大風洞上層土壤不同深度CO2濃度特征變化研究

林 濤，周文龍，朱生亮，江 波，曹 洋

(貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001)

1 引言

土壤層是巖溶動力系統構成的重要一環，是地表各圈層的主要圈層[1]。洞穴上方土壤層CO2是喀斯特動力系統的動力，是喀斯特系統的物質來源[2]，是喀斯特環境的化學變化基礎成因。

對貴州省雙河洞上層土壤的CO2濃度進行研究，弄清了洞穴上覆土壤CO2濃度的變化趨勢[3]，對洞內沉積物沉積速度進行了闡述。

2 研究區概況

雙河洞地處貴州綏陽縣西北，107°2′30″E～107°25′00″E，28°8′00″N～28°20′00″N。雙河洞洞系長25.4 km，是亞洲第一長洞、世界第五[4]，同時也是世界最長的白云巖洞穴，世界最大的天青石洞穴[5]。雙河洞地質公園處于揚子地臺鳳岡構造變形區，洞穿黃魚江背斜和土坪向斜[6]；地層為黔北沉積區，由淺海沉積環境形成。在區域構造應力的作用下，形成NW和NE向褶皺斷裂帶，圍成一個上升的凸出地塊，產狀向東，地層為奧陶桐梓組(O1t)和中寒武系婁山關群(∈2-31)白云巖[7]。研究區山脈以中低山為主，溝谷縱橫，地質公園內地質景觀豐富，有洞穴系統、地下暗河、峰叢峽谷、天坑。研究區屬于區內氣候屬于亞熱帶濕潤季風氣候，氣候差異顯著。洞內環境條件優秀，空氣中二氧化碳含量一般在(350～400)×10-6，溫度一般常年恒定在13～15 ℃，濕度85%～98%[8]。大風洞是雙河洞洞系的主要洞穴，作為一個旱洞洞道寬闊集中、水平平坦，洞道向南發育，向南逐漸變得寬闊[9]。碳酸鈣沉積景觀發育，石柱、石筍、石鐘乳、發育水平好，盡頭處和地下河連接[10]。

3 數據采集與處理方法

2020～2021年，在大風洞上層4個深度(-25 cm、-50 cm、-75 cm和-100 cm)，進行了土壤CO2每周1次的監測(圖1)。

土壤CO2監測使用科爾諾GT-903泵吸式二氧化碳檢測儀，分辨率1×10-6,檢測精度為≤±3%，線性誤差為≤±1%，響應時間≤20 s。洞外降水和溫度數據來自綏陽縣氣象局，洞內溫度采用中科能慧NHQXZ602Kestrel-4500型便攜式氣象站監測，監測結果見圖1。

圖1 降雨量及洞內外溫度變化

4 洞穴上層土壤CO2濃度月變化記錄

洞穴上層土壤CO2濃度變化受降水、氣溫、植物根系生長、有機物分解、土壤微生物因素影響[11]。通過對大風洞上層4處土壤監測點12個月監測，監測結果如圖2。

圖2 不同深度土壤CO2濃度變化

大風洞土壤CO2呈現顯著季節變化，夏季高，冬季低，伴隨土溫和降雨量增加，有機物分解加速，微生物和植物生長作用增強[12]，土壤CO2濃度升高。時間變化表現為：春季CO2濃度增加[13]，增加較緩慢。夏季6月和8月CO2濃度增大，夏季7月和9月CO2濃度降低。秋季10月CO2濃度達到高值后CO2濃度開始降低,11月份之后土壤CO2濃度明顯降低。春季1～5月的變化原因是：雖然氣溫上升，但由于降水少，所以微生物活動、根系呼吸作用減弱。夏季7月和9月是因為降水少，而且氣溫高，土壤水蒸發作用加強，土壤干燥，空氣流通好，CO2濃度降低。秋季9月，CO2濃度在0.5～2.9vol%間變化，CO2濃度組建降低。如圖2所示，從各點不同土壤深度的CO2濃度可得到數據，1#監測點CO2濃度在-25 cm、-50 cm、-75 cm、-100 cm分別為2.5vol%、2.38vol%、2.31vol%和1.75vol%，濃度由大到小：-25 cm>-50 cm>-75 cm>-100 cm。因為1#監測點位于樹林，土壤水分多，根系和微生物影響不強[14],CO2隨著深度增加而降低。2#監測點在-25 cm、-50 cm、-75 cm和-100 cm處CO2濃度為1.76vol%、2.3vol%、2.1vol%和2.05vol%；3#監測點分別為1.6vol%、1.4vol%、1.89vol%和0.88vol%；4#監測點分別為0.99vol%、0.93vol%、1.23vol%和1.19vol%，除1#監測點外，其余3處土壤 CO2濃度總體變化趨勢均為-25 cm>-50 cm>-75 cm>-100 cm。大風洞上覆土壤2#、3#和4#監測點CO2濃度大趨勢上具有雙向梯度變化，原因是土壤上層的徑流層分布的關系[15]。第二不同土壤測點CO2濃度有明顯差異，從圖2來看，1#、2#、3#和4#監測點上覆土壤層CO2濃度隨深度增大而減小，因為巖溶區底層土層致密且基巖成分較多，土壤CO2和空氣交換較少。隨著土壤深度增大，然而到達一定深度時，微生物和植物根系減少，土壤結構變得更加緊密，CO2濃度就漸漸降低；土壤水蒸發也隨之減少，土壤粘性變大，氣體頻率下降，植物根系呼吸和土壤微生物作用釋放的CO2只在土壤淺層累積，使得CO2隨土壤深度增大而減小。不同的監測點CO2濃度具有差異的原因是有的監測點位于松樹林，有的監測點位于灌叢，松林壤的CO2濃度高于灌叢壤。

5 結論

大風洞上層土壤CO2濃度有顯著季節差異：夏秋季高，冬春季低。CO2濃度隨取樣深度增加而增加。因為降水、氣溫、土壤微生物、有機物分解、植物根系呼吸和大氣輸入的作用，不同監測點CO2濃度具有顯著的差異性。