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岩溶地下河水文地球化学对降雨的响应:以重庆雪玉洞地下河系统为例

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环境科学 2014年第10期35卷 3716-3721页

作者：王凤康梁作兵于正良江泽丽西南大学地理科学学院三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆400715

通过对降雨条件下重庆雪玉洞地下河水文地球化学指标的监测,发现各种指标对降雨响应迅速,且存在相关性.采用主成分分析对各指标数据进行处理,提取能代表82.761%信息量的3个主成分,来分析降雨条件下岩溶地下河水文地球化学的特征及其成因... 详细信息

通过对降雨条件下重庆雪玉洞地下河水文地球化学指标的监测,发现各种指标对降雨响应迅速,且存在相关性.采用主成分分析对各指标数据进行处理,提取能代表82.761%信息量的3个主成分,来分析降雨条件下岩溶地下河水文地球化学的特征及其成因.结果表明,以全Fe、全Mn、Al3+等浓度升高为代表的土壤淋失和以K+、Na+、Sr2+浓度降低、EC下降为代表的稀释效应,对水文地球化学特征变化的贡献率为41.718%,降雨加剧了岩溶区土壤的侵蚀,同时危及饮用水的安全,应引起相关部门的足够重视;岩溶水对白云岩的溶解和补给区农业活动、洞穴生物对水文地球化学特征变化的贡献率为29.958%;以Ca2+浓度升高为代表的岩溶水对灰岩的溶蚀作用对水文地球化学特征的贡献率为11.084%.

关键词：降雨岩溶地下河主成分分析稀释作用土壤淋溶重庆雪玉洞

重庆雪玉洞空气CO2浓度变化及水—气碳转换研究

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重庆雪玉洞空气CO2浓度变化及水—气碳转换研究

作者：徐尚全西南大学

学位级别：硕士

岩溶洞穴是岩溶地貌的重要形态之一,是一种非常重要的旅游资源,以其幽深、虚幻、神秘和丰富的碳酸盐岩沉积、溶蚀等形态对旅游者有着极大的吸引力。相对于外部大气环境,洞穴环境是一个较为封闭和稳定的小环境。洞穴内部温度较为稳定,一... 详细信息

