岩溶区地表水生生态系统代谢是岩溶区乃至全球碳循环的重要影响过程,目前岩溶区水生代谢相关的碳通量对全球变化的响应机制尚不明确。本研究通过普定岩溶水碳模拟试验场由不同土地利用控制的岩溶地下水–地表水系统,开展水生生物池代谢过程以及相关碳通量连续监测和模型计算,揭示岩溶水生生态系统净生产力(NEP)与气候以及土地利用的耦合关系。结果表明:(1)不同土地利用控制地表水水生生态系统NEP在季节和昼夜尺度上皆呈现出显著差异,其中裸岩控制下地表水的NEP季节变化范围为–1.02~0.60 g C/(m^(2)·d)、裸土为–0.18~0.59 g C/(m^(2)·d)、耕地为0.60~0.87 g C/(m^(2)·d)、草地为0.38~0.74 g C/(m^(2)·d);(2)水生生态系统NEP对气候变化的响应存在季节性差异,辐射强度主导夏秋季水生生态系统NEP变化,春、冬季表现为风速主导NEP变化,同时降雨对水生生态系统NEP的影响在春季明显小于其他季节;(3)不同土地利用控制下,地表水生生态系统NEP年均值呈现明显差异,表现为裸岩[–10.95 t C/(km^(2)·a)]<裸土[127.75 t C/(km^(2)·a)]<草地[229.95 t C/(km^(2)·a)]<耕地[266.45 t C/(km^(2)·a)]。本研究表明土地利用变化是岩溶地表水NEP的重要控制因子,土地覆被条件改善促进了碳酸盐岩的溶蚀以及地下水的DIC输入,地表水在DIC施肥后NEP显著上升,水生生态系统从异养转为自养型;土地覆被条件差的岩溶地表水生生态系统NEP受控气温、降雨,覆被条件较好的则受控辐射。这些发现将为岩溶区地表水碳通量的计算与管理提供依据。
气候变化问题是21世纪人类社会面临的最严峻挑战之一,大气CO2在调控全球气候中有着重要的地位。碳酸盐岩是地表最大的碳库,而碳酸盐岩的快速溶解动力学特性能较快的消耗大气CO2。近年来,研究发现一些流域的碳通量在气候变化和人类活动的影响之下正发生剧烈的改变。中国西南地区有近7.5×105 km2的岩溶分布,该地区在过去几十年来经历了显著的气候变化,虽然一些研究评估了西南岩溶地区的岩溶碳汇强度,然而目前尚未有研究分析该地区岩溶作用碳汇强度对地区气候变化的响应。本研究结合使用入渗-碳酸盐平衡化学法以及GIS空间分析技术从空间尺度上评估了近40年来西南地区气候变化对岩溶作用碳汇的影响。首先我们分析了整个西南地区以及西南岩溶区近40年来的气候变化特征,包括平均气温、降雨量、净太阳辐射量和平均风速,根据这些气象数据计算了地区地表蒸散发ET。依据这些因子和GIS技术,我们从空间上分析了决定岩溶作用碳汇强度的主要控制因子径流和碳酸盐平衡浓度在过去近40年内的时空变化特征。最后,基于GIS空间分析评估了不同岩性条件下岩溶作用碳汇通量（CSFs）和碳汇总量（TCS）的时空变化特征,并与同时期其它不同方法的类似研究进行了结果比较,发现了影响岩溶作用碳汇强度的最重要控制因子为径流,揭示了岩溶作用碳汇强度如何响应地区气候变化。具体结果如下:（1）1970-2013年西南地区年均气温变化在15.04℃-16.33℃之间,年均气温在波动中逐渐上升,气候倾向率为0.20℃/10a,1993年间西南地区发生了由低温到高温的突变,40年来升温幅度最大的时期为1990年代-2010年代,该时期气候倾向率为0.30℃/10a。空间分布上,气温增幅自东向西而逐渐加大,其中云南四川交界、云南南部、四川北部、重庆东北部等地区升温最为显著。西南地区年降雨变化在963 mm/a-1345 mm/a之间,整个时期内降雨量呈现出明显的下降趋势,气候倾向率为-17mm/10a,西南地区降雨量由多变少的突变年份为2003左右,2000年代-2010年代是西南地区降雨减弱最快的时期,气候倾向率约为-70 mm/10a。空间分布上,降雨减少幅度最大的地区出现在云贵交界、四川中部、湖北北部以及重庆东北部等地区。（2）西南地区内年平均径流深变化范围在439 mm-327 mm之间,平均值为386 mm。