典型岩溶水系统碳汇通量估算_裴建国.pdf

2012 年10月 October 2012 石矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 31 , No. 5 884 888 文章编号0254 -5357201205 -0884 -05 典犁岩溶水系统碳汇通量估算 裴建国 12 ，章程 2 ， 张 强 2 ， 朱 琴 3 （1 ．中国地质大学（北京） ，北京 100083 ； 2．中国地质科学院岩溶地质研究所 ，国土资源部岩溶动力学重点实验窄，广西桂林 541004 ； 3．河北水文工程地质勘查院，河北石家庄050021 ） 摘要现代岩溶学研究成果表明，碳酸盐岩在全球碳循环中响应极其迅速，水循环过程中的碳汇效应显著、本 研究选取广西桂林寨底地下河系统、广西环江大安地下河 系统 、重庆北碚青木关地下河系 统三个典 型岩溶地下 水系统，利用各 系统 地下河的流量和HC03浓度的监测资料，采用简单化学平衡模式法估 算碳 汇通量CO 结果显示，寨底地下河 系统的单位面积年碳汇通量为68. 82 t/ km2 ． a，大安地下河系统的单位面积年碳汇通 量为81. 18∥km2 ． a，青木关地下河系统的单位面积年碳汇通量为100. 07 ∥kIT12 ． a，分析认为同一个岩 溶水系统的结构特征和环境条件基本 上是 稳定的；地下河的流量和HC03浓度是影响岩溶碳汇强度的关键因 素，尤其是地下河流量的 变化对碳汇强度的影响显著；不同岩溶水 系统的碳汇通量不但受水化学条件和地下水 动力条件的控制，同时受土地利用变化的影响。该研究对于改进碳循环模型和评价岩溶地质碳汇有重要意义 关键词岩溶水系统；碳汇通量；化学平衡模式法 中图分类号X142 文献标识码A Flux Estimation of Carbon Sink in Typical Karst Water Systems ’2 PEI Jian-guo“2, ZHANG Cheng2 , ZHANG Qiang2 , ZHU Qi,z3 1. China University of Geosciences Beijing , Beijing 100083, China; 2. Karst Dynamics Laboratory, Ministry of Land and Resources, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China; 3. Hydrological and Engineering Geological Survey of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China Abstract Select results from modern karstology research show that carbonate rcx-k can be actively involved in the global carbon cycle with a quick response, thus the carbon sink effect from Lhe water cycle in carbonate rock areas is very important. As described in this paper, chree represenlalive karst grounclwater systems were selected, including Guangxi province Guilin Zhaidi, Guangxi province Huanjiang county Daan gnundwater and Chongqing Qingmuguan groundwater. Carbon sink flux C02 of each underground water system was estimated from the serial monitoring data of discharges and bicarbonate concentrations by using the simple chemical equilibrium . The fluxes in Zhaidi, Daan and Qingmuguan were 68. 82 t/ km2 . a , 81. 