雪玉洞洞穴系統(tǒng)碳的變化特征及洞內(nèi)CO2來源研究.pdf

1、巖溶動力系統(tǒng)的運(yùn)行伴隨著碳的遷移變化，土壤CO2是巖溶作用的驅(qū)動力，是巖溶作用中碳的重要來源。洞穴作為巖溶環(huán)境的重要組成部分，是研究碳的遷移變化的重要場所。洞內(nèi)空氣CO2是洞穴環(huán)境的重要指標(biāo)，可以反映巖溶動力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。洞內(nèi)CO2主要來源于上覆土壤CO2:一方面土壤CO2通過巖層裂隙擴(kuò)散到洞穴中，另一方面土壤CO2通過巖溶水的攜帶進(jìn)入到洞穴中。洞穴滴水和地下河水是土壤CO2進(jìn)入到洞穴中的重要載體，水體在洞內(nèi)的脫氣作用是控制洞內(nèi)CO2

2、的關(guān)鍵因素，滴水和地下河水也是碳在洞穴系統(tǒng)中遷移的重要途徑。以往研究表明，雪玉洞空氣CO2濃度較高，并且在11月出現(xiàn)快速變化，但是沒有捕捉到洞內(nèi)空氣CO2的上升過程，對其來源也缺乏有力的證據(jù)。
　　本研究在以往研究的基礎(chǔ)上，對碳從土壤CO2向洞內(nèi)遷移的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了監(jiān)測，對土壤CO2濃度、土壤水、表層巖溶泉、滴水、地下河水、洞內(nèi)空氣CO2濃度等碳的變化進(jìn)行了研究，揭示了碳在各環(huán)節(jié)中的變化特征。對2013年11月洞內(nèi)CO2濃度的快速

3、變化進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，捕捉到了洞內(nèi)空氣CO2的快速上升過程;同時對地下河的水化學(xué)進(jìn)行了對比監(jiān)測，以研究在洞內(nèi)空氣CO2上升過程中地下河是否能夠提供足量的CO2。另外，對洞穴系統(tǒng)中碳的同位素進(jìn)行了研究，利用碳同位素示蹤技術(shù)為洞內(nèi)空氣CO2的來源提供有力證據(jù)。研究發(fā)現(xiàn):
　　(1)雪玉洞土壤—洞穴系統(tǒng)碳的變化表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，土壤CO2、洞穴空氣CO2和地下河CO2分壓表現(xiàn)出明顯的一致性，表明在季節(jié)尺度上洞穴空氣CO2的變化可能受到地

4、下河所攜帶的土壤CO2的控制。對土壤水、表層巖溶泉水和滴水DIC的研究發(fā)現(xiàn)，DIC濃度呈現(xiàn)先升高后降低的過程，表明巖溶侵蝕作用先增強(qiáng)后變?nèi)酰瑤r溶侵蝕作用的強(qiáng)弱對碳的遷移起著重要的作用。洞穴系統(tǒng)中碳同位素的變化表明，土壤水中溶解了較多的土壤CO2，而隨著巖溶作用的進(jìn)行，消耗了水中溶解的土壤CO2，使巖溶水包含的土壤CO2的碳同位素信息減少。
　　(2)通過對2013年10月30日到11月17日的連續(xù)監(jiān)測研究，雪玉洞空氣CO2在11月

5、2日到9日出現(xiàn)大幅度上升（4個監(jiān)測點(diǎn)平均值從3965 ppm上升到9792 ppm），地下河pH出現(xiàn)顯著降低，CO2分壓也大幅度上升，并且地下河上游的CO2分壓明顯大于下游CO2分壓，且分壓差在9日達(dá)到最大值，表明洞內(nèi)CO2主要來源于地下河的脫氣。通過對11月2日到9日地下河CO2脫氣量和洞穴空氣CO2增量的計(jì)算，地下河脫氣量(149.98 m3)大于洞內(nèi)空氣CO2增量(105.11 m3)，表明地下河脫氣可以為洞穴空氣CO2濃度增加提

6、供足量的CO2。碳同位素的監(jiān)測表明，地下河脫氣進(jìn)入到洞穴空氣中的CO2主要來自溶解的土壤CO2，地下河δ13CDIC在洞內(nèi)空氣CO2上升期間沿流程不斷偏重，表明地下河的顯著脫氣確實(shí)存在，是洞內(nèi)空氣CO2上升的直接控制因素。
　　(3)地下河方解石飽和指數(shù)的變化研究發(fā)現(xiàn)，在洞穴空氣CO2快速變化期間，洞內(nèi)空氣CO2濃度最高時方解石飽和指數(shù)出現(xiàn)最低值，同時從季節(jié)變化尺度上來看也是洞內(nèi)CO2濃度較高時地下河的方解石飽和指數(shù)較低，即在較高