岩溶洞穴是岩溶地貌的重要形态之一,是一种非常重要的旅游资源,以其幽深、虚幻、神秘和丰富的碳酸盐岩沉积、溶蚀等形态对旅游者有着极大的吸引力。相对于外部大气环境,洞穴环境是一个较为封闭和稳定的小环境。洞穴内部温度较为稳定,一般接近于当地的年平均气温;湿度一般较高,在一些有地下河发育或滴水较发育的洞穴内部,空气湿度接近饱和甚至处于过饱和状态;洞穴空气CO2浓度是洞穴环境最为重要的指标,它对洞内化学沉积平衡,岩石的溶解,游客的舒适感有直接的影响。由此展开对洞穴环境的研究,尤其是对洞穴空气CO2含量的研究,不仅对岩溶洞穴景观的保护具有重要意义,同时也对岩溶动力系统的碳转换研究具有借鉴意义。本研究以重庆雪玉洞为研究区,在前人研究的基础上对洞穴空气CO2浓度突降期进行了加密监测,也增添了新的监测指标(风速、气压等)。通过监测数据分析了突降期间洞穴空气CO2浓度在时间、空间上的分布特征;从旅游活动、气流因素、地下河影响三个方面对突降原因进行了分析;最后结合已有数据对旅游活动、地下河水-气碳转换量、洞穴CO2减少量进行了定量估算。研究发现： (1)雪玉洞空气CO2浓度在季节尺度上变化规律重复性好,夏高冬低,CO2浓度值相差可达1个数量级以上。在每年的11月份雪玉洞空气CO2浓度都存在一个突降过程。在洞穴空气CO2突降期间,旅游活动在小时时间尺度上对空气CO2降低有显著影响,但在较长时间尺度(天)上影响不大,并不能阻止洞穴空气CO2大幅度的降低。同时,洞穴空气CO2浓度空间展布受多重因素的影响,在雨季由于上覆土层微生物活动活跃,且洞穴气流由洞内流往洞外,致使洞穴空气CO2浓度较高且空间分布差异不大,旱季与之相反,空间分布差异较大。 (2)旅游活动对雪玉洞空气CO2浓度并不起主要控制作用,当旅游人数较多时能够缓解空气CO2浓度下降的幅度,但不能阻止空气CO2浓度的下降。由洞穴内外气温的差异所引起的气压差异,进而引起洞穴内外气流的交换,这是雪玉洞空气CO2浓度下降的一个重要原因。由于洞穴结构的原因,洞内空气风速、气压的大小为：下层洞穴>中层洞穴>上层洞穴。 (3)在季节尺度上,地下河水的CO2分压与洞穴空气的CO2分压趋势较为一致,地下河的脱气与吸气是造成洞穴空气CO2浓度季节变化的一个重要因素,这一点与前人研究结论一致。通过对雪玉洞上覆土层CO2含量的监测发现,土壤CO2浓度的季节变化与洞穴空气CO2浓度变化趋势一致。通过突变期间对地下河的监测发现,空气CO2分压大于地下河水中CO2分压,地下河中HCO3-的含量由洞内流往洞外的过程中不断增加。地下河水与洞穴空气的碳转换量是雪玉洞空气CO2突降的一个重要因素。 (4)通过对突降期间雪玉洞客流量、地下河上下游HCO3-的连续监测,结合已有的洞穴数据(洞穴体积1.804×104m3),对影响洞穴空气CO2浓度的旅游因素、地下河因素进行了定量估算。通过计算发现,在监测期间游客对洞穴空气CO2的贡献量每日在55.02mol～207.74mol之间,即2.42kg～9.14kg,其大小由客流量决定。地下河与洞穴空气的水-气碳转换量每天在186.00mol～356mol之间,即8.18kg～15.66kg,日变化较大,可能与外界环境变化及地下河流量有关。监测期间每日洞穴空气CO2降低量在252.00mol～656.61mol之间,即11.09kg～28.89kg,变化较大,可能与外界大气环境变化有关。综合来看,虽然地下河吸收洞穴空气CO2量日变化与洞穴空气CO2突降量日变化都有较大差异,但地下河携带量对洞穴空气CO2每日的突降量贡献率变化较小,在监测期间,维持在40%～50%之间。在洞穴岩溶动力系统中,水-气之间的碳转换量是雪玉洞空气CO2下降的主要因素。

关键词：空气CO2浓度变化洞穴岩溶动力系统碳转换量重庆雪玉洞

暴雨过程中重庆雪玉洞地下河水文地球化学变化及碳汇量估算

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西南大学学报（自然科学版） 2013年第12期35卷 97-103页

作者：王晓晓王凤康徐尚全西南大学地理科学学院重庆400715 三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆400715

暴雨期间是研究地下河短期水文地球化学变化和在短时间尺度上进行地下河水体碳汇量估算的重要时期.为了监测暴雨期间雪玉洞地下河水化学变化和对碳汇量进行估算,利用CDTP 300在线监测地下河的水温、pH值、电导率、水位,利用BS28-VP2型... 详细信息

暴雨期间是研究地下河短期水文地球化学变化和在短时间尺度上进行地下河水体碳汇量估算的重要时期.为了监测暴雨期间雪玉洞地下河水化学变化和对碳汇量进行估算,利用CDTP 300在线监测地下河的水温、pH值、电导率、水位,利用BS28-VP2型野外小型气象站对雪玉洞附近的气温、降水进行记录.结果表明:雪玉洞地下河水化学类型为HCO3-Ca型,地下河pH值、电导率、水温等对2011年6月13日到15日的降雨过程有较快响应,响应时间约为4小时.受活塞效应的影响,电导率在降雨前期出现小幅上升;随着降雨量的增大,稀释效应起主导作用,电导率出现大幅下降.对已测指标的推算发现,降雨期间雪玉洞地下河的碳汇量显著增加,受流量增大的影响,DIC输送量增加15 191.987kg,二氧化碳分压随降雨量增加出现上升,CO2吸收量增加5 479.077kg.因此降雨过程引起的碳汇量增加应在进行碳汇估算时受到重视.

