湖南峒河岩溶区落水脱气过程水化学特征与碳汇研究

论文摘要

河流是地质地球化学循环的重要通道,其作为地球化学信息的重要载体,可以反映出河水中各个元素的含量、组成等,从而能够体现出流域的各种特征。岩溶碳汇受到水循环的驱动,水体存在与大气CO2交换的现象,因此准确评价岩溶水体水-气界面CO2交换通量成为准确评价岩溶碳汇效应的关键。地表水系统和地下水系统皆存在水-气界面CO2的交换。其中,岩溶地下水常出露于落差较大的地形之上,如半山腰,地下水出露极易形成瀑布,下落过程存在者显著的脱气效应,以往碳汇量计算不扣除该部分的损失,使得流域总碳汇通量被估算过大。故研究该过程至关重要,结合典型亚热带碳酸盐岩流域的特点,并进一步的研究岩溶碳循环过程中落水脱气作用,探明其变化规律,分析CO2水-气界面交换的过程,可以更加准确的计算碳汇通量,对于全球碳循环研究具有重要的科学意义,对我国应对全球气候变化也具有重要的现实意义和科学依据。本文以湖南峒河流域的大龙洞地下河为例,选择地下河唯一汇水出口处的瀑布作为研究区域,从洞内水库下坝前至洞口,以及瀑布底至地表流一段,共布点6处监测点,于2018年4月以及同年8月对研究区域进行的取样（包括不同的季节,昼夜监测,降雨影响）和监测。现场记录并测定水化学参数,利用浮游箱法采集气体样品,室内测试气体样品和主要阴阳离子以及13C同位素等。而后整理分析数据并计算通量。研究结果表明:（1）空气中CO2浓度有着空间尺度差异显著。落水过程前,洞内深处点X6、X5的CO2浓度较大,可达到1300ppm左右,到洞口处水坝处点X4,浓度下降至700.60ppm。落水过程后点X1的CO2较洞口点X4有所升高,这可能是因为落水过程强烈脱气明显且水雾化扬在空中导致空气中的CO2增高,地表流段稳定在400ppm左右。从整个过程来看,空气中CO2浓度呈递减的趋势。（2）空气CO2中碳同位素δ13CCO2也存在着时间、空间尺度的差异,不同取样点CO2的组成有所不同,随着脱气过程同位素值逐渐偏正,从洞内的近-18.00‰偏正到地表流约-9.00‰左右。说明不同时段空气中CO2的来源组成也有所差异。空气CO2浓度与δ13CCO2有着明显的负相关性,当空气中CO2浓度降低时其对应的δ13CCO2值则升高,洞内δ13CCO2约为-18.00‰,流域碳酸盐岩中的δ13C约为0‰,说明洞内深处的空气CO2主要来源于岩溶区土壤的CO2。洞口点X4较洞内偏正,由于洞口开阔,洞外大量空气混入,同时山上植被光合作用的利用,进而使得δ13CCO2偏正于洞内,瀑布下落后点X1的δ13CCO2值相比较于洞口X4处偏负,主要是因为下落过程脱气作用所致。地表流的点X2及X3的δ13CCO2值与一般的大气中CO2的δ13C值相近且偏负,说明此时的空气中CO2主要来源为大气,同时也受到一定碳酸盐岩地区岩溶水脱气的影响,导致偏负于大气中CO2的δ13C均值。δ13CCO2在昼夜监测期间点X4变化规律有夜晚偏负,白天偏正的趋势,这可能是洞口周边植物白天优先利用偏轻的碳进行光合作用,进而影响洞内的δ13CCO2数值。点X1整个昼夜监测期间数据呈单峰曲线,前半段为夜间,数值逐渐偏负,次日随后逐渐偏正。脱气过程中水中δ13CDIC逐渐偏重,X1较X4相比升高了0.76‰。短距离的流程前后两个观测点呈现出较大的差距。δ13CDIC的变化说明水中C源有着明显的变化。（3）强降雨过程对整个脱气过程有所影响,在点X1的影响要大于X4。点X1的能体现出一定的昼夜变化规律,白天有规律趋势的时间较短（如,明显的变化或极值多出现在13:0015:00）,而这些参数往往直接受光照的影响较大,由于所处地形的特殊性,该点地处峡谷之中,导致该点受太阳直射的时间段也仅是在11:0015:00左右,较短的日照却体现出较强的变化,光照导致植物光合作用加强,使得DO、HCO3-、δ13CDIC等发生变化,说明点X1极易受外界条件的影响。（4）瀑布下落的过程所产生的脱气现象有一定的规律,现有数据可以看出地下河排泄至洞口处时（X4）存在的脱气现象,在下落过程的短时间内有着明显的脱气,下落过程后的X1断面以吸收CO2为主。即表现出瀑布下落前为大气CO2―源‖,下落过程为大气CO2―源‖,而瀑布下落后则为大气CO2―汇‖的规律特征。（5）以昼夜监测数据为基础来计算CO2的交换通量,进而估算其年的通量变化,会提高一定的计算精度。结果可以看出,在瀑布下落前的X4断面,表现出的是CO2脱气作用,是大气CO2的―源‖,月通量约99.50 tCO2,其通量为2700.11 tCO2/yr。