径流深在区域内空间上具有明显的梯度变化特征,较高的值出现在区域的东南部,如广西和湖南省等地区。而较低的值出现在地区西部,如四川省和云南省部分高海拔地区。西南岩溶地区径流深在过去近40年来的变化趋势表现为下降,变化起伏大,1990年代平均径流深度达到峰值,为444 mm/a,最低值出现在2010年代,仅为308 mm/a。近40年来西南岩溶地区各碳酸盐岩平衡浓度值（[HCO3-]eq）为4.29 mmol/L,该因子在空间上也呈现显著的梯度性,较高值在西北部,而较低值出现在东南部。[HCO3-]eq值在近40年区域气候变化的影响下变化并不大,多年变化幅度小于5%,不同年代变化趋势也不一致,总趋势为微弱的降低。（3）根据入渗-碳酸盐平衡化学法计算的西南岩溶地区岩溶作用碳汇强度（CSFs）平均值为9.36 t C km-2a-1,碳汇总量（TCS）为6.85×106t。西南地区近40年气候变化对岩溶作用碳汇总量有较强的影响,导致碳汇总量降低了19%。1990年代CSFs达到峰值,为10.4 t C km-2a-1。1990年代之后,CSFs和TCS值极速下降,2010年代达到最低值,为5.5t C km-2a-1。西南地区内CSFs值差异明显,空间上表现出一定程度的梯度变化特性,而CSFs的空间分布主要受控于地区内部气候差异和岩性分布的差异。整个研究期内CSFs降低幅度最大的地区出现在贵州和云南两省,两省40年来CSFs值降低幅度分别为-37%和-32%,同时这两个省份的岩溶地区在1970-2013年间气候变化最为显著。两个省份的气候变化具体表现为温度的升高,40年间分别升高0.33℃和1.04℃,同时年降雨量快速下降,分别降低了156 mm和106 mm。进一步分析后发现,降雨量和径流深的减少是这些地区CSFs下降的最主要原因,两省的碳酸盐岩平衡浓度变化在过去40年内不显著,对CSFs的变化影响较小。（4）本研究发现岩溶作用碳汇对气候变化存在敏感反馈效应,该汇能快速的响应区域的气候变化,与地区的降水和气温有较好的相关性。而降雨与气温则直接控制着岩溶作用碳汇控制因子径流和碳酸盐平衡浓度的大小。近40年来西南地区CSFs的时空分布差异与该地区径流深的时空分布差异基本一致,而岩溶作用碳汇强度与径流深的高度相关则是由于碳酸盐岩风化过程中[HCO3-]的化学稳定性行为的控制,因此地区径流产出是气候变化下岩溶作
耦合水生光合作用的岩溶作用碳汇新模式的提出使得碳酸盐岩的风化过程成为寻找"陆地剩余碳汇"(residual land sink)的新方向。传统意义上,碳酸盐岩风化在全球碳循环模型中被认为是未快速响应地表环境变化的地质过程,然而最新...
详细信息
耦合水生光合作用的岩溶作用碳汇新模式的提出使得碳酸盐岩的风化过程成为寻找"陆地剩余碳汇"(residual land sink)的新方向。传统意义上,碳酸盐岩风化在全球碳循环模型中被认为是未快速响应地表环境变化的地质过程,然而最新一系列研究表明人类土地利用显著改变了这一地质循环过程。文章总结了岩溶作用碳汇对不同土地利用/覆被变化的具体响应,并对其机理进行了系统分析。发现土地利用与覆被变化影响岩溶作用碳循环过程主要源自土壤CO_2浓度和径流量变化以及外源酸(硝酸和硫酸)的介入。证据显示在土地利用对岩溶作用碳汇的调控中土壤CO_2浓度与径流量是复杂且相互制约的两个机制,人类活动产生的外源酸干扰在不同层面上的影响也不同。由于地表水生生态系统所产生的内源有机碳(AOC)的巨大稳碳能力(水生碳泵效应)在以往的研究中并没有与碳酸盐岩风化过程相联系,因而其对土地利用变化的响应过程和机理是岩溶碳循环研究的最新方向。基于土地利用调控碳酸盐岩风化过程的复杂性和多样性特点,综合考虑岩溶作用产生的DIC(溶解无机碳)与AOC在不同土地利用情况下的相互关系以及定量分析各环境因素的具体效应成为了合理制定人为土地利用调控策略的必要前提,也是岩溶作用碳汇研究的未来发展方向。
暂无评论