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2011年  第30卷  第4期

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地质碳汇
中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇的分区计算
蒋忠诚, 覃小群, 曹建华, 蒋小珍, 何师意, 罗为群
2011, 30(4): 363-367.
摘要:
根据中国岩溶碳汇计算的需要,将我国岩溶地区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,各区的岩溶面积分别为56.48万km2、32.58万km2、55.60万km2和200.1万km2。各区岩溶水的径流模数和岩溶作用强度存在差异,南方岩溶区比其他区的岩溶作用强度明显大得多。以取得的调查监测和统计资料为依据,对4种类型区和中国的岩溶碳汇量进行了重新计算,南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区岩溶碳汇量分别为1909.9万tCO2/a、600.5万tCO2/a、580.1万tCO2/a、608.6万tCO2/a,由此获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a。该结果比前人的研究更全面地反映了当前我国岩溶地区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇量。
岩溶作用时间尺度与碳汇稳定性
章程
2011, 30(4): 368-371.
摘要:
从碳酸盐溶蚀快速动力学过程、岩溶动力系统的开放性、环境敏感性和生物参与性等方面分析了岩溶作用过程的时间尺度及其碳汇稳定性,指出岩溶碳循环是一种兼具不同时间尺度的特殊地质作用过程,因水生植物和土地利用变化的影响,碳汇效应显著且相对稳定,仍对现今大气CO2减排有重要意义。为更好地估算岩溶碳汇潜力,在加强高精度自动化监测的同时,需要考虑外源水、水生植物及土地利用变化等因素。
土地覆盖对岩溶地下河碳汇的影响——以广西打狗河流域为例
覃小群, 蒙荣国, 莫日生
2011, 30(4): 372-378.
摘要:
以广西打狗河为例,对比分析河流东、西两岸地下河的土地覆盖差异及其对岩溶碳汇的影响。打狗河东岸林地占56.13%,耕地占15.15%;而西岸林地、耕地分别只占20.8%、12.95%。但西岸的裸岩和荒地比例大,分别占29.57%和25.95%,而东岸分别占14.19%和10.98%。植被和土壤覆盖差异导致了东、西两岸碳循环的地球化学指标有明显的差异,东岸地下河水的HCO3-、Ca2+、PCO2(平均分别是233.71mg/L、85.5mg/L、909.46Pa)明显高于西岸(分别为177.26mg/L、64.65mg/L、257.37Pa),而东岸的SIC、pH值(分别为0.12和7.40)又低于西岸(分别是0.38和7.85)。因此,东岸有更强的岩溶动力条件,东岸地下河的平均碳汇强度比西岸高14%,其中,东岸下桥地下河的碳汇强度是西岸旦峒地下河的3.7倍。东西岸地下河水的δ13CDIC、TOC资料也进一步证明了土地覆盖条件对地下河岩溶碳汇具有重要的影响。
岩溶作用及其碳汇强度计算的“入渗-平衡化学法”——兼论水化学径流法和溶蚀试片法
刘再华
2011, 30(4): 379-382.
摘要:
岩溶作用通过碳酸盐岩溶解时消耗大气或土壤CO2成为重要的碳汇过程。本文首先简要介绍了定量评价岩溶作用及其碳汇强度的水化学径流法和碳酸盐岩溶蚀试片法及其优缺点,即水化学径流法仅适用于边界清楚且为全排型的流域,而试片法仅适用于土壤中不含碳酸盐矿物的条件。继而推导出了岩溶作用及其碳汇强度计算的“入渗-平衡化学法”(或称“潜在最大溶蚀法”),该方法的优点在于只要知道了相关地区的基本气候资料,如温度、降水和蒸发蒸腾数据,即可计算出该地区的岩溶作用及其碳汇强度。
喀斯特石漠化综合治理区表层土壤有机碳时空动态特征与趋势探讨
熊康宁, 周文龙, 龙健, 罗井升
2011, 30(4): 383-390.
