不同土地覆被下表层岩溶带水文地球化学特征及其碳汇效应研究

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表层岩溶带处于大气圈、生物圈、岩石圈、水圈四大圈层的交汇地带,是岩溶动力系统四大圈层间有关水资源和能量转换重要的前沿阵地。其中的表层岩溶水是我国西南岩溶山区居民生产和生活的重要水源。同时表层岩溶系统也因碳酸盐岩-水-C02-生物圈四相的动态平衡而产生特殊的碳循环,成为大气CO2汇的重要组成部分。但随着土地利用/土地覆被的变化,石漠化加剧,对环境变化反应敏感的表层岩溶生态系统正发生显著的变化,这不仅包括表层岩溶水资源的变化也包括表层岩溶碳汇效应的变化。因此土地利用/土地覆被变化引起的表层岩溶水资源变化和岩溶碳汇效应都需要进行有效的评估,以为岩溶山区人们的生产生活提供保障,也为全球碳循环研究提供一定的科学依据。本文以此为题,选取了重庆市南川区3个不同土地覆被下的表层岩溶水对其水文地球化学特征及碳汇效应进行研究。3个泉水分别为灌草丛地的柏树湾泉、耕地的兰花沟泉和石漠化地的后沟泉。通过研究得出以下初步结论:(1)对不同土地覆被下表层岩溶泉水化学性质进行研究,结果发现:不同土地覆被下表层岩溶泉水水温受气温变化影响表现明显的季节变化,但变化幅度不一。各泉水pH都表现为雨季低、旱季高,后沟泉水pH值略高于另外两个泉水。随着土地覆被的转变,基岩裸露率增加,植被覆盖率降低,下伏泉水中的HC03-浓度及HC03-和Ca2+的比例都逐渐减少。三个泉水的电导率和N03-、SO42-、C1-、Na+浓度都是后沟泉水>兰花沟泉水>柏树湾泉水,这和基岩裸露率有很好的正相关,和植被覆盖状况呈负相关。这些发现说明,电导率、N03-、SO42-、C1-、Na+、HC03-等泉水水化学指标可以作为不同土地利用方式和植被覆盖变化的重要指标。对不同土地覆被下表层岩溶泉水进行的水质综合评价结果显示,三个泉水的水质综合指数P都小于1,泉水水质均达到生活饮用水Ⅰ级标准,但柏树湾泉水水质优于兰花沟泉水,兰花沟泉水水质好于后沟泉水。(2)通过对不同土地覆被下表层岩溶带上覆土壤水水文地球化学特征进行研究,结果发现:受降雨、地表植被及土壤物理性质等的影响,不同月份不同土地覆被下表层岩溶带上覆土壤水获取量不同,同一种土地覆被下不同层次士壤水的获取量也不同。柏树湾土壤水的获取量最多,兰花沟次之,后沟最少。在富钙偏碱的岩溶土壤环境中,Ca2+是土壤水中主要的阳离子。受溶蚀强度和土壤淋失作用影响,柏树湾和后沟土壤水Ca2+和SO42-含量随土层加深而递增,而兰花沟受施肥影响,C2+和SO42-含量出现相反的现象。不同土地覆被下土壤水Na+和Mg2+变化规律不同。随着土层的加深,三个泉域土壤水N03-、K+、全Fe、A13+和Ba2+都逐渐减少。土壤水的N03-、SO42-和P043-平均含量从大到小依次为:后沟>兰花沟>柏树湾。通过土壤水中的各种地球化学元素和下伏表层岩溶泉水的相同元素相关分析得出,表层岩溶泉水水文地球化学元素受到土壤水一定的影响,但是由于不同土地覆被土壤物质来源不同以及各种元素的形态和运动形式不同,所以不同土地覆被土壤水的水文地球化学元素和泉水中相应元素的相关性存在差异。(3)对不同土地覆被下表层岩溶泉水文地球化学特征昼夜动态变化进行观测,结果发现:在降雨条件下,主要有三个效应控制着表层岩溶泉水的水化学动态,一是活塞效应;二是稀释效应;三是水-岩-气效应,但是对于不同土地覆被下表层岩溶泉水,其控制效应不同。通过对兰花沟泉和后沟泉水降雨条件下短时间尺度水文地球化学特征的研究,进一步论证了土地利用及地表植被覆盖在提高表层岩溶泉水流量上的重要作用。同时,良好的植被覆盖和较厚的土层有利于碳酸盐岩溶蚀的进行,也有利于水土保持。降雨条件下,兰花沟泉水离子来源主要为碳酸盐岩溶蚀和雨水对士壤的淋溶,而后沟泉水离子来源主要为雨水对土壤的淋溶和水士流失作用。