朱 輝，曾 成，劉再華，曾慶睿，4，李玲瓏，4

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北武漢 430074;2.中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室，貴州貴陽 550081;3.中國科學院地球化學研究所，貴州省科技廳普定喀斯特研究綜合試驗站，貴州普定 562100;4.中國科學院大學，北京 100049)

巖溶地區(qū)擁有世界陸地面積的15%，即約2 200×104km2，居住著約十億人口［1］，我國碳酸鹽巖的出露面積約為91×104km2，加上已知的隱伏于不同深度的碳酸鹽巖，其總分布面積可達340×104km2以上［2］。巖溶動力系統(tǒng)受巖溶環(huán)境控制，對環(huán)境十分敏感，并且因為碳酸鹽溶解的快速動力學，巖溶作用積極參與全球碳循環(huán)［3］。

表層巖溶水對于解決西南巖溶山區(qū)居民的干旱缺水問題具有重要意義［4］，因此定量評價氣候變化和土地利用變化對巖溶水循環(huán)過程的影響意義重大，其次已有學者發(fā)現(xiàn)土地利用能顯著干擾巖溶作用碳匯的自然過程并取得了大量的成果［5～8］。在2007年國家啟動了巖溶區(qū)石漠化綜合治理工程并覆蓋中國南方近100×104km2國土面積的背景下［9］，巖溶系統(tǒng)的水資源安全問題和石漠化治理后的巖溶作用碳匯評價問題顯得十分重要，而且闡明氣候和土地利用變化如何控制巖溶作用碳匯過程，可以為未來可能實施的土地利用調(diào)控巖溶作用碳匯提供科學支撐。

在研究巖溶水系統(tǒng)的水-碳通量的問題時，主要從系統(tǒng)中的水循環(huán)和以水為遷移載體的碳循環(huán)兩個角度考慮。傳統(tǒng)方法主要是利用天然巖溶系統(tǒng)，在野外尋找?guī)r溶水系統(tǒng)并在其排泄區(qū)建立監(jiān)測站點，觀察水化學和流量變化并通過水化學徑流法得到一系列的結(jié)果，但是在研究過程中存在許多難以回避的問題，例如流域邊界通常難以確定;大部分天然巖溶水系統(tǒng)是非全排型的(流量計算有誤差);土地利用類型混雜在一個流域，難以區(qū)分各自的影響。另外，存在含水介質(zhì)等干擾條件，因此不能定量、精確地評價單一土地利用對巖溶碳匯的影響。但是如果人為地控制各種條件，例如使得流域邊界、排泄類型、土地利用方式等保持確定性，就可以使得問題的求解變得簡單化。

曾成等［10］提出了建設(shè)大型水碳通量模擬試驗場的設(shè)想，在試驗場建設(shè)完成一年后，本文將總結(jié)試驗場土地利用對巖溶系統(tǒng)水-碳通量調(diào)控的初步觀測結(jié)果和新發(fā)現(xiàn)。

1 巖溶作用碳匯通量的傳統(tǒng)研究方法、問題與解決方案

傳統(tǒng)方法研究巖溶作用碳匯通量主要是通過水化學徑流法和溶蝕試片法［3，5，8］進行。

在水化學徑流法中，巖溶作用碳匯通量主要與流量和［DIC］的乘積成正比，與流域面積成反比。雖然計算形式比較簡單，但是流域面積和流量確定對于巖溶地區(qū)是難以獲得的兩個參數(shù)，通常需要大量的示蹤實驗和流量觀測。

溶蝕試片法是利用統(tǒng)一制作的標準碳酸鹽巖試片放置于空中、土壤表面和土壤不同深度，一定時間后取出并稱重，通過試片質(zhì)量的減少量判斷巖溶作用強度。雖然溶蝕試片法簡單易行，但是由于巖溶土壤的異質(zhì)性，該方法代表性較差，需要埋放大量試片。此外，因為土壤中碳酸鹽的存在，具有侵蝕性的雨水到達試片時侵蝕性已經(jīng)大大降低，甚至不具有侵蝕性［11］，因此該方法不適用于碳酸鹽豐富的干旱地區(qū)中，或存在碳酸鹽巖碎屑的濕潤地區(qū)。