摘要:
以中国南方喀斯特地区具有代表性的贵州为例,选取三个典型石漠化综合治理示范区,以2006年4月野外监测和2009年4月重复采样的数据为基础,分析喀斯特脆弱生态区实施石漠化综合治理工程的土壤有机碳时空动态特征和发展趋势。结果表明:经过3年的石漠化综合治理,不同等级石漠化样地表层土壤有机碳密度增幅不一,其中轻、中度石漠化样地提升幅度最大,无、潜在石漠化样地次之,强度石漠化样地最小;不同工程措施下表层土壤有机碳密度特征表现为:封山育林育草>退耕还林还草>坡改梯;增幅表现为:退耕还林还草>封山育林育草>坡改梯。石漠化治理过程中,随着轻度以上石漠化土地面积的减少,表土碳储量进一步增大,而且表层土壤有机碳多分布于潜在和无石漠化区。随着石漠化综合治理进程的推进,表土有机碳密度可能呈S型曲线增长,但由于潜在、无石漠化区多为基本农田,土壤有机碳密度将在较长时间内保持相对平稳的状态。而轻、中度石漠化样地在治理初期其表土有机碳密度增幅将最快。因此,采取有效的土地利用方式与加强可持续管理对提高表层土壤的固碳潜力具有非常重要的意义。
柳江流域岩溶草丛群落生物量和碳储量的初步研究
侯满福, 黄伟川, 覃小群
2011, 30(4): 391-396.
摘要:
根据柳江流域草丛群落类型、高度及其分布面积选择平均高度>1.5m、0.5~1m和<0.5m的高、中、低3种高度的代表性草丛,通过收获法研究了其群落生物量,并对其碳储量进行了初步估算。研究结果表明:(1)五节芒(Miscanthusflorid-ulus)、毛秆野古草(Arundinellahirta)和假俭草(Eremochloaophiuroides)草丛群落的生物量分别为8609.68g/m2、1022.61g/m2和821.63g/m2,生物量与高度呈正相关,但随群落高度增加,地上生物量增加迅速,地下生物量增长平缓;(2)随群落高度增加,生物量迅速向地上部分聚集,低矮的假俭草群落地下生物量与地上生物量的比值为1.91,高度中等的毛秆野古草群落为1.32,但高度大的五节芒群落仅为0.21,地下/地上生物量比值与群落高度呈负相关,其中毛秆野古草与五节芒群落的地下生物量和地上生物量可以用幂函数很好的拟合(R2>0.79,P<0.01),因此二者可以依据地上生物量便捷的估算其地下生物量,但假俭草地下和地上生物量的关系模型不理想;(3)地下生物量以幂函数关系随深度递减(R2>0.95,P<0.01),主要集中分布在0~20cm土层,可达根系生物量的80%以上,40cm以下土层中根系很少;(4)柳江流域岩溶区草丛植被的碳储量达9.51TgC。
峰丛洼地自然封育过程岩溶水溶解无机碳的变化——以桂林丫吉试验场为例
姜光辉, 张强
2011, 30(4): 397-402.
摘要:
以桂林丫吉试验场为例,检验植被恢复对岩溶碳汇的影响作用。上世纪80年代,丫吉试验场峰丛洼地的植被受砍伐干扰,地表以草地居多,此后施行自然封山育林,植被经二十多年的封育后,现在变成为灌木林,土壤中植物根系呼吸和微生物异养呼吸增强,土壤空气中CO2含量上升,岩溶作用增强,泉水输出的无机碳通量增加。通过建立系统的水化学混合模型,将泉水的无机碳通量分解为原水输出和降雨补给引起的新水输出。在一次典型的强降雨过程,S31岩溶泉原水输出量占总量的65%~83%,而降雨补给引起的新水无机碳输出通量较少,且不能反映生态环境的变化,因此应以原水中溶解无机碳的浓度衡量整个生态环境对岩溶作用的影响。长期的观测表明由于植被的改变导致原水输出的无机碳含量提高了27%,而原水在岩溶泉的年流量中所占的比例高达72%~84%,其中由植被演化造成岩溶碳汇增加的幅度为19%~23%。
亚热带典型岩溶水系统的碳汇效应对比研究
郭芳, 姜光辉, 康志强
2011, 30(4): 403-409.
摘要:
选择中国南方亚热带地区具有不同地质背景和生态状况的广西柳州市官村地下河(灌木林生态环境、人类活动影响显著)、云南省广南县木美地下河(石漠化严重)和贵州茂兰板寨地下河(原始森林生态)3个岩溶水系统为例,对比研究岩溶水中溶解无机碳浓度和碳汇效应的差异。结果表现,(1)流域管道水的溶解无机碳平均浓度排列顺序为:官村>木美>板寨,表层岩溶带泉水的排列顺序为:木美>官村>板寨。(2)水的PCO2分压计算结果显示:3个流域岩溶水的方解石溶解度基本达到饱和,PCO2的大小顺序为:官村地下河>木美地下河>板寨地下河。(3)根据一个水文年的流量监测计算官村地下河流域的岩溶碳汇强度为12.34tC/(km2?a),板寨地下河流域的为11.8tC/(km2?a),木美地下河流域为34.11tC/(km2?a)。木美地下河流域的石漠化现状相当严重,石漠化面积高达90%,而板寨地下河为原始森林区,但木美地下河流域的岩溶碳汇强度却最大,这与其流域面积大、调蓄功能强,且有外源水补给有关。这也同时表明,单从生态环境的角度去研究岩溶作用碳汇潜力是不够的。
桂林毛村岩溶区不同土地利用方式土壤有机碳矿化及土壤碳结构比较
杨慧, 张连凯, 曹建华, 于奭
2011, 30(4): 410-416.
