石漠化治理对岩溶作用强度的影响及其碳汇效应

以贵州关岭-贞丰花江岩溶石漠化综合治理区代表石漠化治理的退耕还林地和未进行石漠化治理的耕地及对应的B泉和A泉为研究对象,分析退耕还林地、耕地的土壤CO_2浓度变化、土下溶蚀量及碳汇差异,以及对应泉水Ca^(2+)、HCO_3^-的变化,并计算岩溶碳汇效应,揭示石漠化治理对岩溶作用强度的影响及其碳汇效应。研究结果表明,研究区土壤CO_2浓度变化范围为417~10 000ml/m^3以上,表现为夏秋高、冬春低的季节变化。土壤CO_2浓度表现为土层60cm>40cm>20cm,在一定深度范围内随土层的增加呈现升高的趋势。相对耕地,退耕还林地能够明显增加土壤CO_2浓度,表明植被恢复有利于土壤CO_2积累。A泉和B泉的Ca^(2+)、HCO_3^-变化范围分别为78~98mg/L,207.4~280.6mg/L和118~133mg/L,323.3~396.5mg/L,B泉的Ca^(2+)和HCO_3^-含量明显高于A泉,其消耗的CO_2量也相对较大,表明植被恢复有利于岩溶作用的进行。在雨季时,泉水中HCO_3^-含量变化相对土壤CO_2滞后大约1~2个月,而在旱季时,其变化趋势一致,表明泉水中HCO_3^-敏感地响应土壤CO_2的变化。退耕还林地土下溶蚀量及碳汇量约为耕地的7倍,受土壤有机质和土壤CO_2浓度及土壤水分等理化性质的影响,退耕还林地土下溶蚀量和碳汇量表现为土下40cm处最高,土下20cm处和60cm处相当。而耕地土下溶蚀量和碳汇量主要受CO_2浓度控制,其变化趋势与土壤CO_2浓度一致。综上表明,岩溶地区石漠化治理能明显增强岩溶作用强度及岩溶碳汇效应。

不同来源小球藻对岩溶水Ca^2＋、HCO3^-利用的初步研究

以外源小球藻和岩溶区筛选出的土著小球藻为研究对象,在封闭体系中比较研究了两种不同来源小球藻对典型岩溶水中Ca2+、HCO3-的利用、藻细胞数量与其对Ca2+、HCO3-的利用率的关系和体系pH的变化。结果表明,土著小球藻利用Ca2+、HCO3-的能力强于外源小球藻,但外源小球藻对Ca2+的利用量高于土著小球藻,而二者对HCO3-的利用量相同,并且外源小球藻能够以胞外CaCO3-形式产生沉淀,而土著藻则不能形成沉淀。其次两体系中pH的变化显示,两种小球藻光合作用都是先以水体中CO2为光合作用碳源,然后利用HCO3-。外源小球藻能将岩溶水中29.648%的HCO3-吸收,而土著藻能将40.625%的HCO3-通过其在食物链中的初级生产地位将岩溶碳汇转化进入到生态系统,表现为净碳汇效应。

桂林岩溶区石灰土壤对酸雨缓冲作用的观测及其对岩溶碳汇的指示意义

近期越来越多的研究显示硫酸、硝酸等外源酸会参与碳酸盐岩溶蚀,但酸雨在碳酸盐岩溶蚀中的作用与碳循环的关系并不明确,严重制约了我国岩溶碳汇效应的准确评估。本研究选择在酸雨强度大、频率高、岩溶发育典型的桂林丫吉岩溶泉野外科研实验场开展研究,对不同地貌部位土壤和丰水期(4月)、平水期(9月)降雨后土壤水进行分层取样测试。结果显示:土壤的pH范围为5.55~7.81,平均值为6.76±0.61,变异系数为9.11%,土壤水的pH范围为6.69~7.89,平均值为7.21±0.31,变异系数为4.43%,两者均接近中性和中性以上,并呈现出随深度增加而不断增大的趋势性变化规律,土壤pH主要受土壤有机质分解产酸的控制,土壤水pH主要受石灰土富钙偏碱的地球化学背景影响,酸雨对两者的影响较小。土壤阳离子交换量范围为302~423 mmol(+)/kg,位于酸沉降不敏感区的土壤范围内,土壤对酸雨来源的H+具有较好的缓冲能力。土壤水中碱性离子(Ca^(2+)+Mg^(2+))所占比例范围为23.66%~25.0%,平均值为24.25%±0.33%,变异系数为1.36%,含量稳定;酸性离子(SO_(4)^(2–)+NO_(3)^(-))所占比例范围为2.47%~18.94%,平均值为7.69%±5.09%,变异系数为66.28%,随着深度增加,土壤水中酸性离子浓度逐渐降低;土壤pH值呈碱性,可以认为,酸雨成分并没有穿透土壤层进入岩溶含水层,没有产生减碳汇效应。前期的研究由于没有考虑石灰土壤层对酸雨的缓冲作用,高估了酸雨的减汇效应。

