溪流流动过程中,水中DIC的变化受到溪流脱气作用、碳酸钙沉淀、水生光合生物生理作用等无机和有机过程的影响,特别是水生光合生物光合作用过程能够利用水体DIC形成有机碳,实现无机碳到有机碳的转变,最终形成有机碳部分埋藏在河底,从而可形成稳定的碳汇。因此,在考虑了生物作用后,岩溶作用所形成的DIC可最终被固定下来,为岩溶碳汇稳定性问题的解决提供了科学途径。因此,本文选择我国南方亚热带岩溶区接受岩溶地下河补给的典型地表溪流(官村岩溶地表溪流),围绕以岩溶作用作为主要来源的DIC在进入地表水文系统后,在生物作用的影响下,其变化规律、转化过程以及碳汇稳定性评价的科学问题,揭示溪流系统溶解无机碳在碳酸钙沉积和溶解、水-气交换和水生光合植物水生生物新陈代谢等过程的影响下,水体脱气速率、沉积速率以及固定有机碳能力的变化,以及DIC以有机碳形式沉降下来形成真正的碳汇的变化过程。本研究主要通过定点在G1(位于官村地下河出口,无明显水生植物发育)G2(位于下游监测站,生长大量黑藻、金鱼藻等水生植物)进行常规监测(每月一次采样)和高密度昼夜监测相结合的方式对官村地下河表层溪流水化学特征进行研究,分析在生物地球化学过程中,溪流DIC的变化规律及其影响因素,研究结果表明：(1)溪流水化学类型为Ca-HCO3型,在2013年9月至2014年8月常规监测期间,pH值、电导率、SIc、pCO2受流量影响均表现出旱季上升,雨季下降的变化规律。溪流出露地表后,由于CO2浓度差发生脱气作用,pCO2沿流程不断下降,同时SIc、pH不断沿流程上升。溪流脱气通量与流量呈明显正相关关系,表明流量控制着溪流脱气通量变化。溪流脱气通量与G2点DIC浓度呈明显负相关关系,表明当脱气通量增加时,溪流中游离CO2含量减少,水体游离CO2转化为H2CO3量减少,导致G2点DIC浓度下降,进一步说明脱气过程引起DIC沿流程损失减少。碳酸钙沉积速率在旱季随水温下降而变缓,在雨季随着水温上升而变快。但在3—5月可能由于降雨导致流量增加引起SIc下降,使得碳酸钙沉积速率相对水温上升而表现出下降的变化。沉积速率变化与Ca2+、DIC浓度变化趋势大致相同,且碳酸钙沉积速率与DO呈现相反的变化趋势,表明生物呼吸作用通过溶蚀碳酸钙沉淀来影响DIC的变化。另外,G2点沉积物碳同位素全年平均值为-11.01‰,则表明了流域气候温湿,溪流生态环境良好。溪流水生生物新陈代谢通量表现为在旱季降低雨季上升的变化规律,说明了在旱季由于气温低,溪流中的藻类生物活动性低且生物量要小于雨季,导致水生生物新陈代谢能力较弱,在雨季,由于水温上升、光照加强,水生植物光合作用增强,即而水生生物新陈代谢通量加快,但同时也受到降雨影响,表现为在4～6月变为水生生物新陈代谢通量降低。另外,溪流水生生物新陈代谢通量与流量为明显正相关关系(R2=0.62),说明水生植物新陈代谢过程也受到流量的影响。水生生物新陈代谢通量与DIC呈相反季节变化趋势,进一步表明DIC被水生植物所利用而损失减少。(2)2013年7月8～14日、2013年8月17～20日、2014年7月22～23日昼夜监测期间,G1点均无明显昼夜变化规律,G2点溪流中水化学参数均表现出明显的昼夜变化规律,水化学昼夜变化特征的影响因素包括物理因素(太阳辐射、水温、降水等)和生物作用(光合作用和呼吸作用)。G2点DIC和δ13CDIC昼夜变化特征相反,表明溪流中DIC浓度昼夜变化受水生植物光合作用和呼吸作用以及脱气作用的影响。通过亨利常数的计算,水温对pCO2的影响率占27.48%～54.88%,水生植物对水体pCO2的影响率占45.12%～72.52%,进一步表明溪流内水生植物的生理作用影响对溪流水化学昼夜变化特征起主要控制作用。并且通过对溪流总初级生产力(Gross Primary Productivity, GPP)的计算结果可知,2013年7月12日GPP为16.06 kg O2d-1,2013年7月13日GPP为12.17 kg O2d-1说明在无雨晴天天气下,太阳辐射的增强和水温的上升则会导致溪流总初级生产力下降的变化规律。在降雨期间,溪流水化学表现出明显的稀释作用和淋滤作用,体现出了典型岩溶水的敏感性,且降雨导致了溪流水生生物新陈代谢通量的变慢,从而影响溪流总初级生产力。(3)在无雨晴天的天气下,G1点脱气作用是由于出现CO2浓度差而产生脱气的物理过程,无明显昼夜变化规律,而G2点溪流脱气速率昼夜变化规律表现为夜间早上中午下午,在夜间,溪流脱气速率不断上升,水化学变化主要是受水生植物呼吸作用所影响,pC02.DIC和Ca2+浓度的逐渐上升和pH逐渐下降也表明了溪流呼吸作用逐渐增强,进一步说明在夜间影响脱气速率的为生物的呼吸过程。在早上,光合作用不断增加,呼吸作用较夜间有所降低,在下午,由于水生植物呼吸速率不断减小、光合作用也逐渐减弱导致溪流生产力也减弱。因此,溪流脱气速率昼夜变化受生物作用的影响,并且与水生植物呼吸速率相关,进一步表明生物的呼吸作用作为溪流脱气速率昼夜变化的主导因素。G1点CO2通量昼夜变化没有呈现明显的规律性。G2点CO2通量昼夜变化则表现出与脱气速率相同的变化趋势,即与pC02昼夜变化趋势一致,表明脱气通量昼夜变化也是受生物作用的影响。在7月22-23日监测期间计算溪流固定的有机碳含量约为10.34kg d-1,所产生的有机碳通量为2658.28 mg m-2 d-1,且经计算得出碳酸钙沉积占DIC损失的38%,CO2脱气占21%,水生植物新陈代谢过程占41%,因此,研究表明了脱气只占一小部分,DIC大部分能被水生植物利用形成内源有机碳,即存在稳定碳汇
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P641.134

【参考文献】