摘要:
应用土壤培养法,比较分析了桂林毛村岩溶区不同土地利用方式(农田、灌丛和林地)土壤在25℃、黑暗条件下培养90d有机碳矿化速率的差异(以90d累计释放的CO2-C计)。农田土壤矿化释放的CO2-C含量分别比灌丛和林地少62.9%和56.6%。利用6mol/L的HCl酸解法得到惰性碳含量,并利用三库一级动力学方程在SAS8.2软件中通过非线性拟合得到三种土地利用方式的活性碳库、缓效性碳库的大小及其分解速率,计算得出各库驻留时间。结果表明各土地利用方式均为活性碳库含量最少,占总有机碳的比例在1.82%~2.71%之间,平均驻留时间在8.4~16.3d之间;缓效性碳库次之,占总有机碳的比例在33.91%~45.47%之间,平均驻留时间为4.8~7.7a之间;惰性碳库所占比例最大,在51.82%~64.01%之间,平均驻留时间为假定的1000a。通过固态13C交叉极化魔角自旋核磁共振(13CCPMASNMR)方法对土壤碳结构进行分析,结果表明:与灌丛和林地相比,受人类活动干扰较多的农田烷基C和芳香C的比例增加,烷氧C和羰基C的比例降低;烷基C/烷氧C和疏水C/亲水C的大小顺序均为农田>林地>灌丛,而脂族C/芳香C的大小顺序则相反,即灌丛>林地>农田。这说明农田土壤有机碳分解程度较高,难分解程度增加,难分解有机碳比例增加。
外源水对岩溶碳汇的影响——以桂林毛村地下河为例
黄芬, 唐伟, 汪进良, 曹建华, 殷建军
2011, 30(4): 417-421.
摘要:
以桂林毛村地下河为对象,研究了外源水对岩溶碳汇的影响。观测计算结果表明:外源水进入岩溶区后,由于内外源水相互混合,提高了岩溶水的溶蚀能力,以致DIC含量不断升高,其碳酸盐饱和指数也逐渐增加,SIc由不饱和达到饱和,增加了岩溶碳汇的通量。2010年9月至2011年3月仅以位于地下河上游的小龙背的外源水补给量和地下河出口的HCO3-浓度进行计算,岩溶碳汇通量由2.28×105g增加至2.04×106g,增加了近10倍。碳汇通量的增加固然与沿途大气降水、植被及土地利用等可能产生的CO2输入有关,但更与外源水加入形成的混合溶蚀作用有关。因此,在岩溶碳汇通量计算中外源水的影响作用不容忽视。
香溪河流域土壤有机碳储量影响因素的空间相关性分析
史婷婷, 陈植华, 王宁涛, 金晓文
2011, 30(4): 423-431.
摘要:
采用第二次土壤普查资料估算了香溪河流域不同类型土壤的有机碳密度和碳库,并通过野外土样采集和室内测试获取土壤有机碳含量数据,选取信息熵模型定量研究香溪河流域不同土壤类型、地形地貌类型、成土母质类型、植被覆盖度、土壤厚度、坡度和土地利用方式与土壤有机碳密度之间的关系。研究结果表明,香溪河流域土壤有机碳总储量为75.18Tg,香溪河流域SOC密度主要集中在6.00~16.00kg/m2范围内,SOC密度呈现流域北部高、干流高,其他区域SOC密度高低相间的分布特征,这种分布特征与主要土壤类型和地形地貌类型的地理分布关系密切。香溪河流域各种土壤类型对各级有机碳密度的信息熵值差异明显,土壤类型对有机碳密度的影响作用与香溪河流域土壤有机碳密度与碳库计算结果一致,高山区,林地、农田和灌丛利于高密度有机碳的存储;植被覆盖度越高,越利于有机碳的存储;土壤厚度与有机碳密度的相关性高,而坡度与有机碳密度的相关性不明显;信息熵法实现了对各影响因子定量计算分析,结果较合理和可靠。
表层岩溶地下水出露地表后的脱气作用——以重庆市南川区柏树湾表层岩溶泉溪流为例
周小萍, 沈立成, 王鹏, 徐尚全, 林明珠
2011, 30(4): 432-436.