18 11 krri2 . a ancl 100.07 t/ km2 . a respectively. The structures and environmental conditions in each karst water system were relatively stable; accordingly, the groundwater discharge and HC03 concentration were two key fac-tors influencing karst carbon sink intensity, especially the flow rate change of underground streams. However, che carbon sink flux coulcl be controlled by water chemistry and hydraulic conditions and was also impacted by land use change for different karst water systems. The results of carbon sink fluxes from three typical undergrouncl water systems provided references for the improvement of the carbon cycle model and the estimation of the karst carbon sink. Key words karst water system; carbon sink flux; chemical equilibrium 收稿日期2012 - 05 - 22；接受日期 2012 - 07 - 29 基金项目国家自然科学基金项日 40772164；国土资源部公益性科研行业专项丛会2011】1022；巾困地质大调查项闩 1212010911062 作者简介裴建国，研究员，主要从事水文地质与岩溶环境研究。E-mail peijg2006 126．com。 - 884 - ChaoXing 筛5期 裟建罔，等烘J删Z溶水系统碳il 通 }}}估算 山于大气CO ，浓度lr ．升对伞球环境变化的 畦嘤 影响，碳循环问题l I Z孟 受到同阮 ‘、 术界关注卡 }I 火机 构已组织和实施r ．系列庞大的研究计划 ，并建J.个 球范爿大气CO ，浓度临测刚，以r解大气与其他界Ⅲ 之ri{JIYJC0 ，交换特觚，从而鉴别C，的源和}r区 仇 脱仃t要碳循环模Ⅲ} ‘算结果表IIJj 地球各碳库的流 率是 /乎衡的 ，人类排放的CO ，进人人气，其中10ck 20rk的C0 ，去向未知 一般认为 ，这一未知汇l叮能 是陆地植被或土壤，但并无直接科 ’ 证据 遗漏碳汇产生的原因可能址ilI丁L{前对C，衙 所机理（模式）的分析聚焦下海洋、植被和十 ．壤、大 气i个碳库，把地质作用（含岩溶作川）列为长时问 J辽度的循环，而没竹考虑岩石幽l|勺吸碳作用 州 冉舀 ‘圈 中的碳酸盐岩沉私{址个球衣层各碳J和I ， 皱人的贮碳库 近{卜来随着全r溶动力系统嘛洲 Hn勺建立及其运行机制的深入r斛 ，刈 ‘ 表层抖溶动 ／J系统碳循环特征也仃J7一定的认谚 l-4 研究结 果衷fIJJ ，表层岩溶系统在生物参 一 J 』卜 积极参与全球 碳循环，吸碳量『1i “ 遗漏的汇 ” f叮达到20 闪此， 丧层7溶系统的吸碳和放碳是[I然界碳循环的一个 艰婴组成部分，是被 “ 遗漏的汇 ” 』，『，J一部分，它对人 7i 二起着不 J忽略的凋节作用 、mj岩溶系统碳通 l cf1勺 研究，对未知J ‘Ⅱ m ，J探索及令球碳循环模喇的修 II碉5订莆要意义 ”8 本文选取广心桂林寨底地I 、 ． 河系统、广西环汀人安地下河系统、醺庆北碚青小关 地卜 ．河系统等』个媳J魁岩溶地卜 ．水系统作为研究 区，利Hj各系统地卜水流垃和Hi浓度的躲洲资 料，采Hj简单化学平衡模式法什钎 蚍型岩溶水系统 碳。 I通量C，，结合J 羞域生念环境变化特征，探讨 地lo河流量、HCi浓度与碳汇通1 1之间的关系，反 映7溶水系统I～碳循环特征 陔研究『 IJ ‘ 以为改进碳 循环模型和评价溶地质碳fI提供p也 }靶岩溶水系统 碳}I通过数据 第31卷 候区，主体为典型的峰挑洼地地貌 露地层主要 为上泥Z笼统融县组灰岩，东南部有 中泥瓮统东岗岭 组白云质灰岩、白云岩分卉i，东南边界为f|1泥盆统的 碎屑岩 、灰岩Im露而移{lJJ 总面积的89.5 ，、 系统 内洼地、坡立谷底部有少瞳溶余粘土役盖 ，峰丛灰岩 裸露，植被以灌草丛为主 ． 1.2 人安地F河系统 大安地下河位于J 一 两环江县大安 乡才平村，汇 水面积7 】kni 二 ， 地处贵州高原南部边缘的斜坡地 带，属亚热带季风气候|xI，为峰丛洼地（谷地）地貌 特征 ．