济南市典型岩溶泉域碳循环过程及碳汇效应研究

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岩溶碳汇是近些年来国内外新发现的碳减排途径，在平抑大气CO2增加方面起到重要作用。济南地处中国北方岩溶区，岩溶区面积广，地表地下岩溶发育强烈，岩溶大泉广布，素有“泉城”的美誉，岩溶碳汇具有较大潜力，但截至目前对此尚未有系统研究。非岩溶区产生的外源水具有较低的pH和方解石饱和度，进入岩溶区后将加速碳酸盐岩化学风化，提高流域的岩溶碳汇强度。济南市南部山区是泰山群变质岩，有利于流域碳汇的增加；同时，南部山区是济南市的重要粮食蔬菜生产基地，随着农业和城市化的发展，大量化肥的使用、污水排放，使外源酸（HNO3、H2SO4）参与了岩溶区碳酸盐岩的溶蚀，但是这一其过程并不消耗大气或土壤中的CO2，只是增加了碳酸盐岩的溶蚀量和水体中HCO3-含量，因此在计算流域岩溶碳循环过程中应该考虑其对岩溶碳汇效应的影响，提高岩溶碳汇计算精度。本文利用水化学法、Galy模型、土壤CO2分析、并结合稳定同位素δ13CDIC、δ15NNO3分析，以济南泉域为研究对象，通过野外调查和室内检测分析，并收集流域面积、流域岩溶区面积、流域非岩溶区面积、耕地面积、年平均降水、岩溶区渗漏系数和非岩溶区渗漏系数等基础数据全面研究了济南岩区碳循环过程，探讨了流域外源水及外源酸对岩溶碳循环过程的影响，估算了流域碳汇速率和强度。2016年~2017年7月对济南泉域19个取样点进行取样，并对济南流域进行三个月的地表水、地下水动态观测，分析常规水化学、δ13C和δ15NNO3，同时对土壤、土壤CO2进行取样，测定δ13C值，并收集土壤CO2浓度数据等。探讨了外源水对碳汇的贡献，以及流域农业活动对岩溶碳汇过程产生的影响，对济南流域岩溶碳汇量进行了更为准确的估算。研究结果表明：外源水可以提高岩溶水的侵蚀能力，促进碳酸盐岩溶蚀作用发生。外源水由于具有较低的pH值、HCO3-浓度、SIc（方解石饱和指数）和SId（白云岩饱和指数），因而比岩溶水具有更强的侵蚀能力，外源水进入岩溶区后与岩溶水汇合，岩溶水SIc和SId值均有所降低，岩溶水的溶蚀能力增强。玉符河流域的硅酸盐岩、碳酸盐岩化学风化速率分别为8.06mm·ka-1、18.51mm·ka-1，外源水汇入岩溶水后风化速率明显提高为20.13mm·ka-1。农业活动对地下水化学的影响具有明显的时间特征。农业活动产生的硝酸和硫酸对碳酸盐岩产生溶蚀，使地下水系统中Ca2+、Mg2+浓度升高，根据旱季和雨季水化学参数对比发现，雨季进入地下水系统的硝酸和硫酸增多，硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩的量增大，产生的NO3-、SO42-占阴离子总量比重增大，导致HCO3-在阴离子中的比重低于旱季。不同作物种植体系下，果园集中种植区（零星分散农耕地）范围内地下水中NO3-平均浓度最高，流域范围内耕地及林地（含果园）占总流域面积15%以上，因此农业活动引入外源酸对岩溶碳汇的影响具有重要的研究意义。通过水样δ13CDIC验证发现，在汇集排泄区的岩溶泉水表现为碳酸和硫酸共同溶解碳酸盐岩的水化学组成特征，同时还有碳酸对硅酸盐岩的溶蚀，根据水化学法计算求得济南泉域碳酸、硝酸、硫酸溶蚀碳酸盐岩以及碳酸溶蚀硅酸盐岩产生的HCO3-分别占总HCO3-的平均比值为20.7%、11.7%、33.5%和34.1%。模型估算结果显示，外源水和纯碳酸盐岩的碳汇速率分别为6.82tCO2·(km2·a)-1和14.34tCO2·(km2·a)-1，外源水进入岩溶区的混合水的碳汇速率为15.87tCO2·(km2·a)-1，其岩溶碳汇速率提高近2.3倍，外源水的贡献率为60.08%，外源水加速碳酸盐岩的溶蚀是其增加碳汇量的主要原因。由于外源酸参与岩溶区岩石溶蚀过程，导致水体中HCO3-浓度升高，会对岩溶碳汇通量的计算产生干扰，需要对外源酸产生的[HCO3-]H2SO4+HNO3在总HCO3-中进行扣除，扣除后计算得到济南泉域碳汇速率为12.27tCO2·(km2·a)-1，泉域总年均碳汇量为18407tCO2·a-1，为扣除前的68.01%。因此农业活动引入的外源酸，导致水体中HCO3-浓度升高，计算结果比准确值偏大。本研究对中国北方岩溶碳循环的研究提供了基础数据和技术方法，为丰富碳循环研究成果，深化岩溶动力学研究理论具有重要意义。

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作者
单晓静;
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作者单位

青岛大学;

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授予单位青岛大学;
学科环境工程
授予学位硕士
导师姓名于德爽,张连凯;
年度 2018
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正文语种中文
中图分类水体污染及其防治;水利枢纽、水工建筑物;
关键词
济南市; 典型; 岩溶泉域; 碳循环过程; 碳汇;

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