关键词：暴雨地下河水文地球化学碳汇重庆雪玉洞

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重庆雪玉洞氡浓度变化特征及其危害防护

中国岩溶 2013年第4期32卷 472-479页

作者：杨晓霞子涛陈炳清向旭王晓晓西南大学地理科学学院重庆400715 大理学院药学与化学学院云南大理671000 重庆丰都龙河旅游开发有限公司重庆408200 西南大学经济管理学院重庆400715

利用PRM-2100氡子体监测仪对重庆市丰都县雪玉洞氡子体平衡当量浓度进行连续12个月的监测。研究表明:(1)雪玉洞洞内氡子体平均平衡当量浓度为2 135.7Bq/m3;取平衡因子为0.5,则其平均氡浓度为4 271.4Bq/m3;(2)氡子体平衡当量浓度总体呈... 详细信息

利用PRM-2100氡子体监测仪对重庆市丰都县雪玉洞氡子体平衡当量浓度进行连续12个月的监测。研究表明:(1)雪玉洞洞内氡子体平均平衡当量浓度为2 135.7Bq/m3;取平衡因子为0.5,则其平均氡浓度为4 271.4Bq/m3;(2)氡子体平衡当量浓度总体呈现出夏季高、冬季低及洞层越高,浓度越高的特点,而且氡子体平衡当量浓度变化与洞内温度变化相关性不明显,但与洞外的相关性则较强;(3)雪玉洞游客因吸入氡子体所致的年均有效剂量当量为0.02mSv/a,只是联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)估计的氡子体对公众产生危害的年有效剂量界限值(1.30mSv/a)的1.54%,因此短时间游览对游客的健康不会产生影响。但是,由于洞穴讲解员、保安、拍照人员在洞内工作时间较长,接受氡子体照射的年均有效剂量当量分别为7.69mSv/a、11.96mSv/a、59.48mSv/a,均高于UNSCEAR的年有效剂量。因此,需要合理安排洞穴内工作人员工作时间和科学地制订出他们的年工作时间上限;加强氡危害相关知识的普及与洞穴工作人员的个人防护;在高氡浓度析出区域进行屏蔽防护或在适当位置安装空气净化器;与此同时,还要加强氡及其子体浓度的分析和监测等。

关键词：氡子体平衡当量浓度变化特征防护重庆雪玉洞 equivalently effective concentration(EECRn )

岩溶水文地质系统中有机氯农药的迁移机理初探——以重庆雪玉洞水文地质系统为例

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岩溶水文地质系统中有机氯农药的迁移机理初探——以重庆雪玉洞水...

作者：毛海红西南大学

学位级别：硕士

有机氯农药(OCPs)是一类具有内分泌干扰作用的持久性有机污染物(POPs),由于其在环境中具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性,能够在大气环境中长距离地迁移并且能沉降回到地球,对人类健康和生态环境都具有严重危害,因而受到环... 详细信息