(4)对不同土地覆被下表层岩溶泉水碳汇效应进行研究,结果发现:泉水溶解无机碳(DIC)含量和其碳稳定同位素组成(δ13CDIC)表现出明显的季节变化,雨季泉水具有低DIC含量和低δ13CDIC值,旱季则相反。但是不同士地覆被下泉水具有不同的DIC含量和δ13CDIC值,总体上,随着土地向耕地的转变和石漠化的发展,泉水的参13CDIC越重。柏树湾和兰花沟泉水的DIC和δ13CDIC值成正相关关系,而后沟泉水两者成负相关关系。对泉水水化学指标和δ13CDIC值之间相关关系分析得出,碳酸溶蚀碳酸盐岩是泉水DIC的主要来源,硫酸和硝酸也参与了碳酸盐岩的溶蚀,对泉水DIC有一定的贡献。但不同土地覆被下泉水受到的影响因素不同,各泉水硝酸和硫酸参与碳酸盐岩的溶蚀比例不同,柏树湾泉、兰花沟泉和后沟泉硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩的比例范围分别为:2%-7%、9%31%和10%~46%。另外,不同土地覆被下表层岩溶泉水中HCO3-来自土壤CO2的比例体现了碳酸盐岩溶解的HCO3-输出中并非是50%的士壤(大气)CO2消耗及50%的碳酸盐岩的溶解。灌草丛地的柏树湾泉水中HC03-来自土壤CO2的比例为53%,而有农业活动的兰花沟和后沟泉水,其泉水中HC03-来自士壤CO2的比例分别为45%和40%,可见随着农业耕作面积的增大及泉域肥料输入量的增加,泉水HCO3-来自土壤CO2的比例逐渐下降。植被的恢复有利于增强岩溶碳汇,而耕地和石漠化则会减少岩溶碳汇量。柏树湾泉、兰花沟泉和后沟泉水对大气CO2沉降的年贡献分别为:2303Kg/a、1284Kg/a和176Kg/a。
摘要第7-9页
Abstract第9-11页
第1章 绪论第12-26页
    1.1 选题依据和意义第12-17页
        1.1.1 表层岩溶带第12-14页
        1.1.2 表层岩溶泉在西南岩溶区的重要性第14页
        1.1.3 土地利用/土地覆被与表层岩溶水系统的关系密切第14-15页
        1.1.4 表层岩溶带在碳循环中的重要作用第15-17页
    1.2 研究现状第17-22页
        1.2.1 表层岩溶泉水的研究现状第17-19页
        1.2.2 土地利用/土地覆被变化对岩溶地下水的影响研究现状第19-20页
        1.2.3 土地利用/土地覆被变化对岩溶碳汇的影响研究第20-21页
        1.2.4 稳定同位素在示踪地下水碳来源上的应用第21-22页
    1.3 问题的提出第22-23页
    1.4 主要研究内容第23页
    1.5 拟解决的关键问题第23页
    1.6 研究特色第23页
    1.7 技术路线第23-26页
第2章 研究区概况及试验方法第26-34页
    2.1 研究区概况第26-31页
        2.1.1 柏树湾泉流域概况第28-29页
        2.1.2 兰花沟泉和后沟泉流域概况第29-31页
    2.2 试验方法第31-34页
        2.2.1 野外取样与监测第31-32页
        2.2.2 室内试验分析第32-34页
第3章 不同土地覆被下表层岩溶泉水化学性质的变化第34-48页
    3.1 不同土地覆被下表层岩溶泉水的水化学类型分析第34-35页
    3.2 不同土地覆被下表层岩溶泉水化学性质的时空动态变化特征第35-45页
        3.2.1 不同土地覆被下表层岩溶泉水水温、pH值、电导率的变化特征.第35-37页
        3.2.2 不同土地覆被下表层岩溶泉水主要阴阳离子变化特征第37-45页
    3.3 不同土地覆被下表层岩溶泉水质评价第45-46页
