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岩溶动力系统作为一个脆弱的生态系统,受制于岩溶环境,它一方面的变化可能导致其他方面一连串的、不成比例的巨大变化。碳酸盐岩作为地球上最大的无机碳库,其对全球变化的响应是目前科学界关心的一个重要问题。而岩溶地下水系统作为岩溶生态系统的一项脆弱因子是碳酸盐岩地区对外界气候和环境变化最敏感的介质,对土地利用变化有着少有的敏感性。因此,认识不同土地利用下的岩溶作用碳汇能力是认识碳酸盐岩无机碳库对全球变化响应的前提和基础。
本研究选取湿亚热带岩溶动力系统中不同土地利用条件下的荔波的板寨地下河流域和普定的陈旗、灯盏河泉域作为研究对象,以岩溶作用碳循环作为研究主线,于2007年9月至2009年9月对研究点地下河(泉)进行了两个完整水文年的自动监测和采样,对主要的水文和水化学特征、DIC同位素(δ13CDIC)组成、氧同位素(δ18O)以及碳汇大小进行了定量分析,深入探讨了不同土地利用条件对岩溶地下水碳循环的影响,获得以下几点重要的认识:
1、岩溶水系统中不同的土地利用类型及土地利用分布格局对岩溶水化学指标变化有着重要影响。不同的土地利用类型会使岩溶水的CO2分压、HCO3-、pH值与方解石饱和指数发生改变；同一地区,在不同的土地利用分布格局下,岩溶水的物理化学指标的季节和暴雨动态变化呈现明显的差异性。比较板寨地下河和陈旗、灯盏河泉水的CO2分压(Pco2)可以发现,板寨地下河Pco2低于陈旗、灯盏河；而同一研究区不同土地利用分布格局下的灯盏河Pco2和HCO3-比陈旗低,说明土壤环境中存在的CO2是岩溶水对碳酸盐岩具有侵蚀性的主要因为,也是岩溶水HCO3-离子的重要来源。板寨流域森林植被虽好,但土壤分布零星且薄,表层土壤疏松,植物根呼吸产生的CO2能很快通过气体扩散的方式释放到空气中,而陈旗、灯盏河土壤分布较广,有利于CO2在土壤中的累积。
2、比较陈旗和灯盏河泉域两个观测点暴雨效应变化发现,不同土地利用方式对于泉水pH和Pco2的升降有着较大的影响。暴雨时,陈旗泉域排泄区由于土壤大面积裸露,导致陈旗地表径流冲刷作用较强,溶解了土壤中大量的碳酸盐岩角砾造成暴雨后pH上升、Pco2降低的反常现象。
3、不同土地利用条件导致其下岩溶水体的DIC浓度发生变化,板寨和灯盏河地下水DIC的含量雨季明显低于旱季,陈旗相反,旱季DIC含量低于雨季。结合溶解无机碳碳同位素组成(δ13CDIC)的特征值发现,夏季由于生物量的增加,δ13CDIC值较冬季偏轻1‰～29/oo。而对于不同土地利用而言,石漠化影响下的地下水的δ13CDIC较原始森林下的地下水偏重2.5‰～3.0‰,且随着石漠化的发展,土壤的进一步流失,地下水δ13CDIC进一步偏重,反映了石漠化后生物量比例减少和大气成因CO2比例增加对地下水δ13CDIC升高的影响。δ13CDCc较低及δ13CDIC值与DIC呈负相关关系,则可能反映土质为主石漠化条件,如陈旗泉域,而δ13CDIC较高及δ13CDIC值与DIC呈正相关关系,则可能指示石质为主石漠化条件,如灯盏河泉域。可见,δ13CDIC值可用于岩溶石漠化过程的示踪。
4、不同土地利用条件下的岩溶作用碳汇能力差异极为显著。平均碳汇能力分别为陈旗:19.51t·km-2·a-1；灯盏河:16.19 t·km-2·a-1；板寨:7.71t·km-2·a-1,故碳汇能力为陈旗>灯盏河>板寨。可见,虽然板寨为原始森林环境,但是其为裸岩环境,土层较薄且分布不连续,生物活动所产生的CO2易扩散到大气中,导致其碳汇能力降低；而陈旗与灯盏河虽为岩溶石漠化地区,但其旱地和水田大量分布,生物作用产生的CO2易保存于土下,积极参与岩溶作用,故碳汇能力较强,说明土壤在岩溶作用碳循环中的重要作用。
这些认识为我们理解和评价不同土地利用对岩溶作用碳汇的影响提供了理论依据,也为下一步实施土地利用调控岩溶作用碳汇工程提供了重要的科学支撑。