摘要:
以重庆市南川区柏树湾表层岩溶泉溪流为例,沿柏枝溪流程以一定间距监测水体中HCO3-的浓度及其pH、电导率、溶解氧等水化学参数,并初步探究溪流水的脱气效应。结果显示(1)表层岩溶地下水出露地表后,HCO3-浓度沿流程呈现出递减的规律;(2)HCO3-浓度递减的快慢反映了脱气作用的强弱,溪流脱气速率具有“枯水期>平水期>丰水期”的特点;(3)暴雨期间由于稀释效应HCO3-浓度递减趋势不明显,但降雨后期,递减又开始逐渐产生;(4)脱气效应在造成溪流水HCO3-浓度减小的同时,也导致电导率(EC)沿柏枝溪流程逐渐降低,而pH值逐渐升高;(5)沿途溶解氧(DO)昼夜变化表明,水生生物作用对脱气作用可能也有一定的影响,但其影响机制还有待进一步的研究。
桂江流域岩溶碳汇特征
黄奇波, 刘朋雨, 覃小群, 孔祥胜
2011, 30(4): 437-442.
摘要:
为研究岩溶区碳汇动态变化特征,使用德国Merck公司生产的碱度计每月定期对桂江流域14个岩溶大泉和16条地下河出口水中HCO3-含量进行了现场测定。结果表明桂江流域枯水期(11月至次年2月)地下水中HCO3-含量平均为223.62mg/L,平水期(3月、9月)为222.11mg/L,丰水期(4月至8月)为210.19mg/L,枯水期和平水期的HCO3-平均含量比丰水期高13.43mg/L和11.92mg/L。尽管丰水期的HCO3-平均含量不及枯水期和平水期,但其平均流量最大,是平水期的2倍,枯水期的2.8倍,因此其岩溶碳汇量也最大,是平水期的4.7倍,是枯水期的2.7倍。在碳汇构成上,丰水期的岩溶碳汇量占年总碳汇量的63.13%,而平水期和枯水期只分别占年总碳汇量的13.35%和23.51%。
亚高山表层岩溶泉域土壤溶蚀速率季节变化及碳汇量估算——以重庆金佛山水房泉流域为例
罗健, 蒋勇军, 胡毅军, 李林立, 刘文
2011, 30(4): 443-448.
摘要:
利用标准溶蚀试片法测定了重庆金佛山水房泉流域林地、草地和灌丛三种土地利用类型不同深度年溶蚀速率。结果表明,不同土地利用类型、不同季节、不同土壤深度的溶蚀速率具有很大的差异。通过对各土地利用类型下不同季节不同深度土壤有机质、土壤CO2浓度和土壤pH分析发现:土壤有机质和pH相互耦合共同对溶蚀速率产生影响,有机质含量越高,则pH值越低,溶蚀速率就越大;三种土地利用方式下土壤CO2浓度与溶蚀速率具有一定的相关性,夏秋季土壤CO2浓度较冬春季高,相对应地,其土下溶蚀速率也比冬春季大。最后利用试片溶蚀数据对泉域内年碳汇量进行了估算,结果约为:25.595t/a。
土地利用和覆被变化对岩溶区土壤CO2浓度的影响
蓝芙宁, 王文娟, 覃小群, 黄奇波, 刘朋雨, 安树青, 唐绍政
2011, 30(4): 449-455.
摘要:
通过选择3个具有不同地质背景、气候条件等环境特征的山西汾阳马跑-郭庄岩溶泉域、湖南湘西大龙洞地下河流域、广西桂江流域,对流域内具有代表性的不同土地利用方式和覆被类型下垫面土壤20~50cm深处CO2浓度进行检测。结果显示,土地利用方式和覆被变化对3个流域岩溶土壤中20cm、30cm、40cm和50cm深处CO2浓度具有明显的影响作用:湖南湘西大龙洞地下河流域多数样地土壤CO2表现为随土层的加深先增加后降低的双向梯度;山西马跑-郭庄泉域玉米地的土壤CO2浓度比种植马铃薯的高,且随着覆被条件由草地→灌丛→林地的改善,土壤的扰动性变小,CO2浓度差趋于减少,变幅趋于稳定。各个流域相同覆被类型,群落结构和优势种变化越小,土壤CO2浓度变幅越小。
表层岩溶系统碳迁移路径及其土被效应探讨
康志强, 何师意
2011, 30(4): 456-460.