地层大面积为泥Z轰系上统灰岩 、白云质灰岩， 行炭系下统岩关阶灰褂，岩关阶上段页岩夹砂岩分 布于东邴边界一带和大塘阶灰岩零星分布于西部边 界地带碳酸盐岩儿Tfi撕了整个系统，地下河呈 树枝状腱雨i l．3 11f术父地下河系统 青木关地下河系统位于重庆市西部，汇水面积 12.9 km- ，其中岩溶IX 【fIi积11.2 kn1 二 为岩溶槽谷 地貌，属_j 二、 I旷热带季风 7 e候，土壤主要钉矿了黄泥水 稻土属、矿子黄泥土、冷砂黄泥（森林）土，槽谷中为 矿子黄泥水稻土 ，广泛分斫IJ亚热带针叶林以及阔叶 林j f{{露地层有上三稳统须家河组砂贝岩、中三叠 统雷【J坡组厚层白云质耿岩、白云岩，下 - 叠统嘉陵 江组薄r1 一层灰岩和岩溶J11 砾状白云质灰岩在其下 有末m露的下三叠统琶fIII关组泥页岩和灰岩 2 研LIX碳汇通责rlJ估算方ik 表层柑溶系统实质赴 ‘个 CO， 一H 二 一 Cf的三 相／ fi平衡开放系统，系统『 f1 的碳循环强度与CO.循环 强度密切 关，且在不F订n，J岩溶作用方式F，碳循环的 结果既 J ‘ 足人气CO ，的源，又可是其汇,，据此，表层岩 溶动力系统碳循环模式 J ‘概括成框图 ，见图1 9 l 研究区概况 我【司南Jj8竹碳 酸盐岩分 nj【面积 111.6 厅 km 二 ，类型多样 ．水文住溶R洼地【 天、高原 一 平肠婚 } 坡地州卜岩溶槽嵛i种类型 一} 』 符选择 1个代表点，j l- 体| ，|勺研究区是峰林 jF原区选择广 眄仕林寨底地F 河，f岛原 一 平原斜坡地带选择广Ⅲ环汀大安地下河． 7溶槽谷选择重队北碚青木天地卜 ．河 l.1 察底地下河系统 寨底地下河系统位于广 ‘ 两灵川县海洋乡至潮田 乡察底村之问，ififfl 32. 69 knl- 属亚热带季风7i ／硝竺 iii；彳 彳 i 专 ii囊_i磊 七 二二 一微生物活动 禽ricc 一的溶液 碳酸盐岩 汇 水化学、水动力作用 图1 表堪譬；溶动力系统碳循环模式 Fig.1 rIlh1 ti1I1Iln{ ‘、‘‘1P lf‘IP IIIPpikar.t Il、lKlmic ‘ svstem - 885 - ChaoXing 第5期 村 矿测 试 lIp/iwww. vkrs.a..t. 岩溶水化学的显著特征之一是对环境变化的敏 感性，故此，本研究对水温、pH、Ca2 、HC03、电导李 采取现场测试的方法。每次取样前均用德国WTW 公司生产的pH/Cond3401水 质多参数仪干 德国 Merck 公司生产的硬度计和碱度讣在野外现场对水 样的温度、电导率、pH值、Ca- 、H_浓度进 行测 试，其测试精度分 别 为． 1℃ 、ls／-m、 ．01 、 2 mg/L 、0.1 mmol/L ， 碳循环强度一般 n J ‘ 利用简单化学平衡模式法、 化学溶蚀动力学法 、野外溶蚀试验 法三 种t要途径 获取 |2。 。本文采用简 甲 ．化学 平衡模式法估算媳 型岩溶水系统的碳汇通苗，也就足常说的利用水化 学 一 流量进行估算。、 碳酸盐岩化学溶蚀的基本原理如下 CaC03 CO. H 二甘2HCiCa CaMg C03二2C012H 二甘 4HC3 Ca- Mg. 可见，碳酸盐岩的溶蚀作用 主 要是在侵蚀 ，阽 C0 的参与下发生的，其结 果是岩溶 水HCiflilI/J 碳有一半来源于气相C（JN此，可利用这一简单 化学模式进行碳酸盐岩溶蚀过程I卜的碳循环强度计 算，并用它来反映岩溶水系统I～碳循叫i特征 首先从水化学资料中获取Hi含量，按照以 F公式计算CO，含量p（c，，也}己作CIi，单f讧为 nlg/L ．、 CO 、 - p 2x6f 44 Cl、2pC 二） Ir聂 百 利用某一地区或流域岩溶水径流 量 Q LJ流域面 积F，或径流模数M，求得该流域冈碳酸盐岩溶蚀而 消耗的C01，单位面积年通量（碳循环强度CI）为 Cm 31.536Q/FCh 或Cm 31.536 xM xCh 式中，M-地下水径流模数，L/（ s ． kI11 二 ）；Q岩溶 地卜水径流 量， L/s ；产LHJ ‘ 溶 岩嘶积， km- ； C11 一篇 ‘溶水 C，含 量 ，mg/L; Ciii-碳 循环强度 ， kg/ kn1 ． a，、 可见碳循环强度Cm既与水中（ 0，含量有关， 也与径流量何关、说明岩溶系统吸碳能力不但受水 化学条件的影响，电受地卜水动力条件的严格控制 3 3.1 地下河系统的碳汇通量 察底地下河系统的碳汇通量 寨底地卜 河系统碳汇通垲计算结果见表 根据水文资料，寨底地卜河的流节在7月最高， HC3浓度在7月最低。