岩溶区河流水化学昼夜变化与生物地球化学过程

河流水化学昼夜动态变化的研究有助于揭示水体中相对快速的生物地球化学过程（河流内过程）,同时也有助于判别上游补给区流域过程。已有的研究表明生物过程（光合作用与呼吸作用）、地球化学过程（碳酸盐平衡、碳酸钙沉积）是控制河流pH、SpC、Ca^2＋和HCO3^-含量昼夜变化的主要因素。不同级别、类型及河床微环境均会对水化学昼夜变化产生影响,与气温密切相关的光合作用是产生河水pH值和DO昼夜变化的主控因素。在偏碱性与富含钙离子的岩溶河流,有机体的钙化作用与酸分泌可能对光合作用具有重要作用,从而导致水体中Ca^2＋和HCO3^-出现白天下降-夜间回升的昼夜动态变化,下降幅度达20%～30%。水生植物通过光合作用产生DIC（主要为HCO3^-）的原位沉降,是真正意义上的净碳汇。昼夜生物地球化学循环及效应研究有助于全面认识岩溶区碳循环特征及岩溶含水层源汇关系,尤其是岩溶碳汇稳定性与净碳汇估算;同时对长时间尺度河流监测计划的制定具有重要意义。

硫酸型酸雨参与碳酸盐岩溶蚀的研究进展

碳酸盐岩的H2CO3溶蚀产生岩溶碳汇,占整个岩石风化碳汇的94%。西南岩溶区硫酸型酸雨严重,硫酸型酸雨广泛参与碳酸盐岩的溶蚀。H2SO4参与的碳酸盐岩风化是一个大气CO2净释放过程,具有减汇作用巨大。另一方面,岩溶区石灰土壤和地下水具有较高的pH值及盐基饱和度,对H^+有巨大的缓冲作用,大气酸沉降在碳酸盐岩地区可能并不会造成地下水的HCO3^-和pH降低;相反,较高浓度的SO4^2-所产生的盐效应和SO4^2-与各种阳离子形成的离子对会增大方解石、白云石溶解度,可增强H2CO3对碳酸盐的溶蚀,这可能会使岩溶作用产生更大的碳汇效应。因此,硫酸型酸雨参与碳酸盐岩风化的减汇效应不仅可能被高估,硫酸型酸雨还可能增强碳酸盐岩的H2CO3溶蚀,具有增加岩溶碳汇效应的作用。应结合石灰土壤对大气酸沉降的缓冲容量和阈值及大气酸沉降的H^+与土壤中盐基离子的交换量,并综合考虑盐效应、离子对作用、同离子效应,客观评价硫酸型酸雨流经石灰土壤层后对碳酸盐岩溶蚀吸收大气/土壤CO2的影响。

岩溶碳循环及碳汇效应研究与展望

碳酸盐岩风化是全球碳循环的重要组成部分,具有大气与土壤CO_(2)汇效应,受生态系统因子驱动与全球变化影响,岩溶地区碳汇具有地表和地下双碳汇特征。简要介绍岩溶碳循环与全球变化关系,论述岩溶碳汇的相关科学问题和主要进展,分析岩溶增汇潜力与土地利用变化,进一步提出基于岩溶关键带理念的碳酸盐岩风化过程概念模型。碳酸盐岩风化产生的碳汇可能是全球碳循环“遗漏碳汇”的贡献者,同时具有缓解土壤CO_(2)向大气释放的作用,进而成为全球碳循环模型中“土地利用变化项”(E_(LUC))的重要调节者(减源效应)。碳酸盐岩风化过程能快速响应短时间尺度变化环境因子,是岩溶关键带中连接生物、水文与地球化学过程的核心驱动机制。岩溶碳循环可理解为是土壤-生态系统碳循环的延伸或横向组成部分,共同组成岩溶地区完整的陆地浅表层碳循环系统。碳酸盐岩风化对大气CO_(2)浓度上升的负反馈效应,石漠化治理与生态修复工程的持续推进,蕴藏着巨大的岩溶固碳增汇潜力。应加强土壤CO_(2)季节及其区域变化监测与研究,构建基于土壤CO_(2)与流域水化学指标相关性的反向模型,为估算区域碳汇本底、评估年际碳汇增量与潜力提供更加清晰且有效的岩溶增汇方案与途径。