鑒于上面兩種方法不具有普遍應(yīng)用性，劉再華研究員在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出巖溶作用及其碳匯強度計算的“入滲—平衡化學法”［12］。該方法是利用碳酸鹽快速的溶解動力學特征，即只要知道相關(guān)地區(qū)的基本氣候資料，如溫度、降水、蒸發(fā)、蒸騰等數(shù)據(jù)即可算出該地區(qū)的巖溶作用及其碳匯強度。

1.1 野外巖溶作用碳匯通量研究中遇到的問題

土壤在巖溶作用與巖溶生態(tài)系統(tǒng)中扮演著極其重要的角色，是CO2的重要發(fā)生源［13］，土壤有機質(zhì)和土壤微生物對碳酸鹽巖溶蝕具明顯的促進作用，植被的存在無疑會改變土壤的物理化學性質(zhì)，因此土地利用變化對巖溶作用碳匯有重要影響。土地利用方式的改變將導(dǎo)致覆被類型的變化，包括森林轉(zhuǎn)換為草地或農(nóng)田、草地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田以及退耕還林草等［14］。

表層巖溶帶處于四大圈層的交匯帶，碳—水—鈣循環(huán)活躍，溶蝕和沉積化學反應(yīng)都比較迅速，巖溶作用強烈而且對環(huán)境變化具有敏感性，表層巖溶帶快速地巖溶過程以及對環(huán)境變化的敏感性賦存大量短時間尺度的環(huán)境變化信息，并且表層巖溶帶的水資源調(diào)蓄功能是未來重點研究方向之一，因此表層巖溶帶成為了研究氣候變化和土地利用對巖溶水-碳通量影響的重點。

在運用水化學-徑流法進行巖溶水-碳通量研究中，前人主要選擇野外巖溶系統(tǒng)排泄處作為監(jiān)測點，以具有不同土地利用類型的表層巖溶泉系統(tǒng)為水文水化學監(jiān)測對象，開展相應(yīng)的水文地質(zhì)調(diào)查工作以獲取流域面積信息，研究氣候和土地利用對巖溶水系統(tǒng)水資源量和水中溶解無機碳濃度的影響。但不同尺度巖溶水系統(tǒng)和不同巖溶水系統(tǒng)之間的水文地質(zhì)參數(shù)和氣候環(huán)境參數(shù)之間有很大差異。例如:巖溶水流系統(tǒng)因其特殊性，在不同降雨強度條件下其系統(tǒng)邊界可能發(fā)生變化，而巖溶含水系統(tǒng)因其面積尺度較大，常會帶來局部小氣候、土地利用多樣、含水層介質(zhì)種類多樣等問題，系統(tǒng)水量也難以把握(常為非全排型)。以上因素會對定量評價工作帶來很大影響。

1.2 解決方案及試驗場建設(shè)情況

鑒于野外巖溶系統(tǒng)存在很多難以克服的問題，曾成等［10］提出了巖溶水-碳通量大型模擬試驗場的構(gòu)想，以控制變量法為主體思想，通過人為控制水文地質(zhì)條件，排除其它干擾因素，突出氣候變化和土地利用作用，從而定量研究氣候變化和土地利用對巖溶水-碳通量的控制作用。

實際建設(shè)過程中，在貴州省安順市普定縣沙灣建設(shè)了5塊20 m×5 m×3 m(長寬高)鋼混結(jié)構(gòu)的水池模擬系統(tǒng)邊界，池體表面涂抹環(huán)氧樹脂并鋪設(shè)HDPE膜使邊界隔水(材料不會與地下水發(fā)生反應(yīng))，采集普定縣陳旗的中三疊關(guān)嶺組石灰?guī)r模擬巖溶含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)(因成本原因，試驗使用碎石，未能模擬管道流)，水池(裸巖地除外)石灰?guī)r上部鋪設(shè)50 cm厚石灰土(模擬石漠化治理后的坡耕地)并種植不同種類植物，設(shè)置水文及土壤CO2觀測孔，鋪設(shè)排水管網(wǎng)以模擬表層巖溶泉出流，從而開展不同土地利用(裸巖地、荒地、農(nóng)耕地、草地和灌木地)對巖溶水-碳通量影響的試驗研究(圖1、2)。

試驗場1號池為裸巖地，未覆蓋土壤，2號池到5號池的土地利用類型依次為荒地、農(nóng)耕地、草地和灌木地。2014年1月在5號灌木地扦插刺梨苗并在4號池播撒紫花苜蓿種子，3月份補撒紫花苜蓿種子并在3號池種植玉米并撒化肥，5月份補種玉米，7月份在農(nóng)耕地套種青豆。