统计分析2008年3，LJ - 886 - 2010 ‘ 卜10月的10组数据，地下河 系统的碳fJ辛要 发牛存lm季，最J苗f“足在2008年7H，碳汇通时达 到273885.96 kg/（kni 二 ． d） ，住枯水期碳汇比较少， 2010 ‘ Ii 10月最低 ，碳汇通 量 为4392. 56 kg/（‰ 一 ． z．） 陔系统伞年Jj -li-均碳汇量为187. 47 t，全年碳汇总量为2249. 62【 ，单位面积的‘1i碳汀通 毓约68. 82 I／（kIlr ． }I） 灰 ] 察底地 l jiIJ碳jl迎 ;i川i弹结 LiL l,illc I .ii-lcii sini 肯木关，iii岩溶碳iI强度 正女r相反 见农4 ，寨底 大安 青术关，青 木天足岩溶槽嵛，谷地底部土壤 分布面积广、厚度 大，林地所占比例较高；If 『 j察底土壤分布小连续，面 积小，林地所J汁匕例非常低，日一存在仃漠化，这就是 造成察底和占小关碳汇强度差异的原因 ， 也就是说 森林植被和_}壤有利于岩溶作用 - 887 - ChaoXing 第5期 岩 矿测 试 p∥www ．vhh．ac.t ．11 ┏━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━┓ ┃ 丧4 ┃ 典型岩溶水系统碳汇通最埘H ┃ 匕 ┃ ┃ ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ’LalIJ ┃ 4 Caj-bon sink Iltcx iri diffeirnl ┃ karst watrr HvS【I-mS ┃ ┃ ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ 区域特征对比 ┃ 寨底地下M ┃ 大发地卜 ┃ II水炎地卜河 ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ 地貌组合 ┃ 峰忱洼地 ┃ 峰从洼地 ┃ 7溶忡荇 ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ 气候类犁 ┃ 、JE热带季风 ’i候 ┃ 、jF热带季风 7 i候 ┃ 、lE热一廿季风 7 i候 ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ 植被类型 ┃ 灌小卓从 ┃ 刚l林濉 t ’ ， ‘ t ┃ 训叶林阔叶怍 ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ 地层代号 ┃ l3r/lil,l- .i ┃ l1 ／I 】，II ┃ hj ， ’ l11【 ／T、 ＼i， ’l1 ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ 年平均气温（气） ┃ 1 8 9 ┃ 19 9 ┃ 18． ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ 平均年降水量 mm ┃ 1669 2 ┃ 1569 7 ┃ 1250 ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ 汇水面积k【llj ┃ 32. 69 ┃ 71.00 ┃ 1 2 90 ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ 平均Ch11l}／L， ┃ 76. 76 ┃ 95．2 ┃ ll8.07 ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ Cm[ mg/ km . a ] ┃ 68 820 ┃ 81180 ┃ 10070 ┃ ┣━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ 全年碳汇量t ┃ 2249. 62 ┃ 5763. 74 ┃ 】2州）．9 ┃ ┗━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━┛ 5 结语 在分析南方岩溶地区三个典犁地下河系统（寨底 地下河系统、大安地下河系统、青木关地下河系统）环 境特征的基础上，利用其流量和H 【i浓度的监测资 料，采用简单化学平衡模式法估算典型岩溶水系统的 单位面积年碳汇通量，寨底为68. 82 I／（kii] 二 a ）， 大安 为 81.18 t／（km 二 ． a） ，苛小 关为 100. 07 t/ km1 ． a。