添加有机物料对岩溶系统中碳转移及灰岩溶蚀的影响研究

以贵州茂兰一种灌丛土壤和一种农业用地土壤为研究对象 ,设置了添加和不添加有机物料处理 ,进行了岩溶作用与土壤碳转移的模拟试验。结果表明 ,土壤 CO2 呼吸排放、土壤淋滤液 HCO- 3排泄及灰岩溶蚀均响应于有机物料的添加。对于无机离子 Ca2 +、Mg2 +来说 ,在不添加有机物料情况下 ,其淋出过程表现为一个较高的活跃可迁移库的释放过程及随后较低风化淋滤的稳定释放过程。在添加有机物料条件下 ,分解释放的 Ca及 CO2 产生的 HCO- 3的排释滞后于土壤呼吸 15天以上。添加有机物料下 ,灰岩溶蚀量均有一定幅度的提高 ,但 Ca(Mg)及 HCO- 3的排释大大增强 ,这一方面表明生物可利用性的碳源的加入促进了系统中岩溶作用 ,并强烈驱动土壤中可交换 Ca、Mg的排释 ;另一方面 ,由于土壤中因呼吸增强而形成的高 CO2 在湿润条件下溶解成为 HCO- 3- C排泄 ,而大大促进土壤碳转移的汇效应。本文的研究结果说明 ,自然土壤因植被的破坏或林地转变为农地 ,可能使岩溶系统的汇效应减弱。

石漠化治理对土壤中CO2、CH4变化特征及碳汇效应的影响

为探究石漠化治理对土壤中CO_2、CH_4变化特征及碳汇效应的影响,采用气相色谱法对重庆市南川石漠化治理示范区土壤中CO_2、CH_4浓度进行观测,结合土壤温度、土壤含水率、土壤容重和土壤有机碳对石漠化治理区(试验区)和对比区(未经过石漠化治理的荒草地)进行研究,并用溶蚀量数据估算岩溶区碳汇量。结果显示:土壤中CO2浓度随土壤深度的增加先增加后减小,变化范围为393～7 400mg·L^(-1);而土壤中CH_4浓度随土壤深度的增加先减小后增大,变化范围为1.13～3.42mg·L^(-1)。试验区土壤中CO_2浓度均值为2 131mg·L^(-1),CH4浓度均值为1.94mg·L^(-1);而对比区土壤中CO_2浓度均值为2 338mg·L^(-1),CH_4浓度均值为2.10mg·L^(-1)。土壤温度、土壤有机碳与土壤中CO_2浓度变化趋势呈显著正相关关系,而与土壤中CH_4变化趋势呈显著负相关关系,说明土壤温度和土壤有机碳是影响土壤中CO_2、CH_4浓度的主要因素;土壤温度与土壤中CO2浓度呈正相关关系且相关性随石漠化治理而变弱,说明经过石漠化治理土壤温度对土壤中CO2浓度的影响减弱。试验区岩溶试片溶蚀速率大于对比区,且经过石漠化治理,由岩溶作用产生的碳汇可提高0.66～9.42t·km^(-2)·a^(-1);说明石漠化治理对于岩溶区碳汇起到了促进作用。

中国南方喀斯特地区碳循环研究进展

中国南方喀斯特地区碳循环路径与过程基本清晰,与其他陆地生态系统明显不同,呈现出鲜明的区域特色:雨热同季、地质构造背景与碳酸盐岩可溶性的耦合,导致碳酸盐岩中大量封存的碳重新进入生态系统碳的循环;二元三维结构中地下空间CO_2具体动态变化性,可视为次级碳库,影响生态系统碳的循环过程;陆生植物、水生植物均有利用HCO_3^-碳源进行光合作用的新途径;发现了碳酸盐岩快速的风化作用与水生植物生物碳泵的耦合机制,喀斯特作用碳汇效应得以确证。但是,中国南方喀斯特地区碳循环的研究还存在明显不足:喀斯特作用碳汇量的估算受到气候变化、土地利用变化的正负机制、外源酸等多因素的挑战,还具有很大的不确定性;植被、土壤与岩石、地下空间次级碳库、大气、大气降水存在复杂的多界面作用过程,碳的通量及迁移转化机制仍不明确。未来研究应重视:针对喀斯特地区特点的新研究方法、技术的研发;喀斯特关键带理念的统领;联网长期观测;模型的集成与创新。