        3.3.1 单因子评价第45页
        3.3.2 综合指数评价第45-46页
    3.4 小结第46-48页
第4章 不同土地覆被下表层岩溶带上覆土壤水水文地球化学变化特征第48-60页
    4.1 不同土地覆被下表层岩溶带上覆土壤水获取量的变化第48-49页
    4.2 不同土地覆被下表层岩溶带上覆土壤水水文地球化学特征第49-57页
        4.2.1 土壤水的Ca~(2+)、Mg~(2+)、Na~+、K~+变化特征及运移规律第49-51页
        4.2.2 土壤水其他金属元素的变化特征及运移规律第51-54页
        4.2.3 土壤水阴离子的变化特征及运移规律第54-57页
    4.3 不同土地覆被下土壤水和表层岩溶泉水元素相关性分析第57-58页
    4.4 小结第58-60页
第5章 不同土地覆被下表层岩溶泉水文地球化学特征昼夜动态变化第60-76页
    5.1 降雨条件下不同土地覆被表层岩溶泉水昼夜动态变化第60-63页
    5.2 不同土地覆被下表层岩溶泉水文地球化学昼夜动态变化第63-74页
        5.2.1 兰花沟泉水水文地球化学昼夜动态变化及其对降雨的响应第63-68页
        5.2.2 后沟泉水水文地球化学昼夜动态变化及其对降雨的响应第68-74页
    5.3 小结第74-76页
第6章 不同土地覆被下表层岩溶泉水的碳汇效应第76-98页
    6.1 不同土地覆被下表层岩溶泉水溶解无机碳(DIC)及其碳稳定同位素组成(δ~(13)C_(DIC))变化第76-82页
        6.1.1 表层岩溶泉水溶解无机碳(DIC)的变化第76-78页
        6.1.2 表层岩溶泉水溶解无机碳碳稳定同位素组成(δ~(13)C_(DIC))变化第78-79页
        6.1.3 表层岩溶泉水溶解无机碳(DIC)及其δ~(13)C_(DIC)值的关系第79-80页
        6.1.4 表层岩溶泉水δ~(13)C_(DIC)值的影响因素第80-82页
    6.2 不同土地覆被造成的硝酸和硫酸参与碳酸盐岩的溶蚀第82-92页
        6.2.1 硝酸和硫酸参与碳酸盐岩溶蚀的水化学和同位素证据第82-84页
        6.2.2 不同土地覆被造成的硝酸参与碳酸盐岩的溶蚀第84-88页
        6.2.3 硫酸参与碳酸盐岩的溶蚀第88-92页
    6.3 不同土地覆被下表层岩溶泉的碳汇效应第92-97页
        6.3.1 不同土地覆被下表层岩溶泉域岩溶作用方式第92-93页
        6.3.2 硝酸和硫酸参与不同土地覆被下表层岩溶泉域碳酸盐岩溶蚀的比例第93-96页
        6.3.3 不同土地覆被下表层岩溶泉水年碳汇通量第96-97页
    6.4 小结第97-98页
第7章 结论第98-104页
    7.1 主要结论第98-100页
        7.1.1 不同土地覆被下表层岩溶泉水化学性质的变化第98-99页
        7.1.2 不同土地覆被下表层岩溶带上覆土壤水的水文地球化学特征第99页
        7.1.3 不同土地覆被下表层岩溶泉水文地球化学特征昼夜动态变化第99-100页
        7.1.4 不同土地覆被下表层岩溶泉水的碳汇效应第100页
    7.2 创新点第100-101页
    7.3 存在的不足第101页
    7.4 展望第101-104页
参考文献第104-114页
附图第114-118页
致谢第118-120页
个人简介、发表论文、参加课题、学术活动及获奖情况第120-121页
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