分析认为地下河的流量和HC3浓度 是影响岩溶碳汇强度的关键冈素，HC_浓度 L 碳汇 强度旱现出具有负相关的趋势，地下河流量与岩溶碳 汇强度呈线性正相关关系，碳汇强度随流艟变化而变 化。不同岩溶水系统的碳汇通量不仪受水化学条什 和地下水动力条件的控制，同时电受到生态环境和上 地利用变化的影响。岩溶作用以较快的速率积极参 与全球碳循环，该研究有利于全球碳循环 “ 遗漏}I的 解决和全球碳循环模型的改进， 6 参考文献 [2] [3] Markf-iizie F T, Mwkenzie J A.hur Chal]bjjig Ilanrl, An lulm{liic-tion to F.cuih Systtiiii S-nc-ct aiitl ;lolal Envill11nlentzd Change [Ml. Ntw JPllsPv Prentire Hall Press.1995 I - 292. Yuan D. Thr carlhJ cycltJ jj] karsl [ J l. Zeii.ulzm. ∥ Jur Oonunplu,logie ilVeue Fdge, 1997, 108 S“ll bllPIll 91 - 102. ljiu 7. Zhao J.Cf Jnlriluciun of c-arbonat k alhjrillg cc ilie alHmleiir CO. siiik l J l L川7ironrnr,iml C／ fjg’ ’ , 2000, 39 1053 - 1058. - 888 [4] 袁道先，碳循环与全球 柑溶J JI ．第ULI纪 研究，1993 11 6 ． [5] 『6] [7] 18] [9] l [ 12] 袁道jl二 ．地质作jIJ lj碳循I1御}究IIJM jlJiif【J展单【J ． 科 。 、} 通报 ，-1011，56 262157. 蘸程．小同上地利Ilj Ji的岩溶作刚强度及』C碳fJ效心 LJ] ．科 。 、≯ 通报 ，2011，56 262174 - 2180. clr Wltiitrc.V.Mai-tin J I{,clic-ii M J,Fll-,Kurz M J. IilIILicjiic-v I}f_ cliel l}ic,gP{’t.}1rnli1Hl ‘ytJPh I}11 carl I1 alc. -[Llilil“iunl m LI kalsl iiwr [.Il. Clwnii-al 如u懈T.211. 2833l-43. ／ll￡Illg Z, IJiat] l{,II{Ju Wj,lic-ii M X,X,1.i 、． 13ac-lIIlis IIIlliJ￡lgillsIIh.allZII[IJJr aijn“sllwric 1y ‘.n1l J‘Ⅲi‘.anhv LIIase[J]., ,}. “fi.,儿lf ’Ⅲlh／Mj ‘ ‘,.小 ,ffJ“ 凡.Nf,ffrc-h,21 l,516 - 112. 袁逆 丸，刘阿o．林Ii rI ’沈继芳，何师崽，徐胜 友， 畅、，铮， Fi彬 ，草赢锦，蔡Iu’营建华，张荚良，蒋忠 诚，赵景波 ． 一llL 日抖溶动力系统[、1]～1E京地质出版 社，200239 - 42. kl『 11s 1. ca,rniaracivr IrHr2ln-lif lillitjhtllir HJlutillIy JllZIJIS l“staiitlanl Lallt-tssP. ‘lI1“lnjliiili“ar} J_Pll}1.【【l 【-IJiliiihSiill,r kal-sc tlr-c]iiclaci‰1,ISLli[]∥ In,ePt- clinrs l1 811] Intffjlalic,“alC1girss tlr Slwlrolc,gx-. 1981273 - 275. Ellawav M.b ⅢilIl D I.;illic-hcc]【S.;Jrc-“awav M A. KLII-Hl waler c-licjiiiihtl-\-liinrsic,ncJ ranyrh. WrHlPll1 J\lJ.HtI-lLlia『_J].Htdi“ilc.19I,28225 - 36. Di.ci.vln}clc W.Bulfll aiiii L. A IlmsH Ild儿s10r Illt Jtl“lcJ tlihst}luLi”I1 d‘I I}n-til}italit,n I“t-alt-iU ’ 【lIll sh1“‘ls i [UlijLIl{JII[ iil{lic}ii[J j.m￡,,it-aG “,,fJg’,1991, 90 107 - 122. ChaoXing