典型岩溶溪流水气界面CO2交换通量变化过程及其环境影响

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具有较高水体CO2分压(pCO2)的岩溶地下水出露地表后常与大气形成较高的正向CO2浓度梯度,影响区域碳循环过程及碳汇效应评估,因此评价岩溶水体水气界面CO2交换通量对于岩溶碳循环过程研究具有重要意义。CO2是最重要的温室气体,其循环过程和源汇收支是认识和应对全球气候变化的基础,也是当前全球气候变化研究的核心。陆地地表水体水气界面气体交换是水生生态系统中碳、氮等生源要素同大气进行物质交换的重要途径之一,从地表水体中逸出的CO2气体也积极的参与了现代碳循环过程。在岩溶地区的物质循环过程中,CO2积极的参与岩溶作用,驱动岩溶作用进行。这一过程又受到降雨、气温、水生光合生物新陈代谢作用、土地利用变化等因素的影响,十分复杂。岩溶水体水气界面CO2交换通量是评价岩溶作用碳汇通量和解决岩溶碳汇稳定性问题的关键,当前对岩溶水体水气界面CO2交换通量的研究工作主要集中在CO2脱气驱动碳酸钙沉积(钙华,洞穴沉积物)及对水体水化学性质的改变方面,CO2脱气是驱动碳酸钙沉积的关键因素。岩溶水体水气界面CO2交换通量研究是准确评价地下水对全球陆地水体CO2释放贡献的关键,然而目前发表的研究成果中专门针对典型岩溶水体水气界面CO2交换通量以及CO2脱气与水化学的相互影响机制的研究较少。  本研究通过在广西柳州融安县官村地下河出口及其补给的长1.30 km的地表溪流中,从地下河出口至河口依次设置四个监测点进行CO2脱气通量一个水文年多时空尺度的监测研究,揭示典型岩溶地表溪流CO2脱气过程及其影响因素,结果表明:溪流由于其特殊的“高钙富碳”地质背景,水化学类型为HCO3-Ca型,反映了岩性对水化学特征的控制。溪流出露地表后,四个监测点在时间尺度上,四个监测点均表现出雨季CO2脱气强度要低于旱季的特征,与溪流pCO2值表现出相同的变化趋势。在空间尺度上没有明显的规律,但大体上是呈自上游向下游递减的过程。在2015年9月至2016年8月的监测时段内,四个监测点逸出CO2气体的碳稳定同位素(δ13C-CO2)及其CO2浓度表现为随着时间推移,水体CO2脱气作用使浮游箱内CO2浓度不断增加,由于水体CO2脱气使得富含12C的CO2气体优先从水中逸出,因此使得浮游箱内δ13C-CO2值逐渐偏小。由于溪流的CO2脱气作用可造成水面上空一定距离内的空气CO2的δ13C-CO2值明显偏小,因此在考虑人为活动CO2释放对于大气CO2含量及同位素的影响时,需要考虑或者排除区域内水体逸出CO2气体对于大气CO2的影响,以期能够更准确的评价CO2增加所导致的环境变化问题。通过对15个CO2通量影响因素进行主成分分析,经KMO和Bartlett的检验后,得出影响CO2脱气通量的因素可以大概分为3类:(1)碳酸平衡系统和水生植物光合作用对CO2脱气通量的影响;(2)大气环境因素对CO2脱气通量的影响;(3)水体有机碳对CO2脱气通量的影响,从其方差贡献率来看碳酸平衡系统对CO2脱气通量的影响最大。在2016年12月13日至12月14日对溪流上游出口地区G1、下游雷崖监测站G4点进行了连续24小时的昼夜监测,溪流上游出口地区G1水温、pH值、溶解氧、电导率基本保持不变,水体离子变化幅度较小,趋于稳定,而下游G4点水化学特征则表现出相对明显的昼夜变化特征。影响因素包括物理因素(太阳辐射、水温等)和生物作用。于12月13日18:00、0:00和次日6:00、10:00对溪流的CO2脱气通量的昼夜变化进行监测。溪流出口地区G1点CO2脱气通量的昼夜变化规律显著,表现为夜晚是上升趋势并在早晨6:00左右达到最大值,白天呈下降趋势。气温会直接间接的影响CO2的排放,G1点水温在6:00左右为最小值,水温的下降通常会增加O2和CO2在水体中的溶解度,反之则会减小溶解度,说明控制溪流出口地区G1点夜间脱气通量主要原因是水温改变了CO2在水体中的溶解度。溪流下游地区G4点溪流脱气通量昼夜变化规律同样表现为早上>夜间>中午>下午,在夜间至早上,溪流脱气通量不断上升,并在早晨六点左右脱气通量达到最大值,夜间水化学昼夜变化主要是受水生植物呼吸作用所影响,溪流水生植物呼吸作用大于光合作用,综上所述,溪流出口地区G1点CO2脱气通量昼夜变化的主导因素是水温影响CO2在水中的溶解度,而生物的呼吸作用为溪流下游地区G4点脱气通量昼夜变化的主导因素。
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