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项目年度编号
2000241255
中图分类号
P642.252
成果公布年份
2020
成果简介
1.课题来源与背景：国家自然科学基金项目(41502260)、广西自然科学基金项目(2013gXNSFBA019215)和国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室主任基金资助项目(14-A-02-03)岩溶作用过程是由地下水驱动的碳循环过程，是全球碳循环的重要组成部分。广泛应用于岩溶碳汇的评价过程的传统岩溶碳汇模型如流域地球化学均衡法、溶蚀试片法等均为经验方法，其理论依据不严禁、评价精度也有待提高。
2.研究目的与意义：以往岩溶碳汇评价的理论依据为岩溶动力学方程，认为大气碳源和碳酸盐矿物的碳源的贡献比为1：1。来自碳稳定同位素方面的研究表明，岩溶水中来自大气源的碳要比来自碳酸盐岩源的量相对要大，以往的评价结果的岩溶碳汇量相比实际碳汇量有所低估。该现象对传统碳循环理论提出了严重的挑战。为了推求各个碳源的贡献率，精确评价岩溶碳汇作用，对岩溶系统中水-碳耦合循环过程的碳汇评价方法研究极有必要。
3.主要内容：选择中国西南岩溶地区5个岩溶水系统进行研究，其分别代表3种不同植被覆盖条件，其中贵州茂兰自然保护区代表顶级岩溶森林生态系统、广西南宁马山弄拉和桂林丫吉代表次生林覆盖区、广西贺州和柳州农耕区代表农业生产区。通过对其地下水循环和水化学进行长期监测研究，系统的对比了不同植被演替阶段岩溶生态系统中水-碳耦合循环过程，进一步发展了岩溶碳汇评价方法，对全球碳循环模型有重要意义。
4.创见与创新：1)岩溶区地下水循环过程及岩溶水文模型。岩溶含水介质，尤其是地下河系统，空间差异性非常显著。近年来，自动化监测仪器的引入，使得示踪试验工作工作效率大幅提高，成为是探查地下岩溶管道的最佳手段。在贺州合宝地下河开展示踪试验，对Trace-2模型进行修正，有效查明了岩溶管道的基本参数和水流状态，取得了良好的结果。另外，岩溶地区普遍存在监测资料较少的现状。在流域水文模型建设过程中，往往存在严重的“过参数化”现象，给模型带来严重的异参同效的问题，进而给模型预测结果带来强烈不确定性。在该项研究中，提出了一个新的、多模型对比的框架，用来识别桂林市丫吉岩溶泉流域的主要水文过程。用流域降雨量和泉流量数据校正模型。研究结果表明该泉流量主要受两个不同的水文过程控制，其中一种水文过程仅在雨量大于某一阈值时才产生。基于以上认识，建立了一个拥有两个出口的线性水箱模型，在模拟过程中取得良好的效果。2)岩溶水-碳耦合循环过程。岩溶作用过程是由水循环驱动的碳循环过程。和植被光合作用一样，都要吸收大气CO<sub>2</sub>，从而起到“碳汇”作用。另一方面，森林植被具有明显的水文效应，能进一步促进岩溶作用过程。在西南岩溶区选择了原生森林区、次生林区和农耕区等3个不同植被覆盖条件的地下水系统为研究对象，通过地下水系统降水量、空气CO<sub>2</sub>浓度、地下水径流量、水化学组分和同位素组分等指标的长期监测，对岩溶作用过程中水循环和碳循环特征进行分析。研究发现，由森林植被激发的二次降水可明显加大林区降水量，且次生林的正向演替过程可提高大气降水向地下水的转化效率；岩溶地下水无机碳(HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>)的来源明显受到植被覆盖条件的控制，说明岩溶森林区存在“水-碳耦合循环”过程；相比次生林，成熟的原生森林区树木固碳能力达到极限，但通过水文效应进一步促进岩溶作用，依然对大气形成明显的“碳汇”。森林和土壤的呼吸作用产生大量的CO<sub>2</sub>，向大气释放，在近地表形成一个高CO<sub>2</sub>分压的“森林空气层”。其中的一部分CO<sub>2</sub>向大气中扩散，形成“碳源”，另一部分则向水中溶解，提高了地下水中侵蚀性CO<sub>2</sub>的含量，从而促进岩溶作用。证明在中国西南石漠化治理过程中，随着植被覆盖条件的正向演替，岩溶地区水碳耦合循环受植被调控，地质碳汇作用逐渐增强。3)岩溶水中碳来源甄别及岩溶碳汇评价方法。以往的计算均是以岩溶动力学基本反应方程式为基础，并未考虑由于地下水排泄量中各无机碳源贡献比不同而造成的差异，默认由大气源和岩石源的碳比例为1：1。该方法以13C为示踪因子，对岩溶水中碳的来源进行甄别计算。岩溶动力系统中碳在各形态之间转化时产生的同位素分馏作用。由动力学方程式可知，岩溶水中DIC的来源主要为大气/土壤CO<sub>2</sub>和碳酸盐岩矿物，因而在固液态三相间的两个转化过程中会发生碳稳定同位素的分馏，即大气/土壤CO<sub>2</sub>向水中HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>之间的分馏和CaCO<sub>3</sub>和HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>之间的分馏。依据岩溶动力系统中不同碳形态之间转换的过程中碳同位素热力学平衡分馏机理，对不同温度条件下的评价区域的碳同位素分流系数值进行计算。改进了基于流域地球化学均衡的岩溶碳汇评价方法。可以精确的计算出岩溶水中来自空气(包括土壤空气和自由空气)的CO<sub>2</sub>的比例，进而通过该无机碳源分割方式。
5.社会经济效益：基于该项目研究成果，明确了不同植被条件下岩溶水-碳的耦合循环机理，一方面对石漠化治理过程对林区小气候的改善及岩溶作用过程的影响有了较为明确的认识，另一方面可以校正岩溶碳循环模型，提高岩溶碳汇的计算精度。发表论文5篇，其中SCI收录1篇，EI收录1篇。
完成单位
广西壮族自治区地质调查院
完成人
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