下落后的X1断面则表现出的是CO2吸气作用,作为大气CO2的―汇‖,月通量为350.52 tCO2,其通量为-2912.76 tCO2/yr。整个过程总体上表现为CO2脱气,其脱气通量,约为910.64tC/yr,X4断面由碳酸形成的碳酸盐岩风化碳汇通量为2996.29 tC/y,扣除所脱气的通量,最后整个地下河流至落水过程结束形成了2880.04 tC/yr的岩溶碳汇净通量。其中,来自CO2脱气总量占碳酸盐岩净风化碳汇总量的31.62%,这一数值远大于碳酸盐岩地区河流的对应值,说明瀑布下落所产生的落水脱气作用远比一般河流的水-气界面CO2交换来得剧烈。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题依据及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 峒河流域岩溶碳汇研究现状
•     1.2.2 脱气研究现状
•     1.2.3 脱气通量计算方法研究现状
•   1.3 科学问题的提出
•   1.4 研究内容及技术路线
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 技术路线图
• 第2章 研究区概况及数据获取方法
•   2.1 研究区概况
•     2.1.1 流域自然地理概况及水文地质条件
•     2.1.2 大龙洞地下河流域出口概况
•     2.1.3 补给径流条件
•     2.1.4 具体采样点概况
•   2.2 样品采集及数据处理
•     2.2.1 野外现场测试方法
•     2.2.2 野外采样方法
•     2.2.3 实验室分析方法
•     2.2.4 数据分析与整理
• 第3章 大龙洞地下河水主要离子组成来源分析
•   3.1 研究区水化学特征
•     3.1.1 河水中主要理化参数变化特征
•     3.1.2 碳酸盐岩饱和指数及二氧化碳分压
•     3.1.3 水化学组成
• 13C_DIC值验证'>  3.2 DIC来源及δ¹³C_DIC值验证
•     3.2.1 DIC的来源比例计算
•     3.2.2 不同酸对碳酸盐岩溶蚀的同位素验证
•   3.3 本章小结
• 第4章 瀑布脱气规律分析
•   4.1 瀑布脱气过程及季节特征
• 2变化'>    4.1.1 脱气过程空气CO₂变化
• 2来源与碳同位素关系'>    4.1.2 脱气过程空气CO₂来源与碳同位素关系
• 2交换通量特征'>    4.1.3 水-气界面CO₂交换通量特征
•   4.2 本章小结
• 第5章 昼夜监测规律分析
•   5.1 水化学昼夜变化特征
•     5.1.1 水温、pH、电导率和溶解氧昼夜变化特征
• 3^-和Ca²⁺的昼夜变化规律'>    5.1.2 HCO₃^-和Ca²⁺的昼夜变化规律
• 2变化特征'>    5.1.3 SIc和pCO₂变化特征
• 13C_DIC及空气中δ¹³C_CO2变化'>    5.1.4 水中δ¹³C_DIC及空气中δ¹³C_CO2变化
• 2交换通量昼夜特征'>  5.2 水-气界面CO₂交换通量昼夜特征
•   5.3 强降雨对瀑布脱气过程中各参数的影响
•   5.4 本章小结
• 第6章 瀑布脱气对碳汇的影响
• 2交换通量'>  6.1 大龙洞CO₂交换通量
•   6.2 大龙洞地下河流域碳汇通量计算
•   6.3 本章小结
• 第7章 结论与不足
•   7.1 论文主要结论
•   7.2 论文创新点
•   7.3 存在的不足
• 参考文献
• 个人简历
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 霍俊伊

导师: 李亮,曹建华

关键词: 岩溶碳汇,交换,碳通量计算,瀑布,脱气

来源: 桂林理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地质学

单位: 桂林理工大学

分类号: P641.134;P595

DOI: 10.27050/d.cnki.gglgc.2019.000345

总页数: 70

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