【摘要】：巖溶碳匯是近些年來國內(nèi)外新發(fā)現(xiàn)的碳減排途徑,在平抑大氣CO_2增加方面起到重要作用。濟南地處我國北方巖溶區(qū),巖溶區(qū)面積廣,地表地下巖溶發(fā)育強烈,巖溶大泉廣布,素有“泉城”的美譽,巖溶碳匯具有較大潛力,但截至目前對此尚未有系統(tǒng)研究。非巖溶區(qū)產(chǎn)生的外源水具有較低的pH和方解石飽和度,進入巖溶區(qū)后將加速碳酸鹽巖化學風化,提高流域的巖溶碳匯強度。濟南市南部山區(qū)是泰山群變質(zhì)巖,有利于流域碳匯的增加;同時,南部山區(qū)是濟南市的重要糧食蔬菜生產(chǎn)基地,隨著農(nóng)業(yè)和城市化的發(fā)展,大量化肥的使用、污水排放,使外源酸(HNO_3、H_2SO_4)參與了巖溶區(qū)碳酸鹽巖的溶蝕,但是這一其過程并不消耗大氣或土壤中的CO_2,只是增加了碳酸鹽巖的溶蝕量和水體中HCO_3~-含量,因此在計算流域巖溶碳循環(huán)過程中應該考慮其對巖溶碳匯效應的影響,提高巖溶碳匯計算精度。本文利用水化學法、Galy模型、土壤CO_2分析、并結合穩(wěn)定同位素δ~(13)C_(DIC)、δ~(15)N_(NO3)分析,以濟南泉域為研究對象,通過野外調(diào)查和室內(nèi)檢測分析,并收集流域面積、流域巖溶區(qū)面積、流域非巖溶區(qū)面積、耕地面積、年平均降水、巖溶區(qū)滲漏系數(shù)和非巖溶區(qū)滲漏系數(shù)等基礎數(shù)據(jù)全面研究了濟南巖區(qū)碳循環(huán)過程,探討了流域外源水及外源酸對巖溶碳循環(huán)過程的影響,估算了流域碳匯速率和強度。2016年~2017年7月對濟南泉域19個取樣點進行取樣,并對濟南流域進行三個月的地表水、地下水動態(tài)觀測,分析常規(guī)水化學、δ~(13)C和δ~(15)N_(NO3),同時對土壤、土壤CO_2進行取樣,測定δ~(13)C值,并收集土壤CO_2濃度數(shù)據(jù)等。探討了外源水對碳匯的貢獻,以及流域農(nóng)業(yè)活動對巖溶碳匯過程產(chǎn)生的影響,對濟南流域巖溶碳匯量進行了更為準確的估算。研究結果表明:外源水可以提高巖溶水的侵蝕能力,促進碳酸鹽巖溶蝕作用發(fā)生。外源水由于具有較低的pH值、HCO_3~-濃度、SIc(方解石飽和指數(shù))和SId(白云巖飽和指數(shù)),因而比巖溶水具有更強的侵蝕能力,外源水進入巖溶區(qū)后與巖溶水匯合,巖溶水SIc和SId值均有所降低,巖溶水的溶蝕能力增強。玉符河流域的硅酸鹽巖、碳酸鹽巖化學風化速率分別為8.06mm·ka~(-1)、18.51mm·ka~(-1),外源水匯入巖溶水后風化速率明顯提高為20.13mm·ka~(-1)。農(nóng)業(yè)活動對地下水化學的影響具有明顯的時間特征。農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的硝酸和硫酸對碳酸鹽巖產(chǎn)生溶蝕,使地下水系統(tǒng)中Ca~(2+)、Mg~(2+)濃度升高,根據(jù)旱季和雨季水化學參數(shù)對比發(fā)現(xiàn),雨季進入地下水系統(tǒng)的硝酸和硫酸增多,硝酸和硫酸溶蝕碳酸鹽巖的量增大,產(chǎn)生的NO_3~-、SO_4~(2-)占陰離子總量比重增大,導致HCO_3~-在陰離子中的比重低于旱季。不同作物種植體系下,果園集中種植區(qū)(零星分散農(nóng)耕地)范圍內(nèi)地下水中NO_3~-平均濃度最高,流域范圍內(nèi)耕地及林地(含果園)占總流域面積15%以上,因此農(nóng)業(yè)活動引入外源酸對巖溶碳匯的影響具有重要的研究意義。通過水樣δ~(13)C_(DIC)驗證發(fā)現(xiàn),在匯集排泄區(qū)的巖溶泉水表現(xiàn)為碳酸和硫酸共同溶解碳酸鹽巖的水化學組成特征,同時還有碳酸對硅酸鹽巖的溶蝕,根據(jù)水化學法計算求得濟南泉域碳酸、硝酸、硫酸溶蝕碳酸鹽巖以及碳酸溶蝕硅酸鹽巖產(chǎn)生的HCO_3~-分別占總HCO_3~-的平均比值為20.7%、11.7%、33.5%和34.1%。模型估算結果顯示,外源水和純碳酸鹽巖的碳匯速率分別為6.82tCO_2·(km~2·a)~(-1)和14.34 tCO_2·(km~2·a)~(-1),外源水進入巖溶區(qū)的混合水的碳匯速率為15.87tCO_2·(km~2·a)~(-1),其巖溶碳匯速率提高近2.3倍,外源水的貢獻率為60.08%,外源水加速碳酸鹽巖的溶蝕是其增加碳匯量的主要原因。由于外源酸參與巖溶區(qū)巖石溶蝕過程,導致水體中HCO_3~-濃度升高,會對巖溶碳匯通量的計算產(chǎn)生干擾,需要對外源酸產(chǎn)生的[HCO_3~-]_(H2SO4+HNO3)在總HCO_3~-中進行扣除,扣除后計算得到濟南泉域碳匯速率為12.27tCO_2·(km~2·a)~(-1),泉域總年均碳匯量為18407tCO_2·a~(-1),為扣除前的68.01%。因此農(nóng)業(yè)活動引入的外源酸,導致水體中HCO_3~-濃度升高,計算結果比準確值偏大。本研究對我國北方巖溶碳循環(huán)的研究提供了基礎數(shù)據(jù)和技術方法,為豐富碳循環(huán)研究成果,深化巖溶動力學研究理論具有重要意義。
【學位授予單位】：青島大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P642.25

【參考文獻】

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