摘要:
为了弄清楚表层岩溶系统碳汇机理,有必要对该系统中气、液和固三相不平衡体系中碳的迁移途径进行研究。2010年,在板寨地下河流域布置了8个碳稳定同位素分析测试点。通过碳稳定同位素示踪剂及空气CO2分压对比,发现森林区岩溶水和自由大气中大部分碳是来自土壤空气。在表层岩溶系统碳汇过程中整个碳迁移路径可分为4个环节,依次为(1)植被光合作用吸收空气CO2;(2)土壤根系的呼吸作用及腐殖质分解向土壤释放CO2;(3)地下水循环岩溶作用将气态CO2转换成液态HCO3-离子;(4)地下水中的碳随水流向河流及海洋。在整个碳汇过程中,森林和土壤起到了“加压泵”的作用,大大提高了大气CO2向土壤空气CO2转换过程中的CO2分压,从而显著地提高了岩溶的作用速率。
喀斯特适生植物固碳增汇策略
吴沿友
2011, 30(4): 461-465.
摘要:
通过分析喀斯特地区的土壤化学性质,明确了喀斯特地区植物的固碳增汇的限制因素为岩溶干旱、低营养、高pH、高重碳酸盐等。通过对喀斯特适生植物和非适生植物的无机碳源、氮源的利用以及对低营养的响应差异分析,总结出了喀斯特适生植物交替、高效利用碳酸氢根离子作碳源的开源固碳增汇策略,以较低的营养成本获取较高的光合固碳能力的低成本倍增固碳增汇策略,以及掠夺式吸收限制性的铵态氮和补偿式吸收硝态氮来实现固碳增汇作用的以氮增汇策略等;提出了喀斯特适生植物固碳增汇能力的利用途径,可最大限度挖掘出喀斯特地区植物的固碳增汇潜能。
根系分泌的有机酸及其对喀斯特植物、土壤碳汇的影响
赵宽, 吴沿友
2011, 30(4): 466-471.
摘要:
根系分泌的有机酸是土壤有机酸的重要动态来源,来源于光合作用固定的碳,是土壤碳流动的最活跃形式。根系分泌的有机酸是一种具有调节作用的植物和土壤碳汇。一方面,在喀斯特土壤环境中,植物根系分泌有机酸的含量增加,影响碳汇的产生和流动,直接调节植物与土壤的固碳增汇能力;另一方面,根系分泌的有机酸通过影响土壤中一系列的动态化学和生物学过程,对土壤养分有效性和养分循环以及微生物的活性产生深刻影响,直接影响土壤的固碳增汇能力,从而间接影响植物的固碳增汇能力。因此,根系分泌的有机酸在喀斯特生态系统的固碳增汇中起着重要作用。
氯化铵浸取纤蛇纹石动力学研究
高雄, 孟烨, 朱辰, 赵良
2011, 30(4): 472-478.
摘要:
较低的矿物溶解率和反应剂的不可循环利用是CO2矿物封存发展的两大难题。针对这些问题,本文提出了一种新的以可循环的NH4Cl溶液作为中间媒介的CO2矿物封存工艺,并系统地研究了蛇纹石在氯化铵溶液中的液-固两相的反应动力学。实验研究发现:(1)纤蛇纹石的浸取符合Elovich模型,浸取过程基本在1h左右完成,在100℃、5mol/L氯化铵溶液中,纤蛇纹石的浸取率达到12.67%;(2)温度对纤蛇纹石初始反应速率的影响显著,温度越高,反应速率越快;(3)当氯化铵浓度在1~5mol/L范围内变化时,它对镁离子浸取率的影响不明显,反应速率随着浓度的升高而有所增加;(4)本实验反应表现出来的活化能大小为129.56kJ/mol。
土壤碳储量计算中不同插值方法对比研究——以吉林省大安市为例
汪媛媛, 杨忠芳, 余涛, 文宇博, 夏学齐, 白荣杰
2011, 30(4): 479-486.
摘要:
土壤碳储量问题是大气温室效应和全球变化研究的热点问题。本文采用“单位土壤碳量”方法,计算了吉林省大安市表层土壤有机碳总储量和平均土壤有机碳储量,以为全球碳循环研究提供精确的基础数据。分析和比较了反距离加权、全局多项式、局部多项式、径向基函数和普通克里格等不同插值模型对表层单位土壤有机碳储量空间插值结果的影响,结果表明全局多项式插值的均差最小,径向基函数中张力样条法的平均绝对误差最小,普通克里格法的标准差最小。综合分析来看,普通克里格的有理二次方程式模型插值精度最高。

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《中国岩溶》编辑部
2022年4月20日