半干旱區巖溶碳匯原位監測方法適宜性研究

黃奇波，覃小群，劉朋雨，康志強，唐萍萍

1.中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西 桂林 5410042.國土資源部/廣西壯族自治區巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 5410043.廣西壯族自治區地質調查院，南寧 530023

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半干旱區巖溶碳匯原位監測方法適宜性研究

黃奇波1,2，覃小群1，2，劉朋雨1，2，康志強3，唐萍萍1，2

1.中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西 桂林 541004
2.國土資源部/廣西壯族自治區巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004
3.廣西壯族自治區地質調查院，南寧 530023

選擇正確的方法準確計算北方干旱半干旱巖溶區的巖溶碳匯量，有助于提高我國巖溶碳匯效應估算精度和改進全球碳循環模型。利用水化學徑流法和標準溶蝕試片法對山西馬跑神泉域的巖溶碳匯量進行了計算，結果表明，標準溶蝕試片法計算出的流域碳匯量和碳匯強度為386.15 t/a和1.821 t/(km2·a)，水化學徑流法的結果為2 084.08 t/a和9.83 t/(km2·a)，試片法計算結果僅為水化學徑流法的1/5。試片溶蝕速率和土壤無機碳質量分數呈負相關關系，進一步表明土壤無機碳質量分數高(是有機碳質量分數的2.85～5.06倍)是造成試片法計算結果偏小的主要原因：高含量的無機碳在半干旱氣候條件下容易沉積，從而使試片溶蝕速率偏小；流域邊界清楚，水化學和流量易于監測，利用水化學徑流法計算巖溶碳匯強度結果更為準確。因此，在半干旱地區，計算巖溶碳匯效應宜采用水化學徑流法。

巖溶碳匯；水化學徑流法；溶蝕試片法；溶蝕速率；半干旱巖溶區

0 引言

1 研究區概況

研究區位于山西晉中盆地西南，呂梁山東側，離太原市約80 km(圖1)；地理坐標為東經111°25′40″——112°00′00″，北緯37°19′26″——37°29′02″，流域面積為212.06 km2。該區屬溫暖大陸性氣候，一年四季分明，冬季少雪，春季多風，夏秋多雨，多年平均氣溫為11.11 ℃，多年平均降水量為444.44 mm。由于受水汽來源、地形條件等因素的影響，降水量時空分布不均，且年內分配也很懸殊。6——9月份占年降水量的50%～75%，7、8兩個月的降雨更為集中，所占比率約為40%。依據王謙[25]的干濕氣候劃分標準及干旱、半干旱區的劃分界線，本研究區為暖溫帶半干旱地區。

1.太古界變質巖；2.寒武系碳酸鹽巖；3.奧陶系碳酸鹽巖；4.流域邊界；5.泉水；6.斷層及編號；7.地層界線。圖1 研究區水文地質圖Fig.1 Hydrogeology map of study area

研究區地貌特征是西高東低，北高南低，地面標高為1 100～1 900 m；該區為裸露巖溶區，主要出露寒武——奧陶系碳酸鹽巖；巖溶水主要接受碳酸鹽巖裸露區降水入滲補給，在地形控制下，總體向南運移，并在山前受太古界變質巖阻擋后出露形成馬跑神泉(Q01)和峽口泉(Q02)(圖1)。流域北部和西部以地表分水嶺為邊界，東部以太古界混合花崗巖等為區域隔水邊界，南部以F1斷層構成隔水邊界[26]，因此，流域為邊界清楚的全排型泉域。

研究區位于關帝山林場內，植被保護良好。根據2011年7月的野外調查統計，植被以林地為主，面積為122.10 km2，占總土地面積的57.58%；其他依次為灌叢地、耕地和草地，分別占34.34%，4.08%和4.00%(表1)。

表1 2011年流域土地利用類型與面積

2 研究方法及結果

2.1 水化學徑流法計算巖溶碳匯強度

2.2 溶蝕試片法計算碳匯強度

溶蝕試片法是由我國巖溶學家[19]在20世紀80年代末引進國內的，該試驗方法在IGCP299項目(1990——1994)中得到廣泛應用，主要目的是對比不同地質、氣候和水文條件下巖溶作用的強度及其差異。為使結果具有可比性，試片均用桂林泥盆系融縣組純石灰巖制成，是具有統一尺寸(直徑40 mm，厚約3 mm)的圓片狀標準試片。標準溶蝕試片法的優點是簡單易行，但由于埋放地巖性種類繁多及巖溶土壤特殊的空間異質性，使得溶蝕試片埋放的代表性成為溶蝕試片法應用的重要障礙[14]。