圖1 普定巖溶水-碳通量模擬試驗場模型平面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Plane structure of the Puding test site

2 模擬試驗場運行情況

2.1 測試方法

(1)采用Eureka公司Manta2 Sub2.0型多參數(shù)水質(zhì)自動記錄儀，分別監(jiān)測出口斷面水位、電導(dǎo)率、pH和水溫，監(jiān)測頻率為1次/15 min，其精度分別為0.01 m、0.1μS/cm、0.01和0.1℃，電導(dǎo)率為由溫度自動補償至25℃時的值。

(2)利用WTW公司W(wǎng)TW-3430型水質(zhì)測試儀，分別測定出口斷面電導(dǎo)率、pH和水溫，其精度分別為0.1μS/cm、0.01和0.1℃，電導(dǎo)率為由溫度自動補償至25℃時的值。

(3)采用Davis公司W(wǎng)eatherlinkVantage Pro2型氣象站，測定試驗場的氣象數(shù)據(jù)，并輔以人工記錄數(shù)據(jù)交叉對比。測定氣溫和降雨等數(shù)據(jù)，監(jiān)測頻率為1次/30 min，其精度分別為0.1℃和0.2 mm。

(4)采用VAISALA公司VAISALA MI70型手持式土壤CO2測定儀，測定不同土地利用條件下土壤CO2的變化情況。測定頻率為1次/月，其精度為10ppmV。

(5)現(xiàn)場滴定，采用Merck公司Aquamerck堿、硬度測試盒測定HCO3-和Ca2+濃度，精度分別為0.1 mmol/L(6.1 mg/L)和2 mg/L。

2.2 流量控制

由于巖溶作用碳匯強度CSF與流量Q和重碳酸根濃度［HCO-3］的乘積成正比，為定量評價各系統(tǒng)碳匯通量，流量需要精確獲得，原先的設(shè)想是使用水閥控制流量、流量計記錄流量，這就要求在試驗場運行之前計算出設(shè)計流量，以保障全年不斷流。

試驗場集雨面積為100 m2(5 m×20 m)，平均年降水量約為1500 mm，按入滲系數(shù)0.4計，則年平均流量約為1.9 mL/s(6.849L/h)，考慮到旱季和雨季差異，旱季流量還要更低。

在實際操作過程中因精度問題，水閥和流量計讀數(shù)誤差較大，根據(jù)黃儒欽等編著的《水力學教程》［15］中的長管水力公式(式1)，設(shè)計出利用水位差控制流量的裝置(圖3)。

式中:Q——流量/(m3·s-1)

λ——阻力系數(shù);

A——出水管面積/(m2);

g——重力加速度/(m·s-2);

ΔH——水位差/cm。

由式(1)可知，流量Q與水位差ΔH平方根成正比，實際測算過程中，流量與水位差有良好的相關(guān)性(圖4)，通過水池內(nèi)的自動水位計可以推算出水位差，進而可以高分辨率地得出流量值Q。

圖3 試驗場流量控制裝置Fig.3 Water flow-control device of the test site

圖4 水池流量與水位差關(guān)系Fig.4 Relationship between discharge and water level difference

2.3 ［HCO-3］的獲取

以往研究中發(fā)現(xiàn)，巖溶水的［HCO-3］常常與電導(dǎo)率之間有良好的相關(guān)性，對降雨的響應(yīng)也比較明顯。設(shè)想利用儀器高分辨率地監(jiān)測水化學數(shù)據(jù)，并且以此為基礎(chǔ)高分辨率地得到［HCO-3］的相關(guān)數(shù)據(jù)，最終使碳通量的精確計算得以實現(xiàn)。

但在試驗場的實際運行階段發(fā)現(xiàn)，因為水池水位較高，蓄水較多，上覆土層較厚，即使在暴雨期間，電導(dǎo)率也無明顯變化，一方面反映各模擬系統(tǒng)對水化學具有較大的調(diào)蓄功能，另一方面與所謂的水化學恒定行為有關(guān)［16］，即水化學濃度變化幅度遠小于流量的變化幅度，故通過電導(dǎo)率推算［HCO-3］值也顯得比較困難(精度較差)。最后通過高頻率定期人工現(xiàn)場滴定［HCO3-］作為巖溶作用碳匯通量計算依據(jù)。