有机氯农药(OCPs)是一类具有内分泌干扰作用的持久性有机污染物(POPs),由于其在环境中具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性,能够在大气环境中长距离地迁移并且能沉降回到地球,对人类健康和生态环境都具有严重危害,因而受到环境科学界的广泛关注。我国南方岩溶地区(包括云南、贵州、广西、重庆、四川、湖南、湖北和广东等8个省、市、自治区)的岩溶总面积约有60万km2。岩溶区独特的水土资源分布格局导致岩溶区的环境同沙漠边缘一样脆弱,一旦遭到破坏就很难恢复。近年来,人类活动对岩溶区资源和环境的影响日渐明显,尤其是农业生产中使用的有机肥、农药经渗透或直接随农田水进入地下河系统,已经威胁到岩溶区的生态环境和人体健康。本文从保护岩溶区资源和环境出发,以重庆雪玉洞水文地质系统作为研究对象,以有机氯农药为目标化合物,通过多指标综合分析,探讨雪玉洞水文地质系统中有机氯农药的组成特征、季节变化、迁移规律及其影响因素,目的在于揭示有机氯农药在岩溶区水文地质系统中的环境行为,为西南岩溶区有机氯农药的污染防治提供理论依据和参考。本研究主要包括三个方面：一、分析雪玉洞上覆土层(日照坝)土壤中OCPs的浓度,研究其水平分布以及垂直向分布趋势、组成特征和来源识别,分析土壤有机碳的含量,研究其对污染物分布的影响;二、分析日照坝红庙水井、落水洞,雪玉洞地下河水、泻玉流光滴水和龙凤呈祥滴水中OCPs的浓度,研究其组成、分布和季节变化特征;三、通过与非岩溶区水文地质系统中OCPs的迁移特征比较,初步探讨岩溶区水文地质系统中OCPs的迁移规律。采用气相色谱-微池电子捕获检测器(GC-μECD)分析了雪玉洞上覆土层(日照坝)10个代表性表层土样的18种OCPS。结果表明(1)土壤中18种OCPs除o,p’-DDD、ε-HCH、艾氏剂和狄氏剂外均有不同程度的检出,其中HCH、DDT、七氯和甲氧滴滴涕的检出率高达100%,是主要的污染物。土壤中的∑OCPs的浓度范围是1.24～750.56 ng·g-1,平均值为79.57 ng·g-1,洼地中的含量高于坡地。(2)研究区土壤中DDTs和HCHs可能分别来自于工业DDTs和林丹的非法使用,近期可能有新的输入。六氯苯、七氯、甲氧滴滴涕、异艾氏剂和异狄氏剂的残留浓度均不高,并且分布相对比较均匀,表明土壤中这类化合物的可能来源于近些年来区域性的大气沉降或是区域扩散的结果。通过相关分析得出研究区10个采样点OCPs基本具有相同的来源,并且土壤有机碳是影响OCPs分布的重要因素。(3)对比中国的土壤质量标准(GB15618-95),研究区土壤中HCHs和DDTs的残留均处于较低水平。与国内外地区土壤中HCHs和DDTs含量相比,研究区十壤中HCHs和DDTs的残留处于低水平。采用气相色谱-微池电子捕获检测器(GC-μECD)分析了雪玉洞上覆土层(日照坝)2个典型剖面(撂荒地和耕地)32个土样的18种OCPs,结果表明(1)撂荒地样品中HCHs和DDTs浓度范围分别为0.06～2.23 ng·g-1和0.14～18.58 ng·g-1,γ-HCH和p,p’-DDT分别是HCH和的主要组成成分。HCB、甲氧滴滴涕、七氯、异艾氏剂和异狄氏剂的浓度范围分别为N.D～0.93ng·g-1、N.D～2.6 ng·g-1、N.D～0.28 ng·g-1、0.1～0.41 ng·g-1和M.D～0.42ng·g-1。(2)耕地样品中HCHs和DDTs浓度范围为0.08-0.33 ng·g-1和N.D～5.68 ng·g-1,γ-HCH和p,p’-DDT分别是耕地土壤HCH和DDT的主要组成成分。HCB、甲氧滴滴涕、七氯、异艾氏剂和异狄氏剂的浓度范围分别为N.D～0.07 ng·g-1、N.D～2.04 ng·g-1、0.05～0.23 ng·g-1、N.D～0.18 ng·g-1和N.D～0.33ng·g-1。(3)通过比较各土层和土壤表层(1±1 cm) OCPs的含量的百分比,发现异艾氏剂垂向迁移能力最强;HCH、七氯和甲氧滴滴涕的迁移能力次于异艾氏剂;DDT、HCB和狄氏剂的迁移能力较弱。土壤有机碳是影响OCPs分布的重要因素,并且不同的土地利用方式下土壤翻耕程度、透气性及微生物活动强弱等都有差异,因而影响到土壤中OCPs的残留浓度大小通过分析日照坝红庙水井、落水洞,雪玉洞地下河水、泻玉流光滴水和龙凤呈祥滴水中的18种OCPs,结果表明(1) HCHs的浓度范围为：0.75～4.72 ng·L-1,α-HCH和δ-HCH是HCHs水样HCH的主要组成成分。DDTs的浓度范围为：0.83～18.93 ng·L-1。地表水体中是以p,p’-DDT和p,p’-DDE为主要成分,而在地下河和滴水中是以p,p’-DDD和o,p’-DDD为主

