土壤CO2时空动态及其对岩溶地下水水化学的影响研究

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	土壤CO2时空动态及其对岩溶地下水水化学的影响研究
	杨睿
导师	刘再华
	2013
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位名称	博士
学位专业	地球化学
关键词	土地利用/覆盖变化土壤co2 岩溶地下水水化学岩溶作用碳循环表层岩溶系统
摘要	工业革命以来，人类活动向大气大量排放CO2等温室气体，导致了以全球变暖为主的一系列全球气候变化问题的凸显。为了应对这一紧迫的全球问题，全球碳循环，尤其是与人类活动息息相关的陆地生态系统碳循环逐渐成为全球变化研究的热点。其中，基于水-岩-气-生相互作用的岩溶作用，显著地影响着陆地生态系统碳循环过程，并成为全球碳失汇的一个重要机制。在岩溶作用碳循环过程中，土壤CO2作为主要的化学驱动力，与水动力作用一起，共同影响并决定着岩溶作用的强弱。岩溶作用溶蚀的发生就是CO2溶解于土壤水，与碳酸盐发生反应，以溶解无机碳的形式进入地下水系统的迁移和转化过程。气候条件和土地利用方式的变化能够控制土壤CO2的产生、迁移和转化，从而改变岩溶作用的强度，进而影响岩溶作用碳循环并调节其相应的碳汇能力。这一系列过程都能够通过地下水水化学的变化迅速地反映出来。因此，研究岩溶地区不同土地利用条件下的土壤CO2变化规律以及地下水水化学变化对土壤CO2变化的响应，有助于理解土壤CO2对岩溶作用碳循环的驱动机制，对于解决岩溶作用碳汇产生的时效性（速率）问题，以及通过岩溶地区土地利用方式调控碳汇潜力都有着重要的意义。本研究选取贵州普定后寨地下河流域内的陈旗表层岩溶泉子系统为研究区，以系统内四个具有代表性的土地利用类型（林地、灌丛、旱地、水田）样地以及其中灌丛样地下覆的表层岩溶泉为研究对象，在2010年6月至2012年5月期间，对土壤CO2浓度和表层泉水化学参数进行了手工和在线监测，并结合样品的采集和分析以及相关模型计算，研究了不同土地利用条件下的土壤CO2变化规律以及土壤CO2变化对岩溶地下水水化学特征的影响，在此基础上获得了以下认识：（1）土壤CO2浓度变化受温度-湿度综合效应控制。夏季高温多雨的天气条件是土壤CO2浓度升高的主要原因；冬季低温干旱的天气条件促使土壤CO2浓度降低。雨季，降雨通过改变土壤湿度条件，主要的控制着土壤CO2浓度的波动；旱季土壤湿度相对稳定，温度主导土壤CO2浓度的起伏。（2）土壤CO2浓度的昼夜变化因地表植被覆盖条件的季节性差异表现出不同的特征。夏季土壤CO2浓度最高值与土壤温度最高值出现在晚上，最低值出现在凌晨，滞后于气温的昼夜变化；冬季则与气温的昼夜变化保持同步。（3）降雨对土壤CO2浓度的影响包括长时正效应和短时负效应。土壤CO2基础浓度较低时，体现长时正效应，其浓度呈缓升缓降的趋势；土壤CO2基础浓度较高且降雨强度较大时，体现短时负效应，其浓度呈陡降缓升的趋势。（4）不同土地利用类型的土壤CO2浓度及其季节动态差异显著。林地土壤CO2浓度最高且季节变幅最小，水田则因为其特殊的浇灌方式，具有次高的年平均土壤CO2浓度和最大的季节变幅。（5）岩溶地下水水化学的变化受控于土壤CO2浓度的变化。春夏季，土壤CO2浓度升高的同时，地下水CO2分压和电导率升高，pH和方解石饱和指数降低；秋冬季，土壤CO2浓度降低，对应下降的地下水CO2分压和电导率以及升高的pH和方解石饱和指数。（6）岩溶地下水水化学昼夜变化对土壤CO2浓度昼夜变化的响应时效具有季节性差异。夏季多雨时节，由于快速的地下水补给而响应时间较快；冬季雨水稀少，地下水补给较慢，水化学变化对土壤CO2浓度变化的响应时间相对滞后。（7）雨季，岩溶地下水水化学的变化受CO2效应和稀释效应共同控制。低强度降雨中，土壤CO2浓度降低，导致地下水CO2分压和电导率升高，pH和方解石饱和指数降低，表现出土壤CO2效应的主导作用；高强度降雨条件下，伴随着土壤CO2浓度的降低，出现地下水CO2分压升高，而pH、方解石饱和指数以及电导率均降低，雨水稀释效应占优势，掩盖了土壤CO2效应。（8）岩溶地区湿热的气候条件和以林地为主的土地利用方式有助于土壤CO2的产生和积累，对应更高的土壤CO2浓度，从而有利于岩溶作用的发生，对应系统中更大的溶解无机碳平衡值，因此具有更大的碳汇潜力。
其他摘要	Since the industrial revolution, the increasing greenhouse gases due to human activities, particularly CO2, has led to a series of problems on global climate change, especially continuous global warming. To cope with this problem and cut CO2 emissions, global carbon cycle, particularly in terrestrial ecosystem which is closely related to human activities, has attracted more and more attention. As a result of the water-rock-gas-organism interaction, karst processes significantly affect the carbon cycle in terrestrial ecosystem and provide a new direction for the global missing carbon sink investigation. As a major chemical driven force, soil CO2, together with hydrodynamics, dominates the intensity of karst processes. Karst processes involve the migration and conversion of CO2 which is dissolved in soil water, reacted with carbonate and infiltrated into groundwater in the form of DIC. Changes in weather conditions, land use and land cover will govern the generation, migration and conversion of soil CO2, thus the intensity of karst process and the related carbon cycle.
学科领域	环境地球化学
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.gyig.ac.cn/handle/352002/5855
专题	研究生_研究生_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	杨睿. 土壤CO2时空动态及其对岩溶地下水水化学的影响研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2013.

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