圖5 2014年［HCO3-］變化圖Fig.5 Variations in concentration of HCO3-in 2014

3 結(jié)果與分析

由圖5可以看出當草地、灌叢和耕地在6月份達到相當?shù)纳锪亢?，［HCO3-］從大到小依次為草地、灌叢地、農(nóng)耕地、荒地及裸巖地。由于草地生長茂密，生物量最大，根系呼吸產(chǎn)生的CO2量也最多，因此模擬的泉出口HCO3-濃度最高。灌叢地和農(nóng)耕地因為植株之間間隔較大，總的生物量相對于草地較少，HCO3-濃度也較低?；牡責o植被但因為土壤微生物的作用其HCO3-濃度相對于裸巖地偏高。

因為試驗場運行初期需要種植植物及調(diào)試，試驗場正式運作從2014年8月中旬開始，在以后的四個月里，記錄了水位、流量和降雨量的變化情況，以此為基礎(chǔ)，計算這一段時間的各土地利用條件下的降雨入滲系數(shù)(表1)。

表1 試驗場各土地利用條件下的入滲系數(shù)(2014.8—2014.12)Table 1 Infiltration coefficient of precipitation under different land uses

總體來說，除了4號草地以外，各土地利用條件下的降雨入滲補給系數(shù)α偏大，這是因為試驗場模擬的土地其坡度為0，很難出現(xiàn)坡面產(chǎn)流的現(xiàn)象，相應(yīng)地，入滲到巖溶含水層的水量就會偏大，最終導(dǎo)致降雨入滲補給系數(shù)大于一般巖溶水系統(tǒng)。由表1可以看出，入滲系數(shù)從大到小分別為裸巖地、荒地、灌木地、農(nóng)耕地和草地。其中裸巖地因雨水可以快速入滲，其入滲系數(shù)可達0.8以上;荒地因其無植被覆蓋，入滲系數(shù)較農(nóng)耕地和灌木地較大;草地因其生物量最大，植物散發(fā)最高，同時降雨期截留雨水較多，其入滲系數(shù)僅有0.309。雖然本次降雨入滲系數(shù)的測算時間長度未達一個水文年，但仍可看出不同土地利用類型之間入滲系數(shù)差異極大。

根據(jù)得到的［HCO-3］數(shù)據(jù)、入滲系數(shù)和降雨量對各土地利用條件下的碳匯強度進行了估算，結(jié)果見表2。

式中:CSF——碳匯強度/(t·km-2a-1)(以純C計);

H——年徑流深/(m·a-1);

C——HCO3﹣濃度/(mmol·L-1);

12——C的分子量;

0.5——碳酸鹽礦物溶解形成的HCO3中只有一半是大氣(土壤)成因的碳。

表2 試驗場各土地利用條件下巖溶作用碳匯通量估算Table 2 Estimation of karst-related carbon sink flux at the Puding Simulation Test Site under different land uses

由表2可以看出，在試驗場尺度內(nèi)，碳匯強度主要由徑流強度控制，1號裸巖地雖然［HCO-3］最低，但因其降雨幾乎全部入滲，其總的碳匯強度在五種土地利用類型中最高;4號草地雖然生物量最大，泉口［HCO-3］也最高，但因其入滲系數(shù)最低，其總的巖溶作用碳匯強度反而最低。因此，在大的流域尺度內(nèi)，草地內(nèi)是否有局部小氣候效應(yīng)帶來碳匯強度增加需要進一步的工作。

4 結(jié)論與建議

(1)水-碳通量模擬試驗場能夠精準測定土地利用條件對巖溶系統(tǒng)水資源量的影響。

(2)土地利用類型通過對土壤CO2量和徑流強度控制巖溶作用碳匯強度，在試驗場尺度內(nèi)，徑流因素更重要。

(3)植被的存在不僅會通過增加生物量帶來增匯效應(yīng)，還會通過降低水循環(huán)強度帶來減匯效應(yīng)。在試驗場尺度內(nèi)，水循環(huán)強度因子占據(jù)主導(dǎo)作用。但從試驗場尺度擴大到流域尺度時，局部小氣候?qū)е碌脑鰠R效應(yīng)是否存在還需做進一步的工作和驗證。

受客觀條件限制，本研究時間尺度較短，觀察試驗場的年際變化需進一步的研究。

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