关键词：水文地质系统有机氯农药迁移特征重庆雪玉洞

旅游洞穴系统中二氧化碳浓度变化及运移机制研究——以重庆雪玉洞为例

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旅游洞穴系统中二氧化碳浓度变化及运移机制研究——以重庆雪玉洞...

作者：周超西南大学

学位级别：硕士

随着近些年极端气候、气象灾害的发生,国际社会对全球范围的气候变化日益关注。在肯定人类活动带来了全球范围二氧化碳浓度升高的同时,也有人质疑是否过度夸大了人类的作用而忽视了自然本身的变化。因此对于长时间尺度的气候变化记录研... 详细信息

随着近些年极端气候、气象灾害的发生,国际社会对全球范围的气候变化日益关注。在肯定人类活动带来了全球范围二氧化碳浓度升高的同时,也有人质疑是否过度夸大了人类的作用而忽视了自然本身的变化。因此对于长时间尺度的气候变化记录研究以及在人类活动参与下的气候记录研究是解决这一问题的关键,但器测记录起步较晚,时间跨度不足,难于解决上述问题。研究洞穴沉积物等地质记录载体对于气候变化的记录具有重要意义,而洞穴作为岩溶区中可进入的表层岩溶带实验场,可在其中进行水-气-岩之间的作用关系研究,因此广泛受到关注。洞穴中的次生沉积物是良好的地质记录载体,洞穴次生沉积物的生长即为碳酸盐脱气沉积过程,二氧化碳的运移是这一过程发生的驱动力,因此对洞内二氧化碳在水-气间的运动的研究可以进一步了解石笋生长速率、元素分布与洞穴环境之间的关系,从而为进一步解释次生沉积物中的地质记录提供支持。旅游洞穴空气中的二氧化碳浓度受到地下河、滴水的脱气作用,洞穴与外界空气交换作用,以及旅游洞穴中的人类活动作用等因子影响,各个因子的影响程度不同致使洞穴空气二氧化碳浓度所表现出的变化规律也不相同。在不同的时间尺度上,表现出的变化规律差异性,说明了各个影响因子作用时间上的差别,长效作用因子(如洞内二氧化碳在水-气间的转移,即脱气作用和吸气作用)在季节尺度上控制洞穴二氧化碳浓度变化,短效因子(如人类旅游活动)在高精度尺度内控制洞穴二氧化碳浓度变化。而脱气作用的发生往往会伴随碳酸盐的沉淀,因此空气二氧化碳浓度的变化规律在次生沉积物的地质记录中会有相应的表现。本研究旨在从岩溶动力系统中的驱动因素二氧化碳入手,研究洞穴空气二氧化碳的变化规律及其在水-气之间的运移规律,从而分析空气二氧化碳与洞内水体间的相互作用关系和洞穴空气二氧化碳对沉积的影响。在前人研究的基础上,对洞内环境指标,滴水水化学以及地下河水文与水化学进行了一个水文年以上的监测。研究发现： (1)雪玉洞洞内二氧化碳浓度的变化在季节尺度上与大多数洞穴相符,受补给区生物活动的影响,体现出夏季高冬季低的趋势,人类活动影响表现不明显,但在短尺度范围内,人类活动的影响和洞穴的自净有明显的表现。因此对于洞穴空气二氧化碳浓度的观测,可进行在线连续监测以研究不同时间尺度之间的关系和验证各尺度表现出规律的代表性。 (2)地下河的沉积状态并不能一概而论之,在讨论水气交换作用时,洞内空气二氧化碳的稳定来源为洞内水体脱气作用,同时也对洞内水体有反作用,因此地下河的脱气作用也受到上方空气影响,尤其在通气情况不好,各个河段上方空气浓度存在差异的情况下较为明显。雪玉洞地下河在上游偏向吸气作用,而下游偏向脱气作用。 (3)洞内滴水由于取样点距洞顶的距离不同会造成脱气作用判断结果的不同,但二氧化碳分压冬季低夏季高的变化规律与地下河变化相似,同时由于滴水较之地下河有更小的体积,洞内空气对其影响远大于地下河,且调节作用较地下河差,滴率的变化与前人的氧同位素研究结论相符,能够反映出补给途径的差异。 (4)雪玉洞内夏季较高的二氧化碳浓度是受到累积作用和人类活动的共同影响,地下河对洞内二氧化碳浓度具有平衡和缓冲的作用,夏季突变是由于人类活动与脱气作用共同作用造成的,而秋季进入冬季的突降,还需要进行进一步的研究。