本研究于2011年7月選擇有代表性的植被覆蓋類型(草地、灌叢地、林地)分別埋放標準溶蝕試片。根據草地、灌叢地、林地的分布面積比例，在草地中設置了2個試片點，灌叢地中設置了8個試片點，林地中設置了5個試片點，共埋放試片156片。埋放方法：在離地面100 cm空氣中，地表和土下20、50、100 cm等5個層面(土壤深度小于100 cm時，試片埋放于基巖面附近)，每層各放置試片3塊，放置時間為1個水文年(2011年7月——2012年7月)，取出后測定年單位面積溶蝕量(溶蝕速率)[8]。計算公式如下：

式中：E為溶蝕速率(mg/(cm2·a))；m1為試片初始質量(g)；m2為試片埋放后質量(g)；t為埋放時間(d)；S為試片表面積(約28.9 cm2)。

表2 流域碳匯強度動態特征

Table 2 Dynamic characteristics of carbon sink strength in the watershed

時間ρ(HCO-3)/(mg/L)q/(L/s)F/(t/(km2·a))Q/(t/a)2012-06338.555509.85174.072012-07338.555509.85174.072012-08341.605509.94175.632012-09359.9055010.47185.042012-10353.8055010.29181.912012-11338.555509.85174.072012-12335.505509.76172.502013-01335.505509.76172.502013-02329.405509.58169.362013-03329.405509.58169.362013-04323.305509.41166.222013-05329.405509.58169.36

Q為碳匯量。

埋放的156塊標準試片經過一個水文年后，除丟失23片外，其他試片均已回收，據統計有12片試片質量增加(可能與試片埋放處土壤碳酸鈣含量過高有關)，其他試片質量均減少。每個層位均以3個試片的平均失重總量來計算溶蝕速率，將同一種植被類型條件下不同位置點的試片溶蝕速率求平均值，得到林地、灌叢地、草地條件下試片溶蝕速率，如表3所示。利用溶蝕速率計算巖溶碳匯強度和碳匯量[21]。碳匯強度：

其中：R為巖石試片的碳酸鹽巖純度，標準試片為0.97。碳匯量：

式中：S′為不同植被覆蓋面積，km2。

根據流域各種植被類型分布面積及溶蝕速率，耕地中未埋放試片，根據有關文獻[1,17]，耕地地下溶蝕速率基本與草地相當)計算得到各植被條件下的碳匯強度和碳匯量，如表3所示。全區年碳匯量共計386.15 t/a，平均巖溶碳匯強度為1.821 t/(km2·a)。

表3 不同植被條件下巖溶碳匯量

Table 3 Karst carbon sink in different vegetation condition

土地利用類型E/(mg/(cm2·a))F/(t/(km2·a))Q/(t/a)林地0.55112.352287.19灌叢地0.25851.10380.34草地0.25471.0879.22耕地0.25471.0879.40

3 討論

本研究根據標準溶蝕試片法計算出的流域年碳匯量和平均巖溶碳匯強度分別為386.15 t/a和1.821 t/(km2·a)，而根據水化學徑流法計算出的結果分別為2 084.08 t/a和9.83 t/(km2·a)，試片法計算結果僅為水化學徑流法的1/5。該特征與我國南方亞熱帶巖溶區存在明顯不同，Zhang Cheng[8]在重慶金佛山巖溶區研究表明,用水化學徑流法計算的巖溶碳匯強度與溶蝕試片法的基本一致。

土壤有機碳(SOC)和無機碳(SIC)是影響巖溶作用的兩個主要因素，土壤有機碳通過分解產生CO2和生成土壤微生物加速巖溶作用速率[8,28-29]，而土壤無機碳形成的堿性屏障則不利于巖溶作用進行[8,26]。本研究為了尋求引起試片法計算結果偏低的原因，在試片埋放期間對埋放層位的土壤取樣進行了土壤有機碳和無機碳測試，測試結果見表4。與南方濕潤條件下土壤w(SIC)較低[8]明顯不同，研究區土壤w(SIC)較高(5.44%～11.87%)，是南方巖溶區的3～20倍。不同植被覆蓋條件下土壤w(SIC)雖有所差異，但均是w(SIC)>w(SOC)(表4)。其中：草地的SIC/SOC為5.06；灌叢地的SIC/SOC為4.01；林地的SIC/SOC為2.85。因此，可能是土壤w(SIC)高造成試片法計算結果顯著低于水化學徑流法。

表4 土壤有機碳和無機碳特征[26]

為了進一步佐證土壤無機碳是引起試片溶蝕速率偏小的主要原因，將試片埋放層位的土壤無機碳質量分數與對應試片的溶蝕速率作相關性分析，發現兩者存在一定的負相關關系(圖2)，相關性R2=0.24，兩組數據的顯著性水平(P)為0.001，證實土壤無機碳質量分數高，蝕片溶蝕速率偏低。劉再華[14]研究表明，高含量的土壤無機碳在干旱少雨、蒸發量大的氣候條件下容易過飽和并發生沉淀。研究區土壤w(SIC)是南方巖溶區的3～20倍[8]，是w(SOC)的2.85～5.06倍(表4)，且為半干旱氣候條件，因此埋放于土壤層中的試片除受溶蝕作用影響外，還受土壤碳酸鹽沉積影響，使試片溶蝕速率偏小，從而使溶蝕試片法獲得的巖溶作用及其碳匯強度大大降低。這也可從本次回收的試片中有12片試片經過一個水文年的溶蝕試驗后，質量出現增加的現象中得到證實。

