亚热带不同地质背景水库碳转移过程的研究

发布时间：2016-11-30 13:13

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《西南大学》 2015年

亚热带不同地质背景水库碳转移过程的研究

刘文  

【摘要】：在全球碳循环研究中,平衡全球碳收支一直以来都是研究的热点问题。近年来的研究表明,岩溶作用积极参与了全球碳循环并在全球碳收支评价中发挥重要影响,但岩溶碳汇的稳定性却受到质疑。在引入“陆地水生生物碳泵”概念之后,耦合水生光合作用的岩溶作用碳汇及其稳定性问题找到了解决途径。水库这一最重要的人工水体为“陆地水生生物碳泵”机制在陆地水体更好地发挥作用提供了必要条件。那么,岩溶区水库在解决岩溶碳汇稳定性这一重要科学问题上的角色以及其所能形成的碳汇效应如何?哪些因素会影响其碳汇效应?本论文针对这些问题展开研究工作,研究成果可望对准确评价岩溶作用对碳循环的影响提供依据,为“减排增汇”的国家政策提供科技支撑。本研究选取位于亚热带流域范围内近乎全被碳酸盐岩覆盖的“碳酸盐岩型/岩溶型”大龙洞水库和库区硅酸盐岩覆盖占优势的“硅酸盐岩型”五里峡水库为研究区。分别于2013年7月、8月、2014年3月、7月、8月在不同研究区开展了雨季、旱季、暴雨径流过程等背景下的现场监测、采样工作。现场测试指标包括水温(T)、pH、电导率(EC)、溶解氧(DO)、透明度、浊度(Tb)、叶绿素a (chl a)、HCO3-、Ca2+等。采集水体、沉积物等样品,室内分析水体基本化学组成、总有机碳(TOC)、δ13CDIC,表层沉积物样品的机械组成,柱状沉积物的TOC、总氮(TN)、δ13COC等指标。研究结果表明：1.水气界面碳交换：分析发现,大龙洞水库水气界面雨季(CO2通量：12.48 mg/(m2/h))、旱季(68.17 mg/(m2/h))均为大气CO2的“源”,但在雨季“源”效应极大减弱。五里峡水库在雨季(-19.72 mg/(m2/h))及暴雨径流过程(-2.51 mg/(m2/h))影响下均为“汇”,但在径流干扰下“汇”效应减弱。2.水体溶解无机碳(DIC)分布：沿流程方向,大龙洞水库雨季(DIC-平均含量：2.78→3.55mmol/L,全库平均含量：3.41 mmol/L)及暴雨径流影响下的五里峡水库(0.91mmol/L)均存在增加的趋势。大龙洞水库旱季(3.63→3.33 mmol/L,3.43 mmol/L)及五里峡水库雨季(1.00→0.88 mmol/L,0.92 mmol/L)及存在从上游向下游减小的趋势。总体上,大龙洞水库HCO3-含量约为五里峡水库的3.8倍。垂直剖面上,在雨季,大龙洞水库表层至10m深度处(DIC平均含量2.31→4.45 mmol/L)与五里峡水库(DIC平均含量0.85→1.05 mmol/L)表现出随深度增加DIC含量增加的趋势,而大龙洞水库水深大于10m部分随深度增加呈减小趋势(DIC平均含量4.45→3.69 mmol/L),暴雨径流过程影响下五里峡水库呈现与雨季相反的变化趋势(DIC平均含量1.01→0.83mmol/L),大龙洞水库旱季变幅降低(DIC平均含量3.60→3.20 mmol/L)。3.沉积物中的有机碳：大龙洞水库表层沉积物有机碳含量平均为2.01%,五里峡水库的为1.34%,前者为后者的1.5倍,碳酸盐岩型水库具有更高的生产力。机械组成、T/N及有机碳同位素等证据表明大龙洞水库库底有机质的沉积以内源作用为主,且愈向下游这一作用越强烈；而五里峡水库的则受降水径流影响较大,以外源输入为主,沿流程几无固定变化规律。4.水库碳循环的影响因素：(1)流域范围内岩性等地质背景在水库碳循环中发挥了基础性的作用。大龙洞水库水体HCO3-含量约为五里峡水库的3倍。使得前者DIC含量过剩,除满足浮游生物同化作用,形成丰富内源沉积物外,水气界面全年存在脱气；而后者供给不足,库底沉积物以外源为主,即便是暴雨径流过程扰动的情况下也吸收大气CO2。 (2)全年热量分配不均及相应出现的雨季热分层对浮游生物分布产生直接影响,水温较高、辐射较强的雨季及近表层水体光合作用强,雨季近库底部位及旱季则弱。(3)浮游生物分布直接影响了DIC在水体中的分布及演化,在内生有机质沉积方面发挥核心作用。一般地,浮游植物量大的部位以同化作用为主,HCO3-含量减少;反之,异化作用占优势,HCO3-含量增加。(4)水库的补给方式会对库底有机质的沉积产生直接影响。地下河水在进入大龙洞水库前已基本完成所携悬浮物质的沉降,外源作用对库底沉积物影响较小,以内源沉积为主。而地表河补给的五里峡水库则受降水径流影响较大,外源作用影响显著。5.对水库碳循环模式的初步认识：碳酸盐岩型水库,雨季浮游植物在水体上层一定范围内聚集,DIC供应充足,光合作用充分进行,水体溶解氧含量达饱和甚至过饱和,产生了大量有机质向库底沉积。生成有机质时对DIC的大量利用,致上层碳酸盐平衡向有利于碳酸盐沉淀的方向进行。上层生成的碳酸盐向底层运移,因此库底也保持了中性至偏碱性的环境,使碳酸盐不致溶解而稳定地保存下来。而硅酸盐岩型水库由于DIC供给不足,浮游植物光合作用受限,生成有机质少,库底沉积以外源为主。

【关键词】：
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P343.3
【目录】：

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