关键词：二氧化碳浓度时空变化沉积作用人类活动影响重庆雪玉洞

洞穴岩溶动力系统运行规律与环境信息保存的研究——以重庆雪玉洞为例

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洞穴岩溶动力系统运行规律与环境信息保存的研究——以重庆雪玉洞...

作者：王翱宇西南大学

学位级别：硕士

国际社会对全球气候变化的研究日益关注,大气温室气体浓度增加导致的气温升高、海平面上升等问题因存在危及人类基本生存的趋势,也同经济发展目标一道被提上了各国的议事日程。在气候变化的争论中,气候变化事实和人类实际作用两方面问... 详细信息

国际社会对全球气候变化的研究日益关注,大气温室气体浓度增加导致的气温升高、海平面上升等问题因存在危及人类基本生存的趋势,也同经济发展目标一道被提上了各国的议事日程。在气候变化的争论中,气候变化事实和人类实际作用两方面问题成为焦点。器测的气象记录和器测的大气CO2记录由于人类历史的限制,起步较晚,其时间跨度尚不足以展现长时间尺度的气候变化特征及人类工业化对气候的影响水平,所以全球变化研究中的地质记录对揭示气候变化规律有重要意义。洞穴岩溶动力系统内的次生沉积物是一个重要的过去全球变化地质记录载体,研究洞穴岩溶动力系统的运行规律对准确解译沉积物携带的环境信息有很大帮助。本研究旨在丰富岩溶动力学实践,以岩溶动力系统理论方法为指导,对研究区(重庆雪玉洞)的碳、水、钙地球化学特征和循环变化进行了一个水文年以上的完整监测,涉及三相体系的多项环境指标,对系统CO2的时空变化,系统水动力特征、系统水化学的变化、温湿度动态、碳酸盐沉积速率以及碳、氧环境同位素信息都做了相应的探讨。研究发现： (1)雪玉洞岩溶动力系统运行受外部环境的影响较大,具有显著的季节性特征。系统运行的主要动力CO2能敏锐地响应温度和降水的变化,快速的地表地下水体交换是其变化原因。人为因素能对洞穴CO2环境起到暂时的改变,但地下河主导下的系统自我调节使得自然因素在季节或更长的时间尺度上起主要作用。 (2)碳酸钙沉积作为系统的主要输出,也伴随系统的运行而存在季节变化。CO2环境的大幅季节差异和水动力条件的改变是雪玉洞滴水沉积速率变化的主要原因,不过由于沉积物成分较单一、矿物颗粒较均匀,这种季节变化没有反映出纹层特征。地下河元素比值的空间变化说明其沉积作用主要受水动力条件(流速、水层厚度)的影响,但在洞穴CO2环境的更替阶段(4月和11月),其沉积作用明显受到脱气或溶解作用的影响。 (3)雪玉洞岩溶动力系统受生物作用的影响较大,系统内的稳定碳同位素季节变化明显,空间差异显著。虽然研究区附近的大气降水稳定氧同位素存在季节性变动,但可能由于洞穴上部含水层的混合及基岩的干扰,使得洞穴水体的稳定氧同位素季节效应模糊,在年内的变化幅度较小。在研究过程中,开创性地探讨了现实条件下生物成因氨基酸分子对沉积的催化作用。不过在进行固液对比后发现,由于雪玉洞Mg背景值偏低,生物催化作用不及石膏溶解带来的同离子效应对沉积作用的影响显著。