圖2 試片溶蝕速率與無機碳質量分數關系Fig.2 Relation between soil inorganic carbon content and tablets dissolution rate

由此可見，由于干旱半干旱地區土壤無機碳含量高且容易發生沉積，埋放于土壤系統中試片的溶蝕速率并不能真正代表基巖面的溶蝕速率，造成用試片法計算巖溶碳匯強度的結果比水化學徑流法的偏小，用溶蝕試片法會使巖溶碳匯強度被低估。由此可見，溶蝕試片法不適宜在北方干旱半干旱巖溶地區碳酸鹽礦物含量高的土壤中使用。在北方干旱半干旱巖溶地區，地下水均以巖溶大泉的形式出露，泉域邊界清楚、流量穩定，計算巖溶碳匯效應宜采用水化學徑流法。

4 結論

研究區土壤無機碳質量分數高，是有機碳質量分數的2.85～5.06倍，在干旱少雨、蒸發量大的氣候條件下容易過飽和并發生沉淀，使埋放于土壤層中的試片除受溶蝕作用影響外，還受土壤碳酸鹽沉積影響，造成部分試片經過一個水文年的溶蝕后質量增加，從而造成用試片法計算的碳匯強度與水化學徑流法的相比，結果明顯偏小。試片溶蝕速率與土壤無機碳呈負相關關系，亦證實土壤無機碳含量高是造成試片法結果偏小的主要原因。因此，埋放于土下的試片的溶蝕速率并不能真正代表基巖面的溶蝕速率，試片法計算的碳匯強度也就不能代表實際的巖溶碳匯強度，使利用溶蝕試片法來研究巖溶碳匯效應在干旱地區土壤中受到了限制。在干旱半干旱巖溶區，地下水均以巖溶大泉的形式出露，泉域邊界清楚，水化學和流量易于監測，利用水化學徑流法計算巖溶碳匯強度結果更為準確。因此，試片法很難在半干旱地區土壤中實行，除非試片上部土壤中不含碳酸鈣礦物；在半干旱地區，計算巖溶碳匯效應宜采用水化學徑流法。

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Applicability of Karst Carbon Sinks Calculation Methods in Semi-Arid Climate Environment

Huang Qibo1,2, Qin Xiaoqun1,2, Liu Pengyu1,2, Kang Zhiqiang3, Tang Pingping1,2

1.InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin541004,Guangxi,China2.KarstDynamicsLaboratory,MLR&GZAR,Guilin541004,Guangxi,China
3.GuangxiGeologySurvey,Nanning530023,China

By choosing the appropriate method for accurately calculating the amount of karst carbon sink in arid and semiarid regions in Northern China, the estimation accuracy of China’s karst carbon sink and global carbon cycle models can be improved. The results show that karst carbon sink intensity(1.821 t /(km2·a)) with the standard dissolution method is only 1/5 of that of the hydrochemistry-runoff method(9.83 t/(km2·a)) in the Mapao Spring Catchment, Shanxi Province by using the hydrochemical runoff method and standard dissolution method. The negative correlation between tablets dissolution rate and soil inorganic carbon further indicates that the high levels of soil inorganic carbon (2.85-5.06 times of organic carbon content) is the major cause for the smaller results by standard dissolution method. In semi-arid regions, the high inorganic carbon content was easily deposited, resulting in a low dissolution rate for the tablets. The water chemistry and flow is easy to be monitored for a clear boundary condition basin, so the results of karst carbon sink intensity with the hydrochemistry-runoff method is more accurate. Therefore, for calculating karst carbon sink intensity in the semi-arid regions, the hydrochemical-runoff method should be used.

karst carbon sink; hydrochemistry-runoff method; dissolution method; dissolution rate; semi-arid karst regions

10.13278/j.cnki.jjuese.201501206.

2014-03-06

國家自然科學基金項目(41302211)；中國地質調查局項目(12120113005200)

黃奇波(1982——)，男，助理研究員，主要從事巖溶水文地質科研工作，E-mail:qbohuang0108@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501206

P641.134

A

黃奇波，覃小群，劉朋雨，等. 半干旱區巖溶碳匯原位監測方法適宜性研究.吉林大學學報:地球科學版,2015,45(1):240-246.

Huang Qibo, Qin Xiaoqun, Liu Pengyu, et al. Applicability of Karst Carbon Sinks Calculation Methods in Semi-Arid Climate Environment.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):240-246.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501206.