岩溶区水体水气界面碳循环是受到广泛关注的全球内陆水体水气界面碳循环的重要组成部分,也是岩溶作用碳循环研究的重要内容,是定量准确评价流域岩溶碳汇效应的关键。
岩溶流域碳循环
在边界清晰的岩溶流域中,碳酸盐岩溶解时消耗大气或土壤中的二氧化碳, 并以碳酸氢根的形式转移到水中随水流迁移,再通过地表水生植物的光合作用转化成溶解有机碳和惰性有机碳的过程。
- 英文名称
- karst carbon cycle in a catchment
- 所属学科
- 地质学/地质资源与地质工程
包括溶解、迁移、转化3个过程。①溶解。碳酸盐岩是可溶岩,在雨水作用下,发生溶解。水(H2O)和二氧化碳(CO2)是碳酸盐岩溶解的驱动力,其溶解过程主要发生在地表以下深度为几米到几十米、溶蚀裂隙丰富的岩溶表层带,地表可覆盖土壤和植被。溶解的化学过程为:
CaCO3(石灰岩)+H2O+CO2→ Ca2++2HCO3-
CaMg(CO3)2(白云岩)+2H2O+2CO2→ Ca2++Mg2++4HCO3-
②迁移。碳酸盐岩溶解导致岩溶水富含HCO3-,富含HCO3-的岩溶地下水常处于饱和、过饱和状态,其含量比同纬度、同地区的硅酸盐岩区的外源水HCO3-含量高出几倍到十几倍。当岩溶含水介质(溶蚀裂隙、空隙及管道)中迁移水流条件变化时,水体中CO2会逸出,碳酸盐、硅酸盐岩发生沉积而形成洞穴石笋等;或重新获得侵蚀力,发生溶解、混合溶解。③转化。在地表水生态系统中,水生植物光合作用受控碳源。当富含HCO3-岩溶地下水岀露于地表时,为水生植物提供了丰富的碳源,水生植物可将水体中无机碳转化成有机碳。
岩溶水地球化学的形成和变化既受地质背景和岩溶作用强度的控制,又受外界自然和人为因素的综合影响,包括降雨冲刷淋溶作用与稀释效应、土地利用类型和农田施肥时令及其他人为因素。
包括地质、气候、水文、土壤和生物等条件。①地质条件。是影响岩溶碳循环的根本因素。岩溶碳循环的强度与碳酸盐岩风化溶解的速度、消耗大气或土壤CO2的速度成正比,因此流域范围内碳酸盐岩分布的比例、碳酸盐岩的类型和纯度均影响岩溶碳循环的发生。②气候条件。气候条件是影响岩溶碳循环最活跃的因素。主要在3个方面影响岩溶碳循环过程:降雨量大小决定岩溶碳循环产生的碳通量大小,雪融水中碳酸会使盐岩溶解而发生岩溶碳循环;温度高,生物活性强,呼吸产生CO2的量大,碳酸盐岩风化溶解的能力强,相反则弱;光照是水生植物光合作用制约因子,岩溶水体中水生植物的光合作用强弱影响无机碳向有机碳的转化。③水文条件。水流快慢影响水与岩界面间的扩散边界层的厚度;碳酸钙在水体中饱和度的高低,影响水对碳酸盐岩风化溶解能力。④土壤条件。由于土壤是地球表层系统CO2重要的储存库,土壤CO2的浓度通常比大气的高1~2个数量级,因此温暖湿润的热带、亚热带土壤覆盖下的碳酸盐岩的风化溶解速度是大气中的几倍;碳酸盐岩风化残留形成的石灰土,是富钙的偏碱性土壤对碳酸盐岩风化溶解能力弱,而温暖湿润的热带、亚热带地带性的偏酸性土壤对碳酸盐岩风化溶解能力强。⑤生物条件。地表植被群落的光合-呼吸作用强弱,影响植物根系向土壤排放CO2,进而影响土下碳酸盐岩溶解;水生植物通过生物酶可直接利用水体中的HCO3-进行光合作用,将无机碳转化成有机碳,影响岩溶碳循环的稳定性。
人为因素也可影响岩溶碳循环,主要表现在以下4个方面:①随着地表植被覆盖率增加,地下碳酸盐岩溶解加速、岩溶碳循环增强。②人类在土壤改良时,改善养分元素供给状况的同时会提高土壤碳循环强度,影响土下碳酸盐岩溶解和岩溶碳循环。③引入外源水(来自砂岩、花岗岩等非岩溶区的水)灌溉,可加强对碳酸盐岩溶解、岩溶碳循环。④培育适合的水生植物品种,可加强岩溶碳循环的稳定性。
确定岩溶流域边界,查明岩溶碳循环影响因素,追踪岩溶碳循环过程,厘清岩溶流域碳形态和源汇,测算岩溶碳循环通量,可为积极应对全球气候变化、努力增加碳汇开辟新途径。