关键词：岩溶动力系统 CO2 水文地球化学沉积速率环境同位素重庆雪玉洞

雪玉洞上覆土壤CO_2变化及对表层岩溶泉水化学特征的影响

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水土保持学报 2013年第2期27卷 85-89页

作者：王晓晓殷建军徐尚全沈立成西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室地理科学学院重庆400715

通过对雪玉洞上方山神庙和火石垭两处土壤CO2和出露于上覆基岩中的红庙水井和一碗水两处表层岩溶泉水化学特征近1年的监测,发现各深度(20,30,60cm)土壤CO2浓度在300～30 000ml/m3范围内变化,呈现夏秋高、冬春低的特点。其中火石垭土壤CO... 详细信息

通过对雪玉洞上方山神庙和火石垭两处土壤CO2和出露于上覆基岩中的红庙水井和一碗水两处表层岩溶泉水化学特征近1年的监测,发现各深度(20,30,60cm)土壤CO2浓度在300～30 000ml/m3范围内变化,呈现夏秋高、冬春低的特点。其中火石垭土壤CO2浓度在2011年10月3个不同深度土壤层都出现明显低值,指示了外界干湿条件的变化。随深度的增加,土壤CO2浓度表现出递增的趋势,但是受不同因素的影响不同地点、不同土壤层中CO2浓度的变化有所不同。表层岩溶泉水化学对土壤CO2浓度的变化具有较好的响应,Ca2+、HCO3-、电导率(EC)与土壤CO2浓度的变化趋势基本一致,呈现夏秋高、冬春低的特点。pH值与土壤CO2浓度的变化趋势相反,呈现夏秋低、冬春高的特点。全年表层岩溶泉水的方解石饱和指数(SIc)>0,Ca2+处于饱和状态,但季节变化明显。二氧化碳分压(P(CO2))与方解石饱和指数变化趋势相反,二者在2011年10月都出现极值,反映出表层岩溶泉水化学的变化受土壤CO2影响显著。

关键词：土壤CO2 表层岩溶泉水化学重庆雪玉洞

雪玉洞洞穴系统碳的变化特征及洞内CO2来源研究

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雪玉洞洞穴系统碳的变化特征及洞内CO2来源研究

作者：王晓晓西南大学

学位级别：硕士

岩溶动力系统的运行伴随着碳的迁移变化,土壤CO2是岩溶作用的驱动力,是岩溶作用中碳的重要来源。洞穴作为岩溶环境的重要组成部分,是研究碳的迁移变化的重要场所。洞内空气CO2是洞穴环境的重要指标,可以反映岩溶动力系统的运行状态。洞... 详细信息

