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岩溶作用是一种发生在地球浅表层环境下的特殊地质作用过程,其地球化学过程具有开放敏感性、脆弱性、生物参与性以及多样性等特征。表层岩溶带的岩溶动力过程非常活跃,并对环境和人类活动的变化反应敏感。表层岩溶泉作为表层岩溶带岩溶水文地质系统的重要组成部分,其对环境变化具有较强的的敏感性,并对全球碳循环研究具有重要意义。
本文选取重庆市南川区金佛山水房泉流域为研究对象,在对该流域内的水温、降水、泉水化学特征、土壤物理化学特征、土壤试片溶蚀量等指标进行为期一年的观测、取样分析,以说明表层岩溶泉水化学特征对环境变化敏感性响应及其碳汇效应,并得出如下结论:
首先,表层岩溶泉水中pH和EC的变化受人类旅游活动、降水量和水温多重因素的影响。国庆节和五一节前后,降水量、水温和人类活动共同影响着水中离子质量浓度的变化;冰雪节期间,由于降水量少,温度低,此时人类活动是影响泉水离子变化的主导因素;2010年夏季金佛山大旱,造成泉水离子质量浓度远高于其它时间段,这主要是因为该时间段内降水量较少,造成地下水中离子质量浓度富集。水中HCO3-、Ca2+、SIc和Pco2质量浓度共同受水温、降雨量和人为污染物的影响;降水量多,水温稳定,人类活动影响较小的情况下,HCO3-、Ca2+质量浓度较低;土壤CO2是水中CO2的重要来源,且深层土壤CO2比表层CO2更多地进入水中,参与了碳酸盐岩的溶解。
其次,短时间尺度下,泉水中Ca2+和HCO3-的变化与水温变化关系较为明显,但呈现出夜间小于白天,这主要是由于泉水中水生生物在在水化学特征变化中起了重要作用。泉水中EC受降水影响很明显,降水量大,泉水中离子受稀释作用质量浓度降低,导致泉水中EC变小。
第三,不同季节不同土地利用下不同深度土壤溶蚀速率变化不一,最大溶蚀量发生在夏季土下10cm处的林地,为378.09mg/m2·d,最小溶蚀量发生在冬季土下10cm处的灌丛,为68.81mg/m2·d。土壤有机质和pH相互耦合共同对溶蚀速率产生影响,有机质质量浓度越高,则pH值越低,溶蚀速率就越大。土壤有机质质量浓度随土下深度的增加均呈下降趋势,有机质质量浓度最高发生在灌丛土下10cm处,为15.11g/kg,最低发生在林地50cm处,为2.64g/kg。土壤pH值随着土下深度的增加而变大,即越接近表层,土壤酸性越大。
同一土地利用类型不同土壤深度处CO2浓度、土壤温度总体上呈现土下20cm<土下35cm<土下50cm的变化规律。土壤温度是影响土壤CO2释放的重要因素。不同土壤深度处,土壤温度与土下CO2浓度的变化关系趋于一致,土壤CO2浓度变化对温度和降雨量的变化较为敏感。
不论是春季还是冬季,水中HCO3-、Ca2+、水温、pH、SIc和Pco2均呈现水下90cm处质量浓度最低,但溶蚀量在水下90cm处出现最大值。
最后,水房泉各月CO2消耗量与径流量的关系十分密切。土壤CO2浓度夏季最大,冬季最小,相对应地,水房泉出口CO2消耗量也呈现这一规律。通过溶蚀试片法计算出泉域内的CO2年汇约为37.15t/a;用水化学——径流量法计算出泉域内年CO2汇为4.937t/a。