岩溶动力系统的运行伴随着碳的迁移变化,土壤CO2是岩溶作用的驱动力,是岩溶作用中碳的重要来源。洞穴作为岩溶环境的重要组成部分,是研究碳的迁移变化的重要场所。洞内空气CO2是洞穴环境的重要指标,可以反映岩溶动力系统的运行状态。洞内CO2主要来源于上覆土壤CO2：一方面土壤CO2通过岩层裂隙扩散到洞穴中,另一方面土壤CO2通过岩溶水的携带进入到洞穴中。洞穴滴水和地下河水是土壤CO2进入到洞穴中的重要载体,水体在洞内的脱气作用是控制洞内CO2的关键因素,滴水和地下河水也是碳在洞穴系统中迁移的重要途径。以往研究表明,雪玉洞空气CO2浓度较高,并且在11月出现快速变化,但是没有捕捉到洞内空气CO2的上升过程,对其来源也缺乏有力的证据。本研究在以往研究的基础上,对碳从土壤CO2向洞内迁移的关键环节进行了监测,对土壤CO2浓度、土壤水、表层岩溶泉、滴水、地下河水、洞内空气CO2浓度等碳的变化进行了研究,揭示了碳在各环节中的变化特征。对2013年11月洞内CO2浓度的快速变化进行了连续监测,捕捉到了洞内空气CO2的快速上升过程;同时对地下河的水化学进行了对比监测,以研究在洞内空气CO2上升过程中地下河是否能够提供足量的CO2。另外,对洞穴系统中碳的同位素进行了研究,利用碳同位素示踪技术为洞内空气CO2的来源提供有力证据。研究发现：（1）雪玉洞土壤—洞穴系统碳的变化表现出明显的季节性,土壤CO2、洞穴空气CO2和地下河CO2分压表现出明显的一致性,表明在季节尺度上洞穴空气CO2的变化可能受到地下河所携带的土壤CO2的控制。对士壤水、表层岩溶泉水和滴水DIC的研究发现,DIC浓度呈现先升高后降低的过程,表明岩溶侵蚀作用先增强后变弱,岩溶侵蚀作用的强弱对碳的迁移起着重要的作用。洞穴系统中碳同位素的变化表明,士壤水中溶解了较多的土壤CO2,而随着岩溶作用的进行,消耗了水中溶解的土壤CO2,使岩溶水包含的土壤CO2的碳同位素信息减少.（2）通过对2013年10月30日到11月17日的连续监测研究,雪玉洞空气CO2在11月2日到9日出现大幅度上升（4个监测点平均值从3965ppm上升到9792ppm）,地下河pH出现显著降低,CO2分压也大幅度上升,并且地下河上游的CO2分压明显大于下游CO2分压,且分压差在9日达到最大值,表明洞内CO2主要来源于地下河的脱气。通过对11月2日到9日地下河C02脱气量和洞穴空气CO2增量的计算,地下河脱气量（149.98m3）大于洞内空气CO2增量（105.11m3）,表明地下河脱气可以为洞穴空气CO2浓度增加提供足量的CO2。碳同位素的监测表明,地下河脱气进入到洞穴空气中的CO2主要来自溶解的土壤C02,地下河δ13CDIC在洞内空气CO2上升期间沿流程不断偏重,表明地下河的显著脱气确实存在,是洞内空气CO2上升的直接控制因素。（3）地下河方解石饱和指数的变化研究发现,在洞穴空气CO2快速变化期间,洞内空气CO2浓度最高时方解石饱和指数出现最低值,同时从季节变化尺度上来看也是洞内CO2浓度较高时地下河的方解石饱和指数较低,即在较高的洞内空气CO2浓度下地下河的沉积趋势较弱。通过对滴水沉积量的实际观测也发现沉积量最大值出现在洞内空气CO2浓度较低的冬季,表明雪玉洞空气中高浓度的CO2不一定就带来较高的沉积速率,洞内的沉积速率是否较高和沉积速率的影响因素需再做研究。

关键词：碳的变化洞穴CO2 碳稳定同位素重庆雪玉洞