林 濤，周文龍，朱生亮，江 波，曹 洋

(貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 引言

土壤層是巖溶動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成的重要一環(huán)，是地表各圈層的主要圈層[1]。洞穴上方土壤層CO2是喀斯特動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力，是喀斯特系統(tǒng)的物質(zhì)來(lái)源[2]，是喀斯特環(huán)境的化學(xué)變化基礎(chǔ)成因。

對(duì)貴州省雙河洞上層土壤的CO2濃度進(jìn)行研究，弄清了洞穴上覆土壤CO2濃度的變化趨勢(shì)[3]，對(duì)洞內(nèi)沉積物沉積速度進(jìn)行了闡述。

2 研究區(qū)概況

雙河洞地處貴州綏陽(yáng)縣西北，107°2′30″E～107°25′00″E，28°8′00″N～28°20′00″N。雙河洞洞系長(zhǎng)25.4 km，是亞洲第一長(zhǎng)洞、世界第五[4]，同時(shí)也是世界最長(zhǎng)的白云巖洞穴，世界最大的天青石洞穴[5]。雙河洞地質(zhì)公園處于揚(yáng)子地臺(tái)鳳岡構(gòu)造變形區(qū)，洞穿黃魚(yú)江背斜和土坪向斜[6]；地層為黔北沉積區(qū)，由淺海沉積環(huán)境形成。在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用下，形成NW和NE向褶皺斷裂帶，圍成一個(gè)上升的凸出地塊，產(chǎn)狀向東，地層為奧陶桐梓組(O1t)和中寒武系婁山關(guān)群(∈2-31)白云巖[7]。研究區(qū)山脈以中低山為主，溝谷縱橫，地質(zhì)公園內(nèi)地質(zhì)景觀豐富，有洞穴系統(tǒng)、地下暗河、峰叢峽谷、天坑。研究區(qū)屬于區(qū)內(nèi)氣候?qū)儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，氣候差異顯著。洞內(nèi)環(huán)境條件優(yōu)秀，空氣中二氧化碳含量一般在(350～400)×10-6，溫度一般常年恒定在13～15 ℃，濕度85%～98%[8]。大風(fēng)洞是雙河洞洞系的主要洞穴，作為一個(gè)旱洞洞道寬闊集中、水平平坦，洞道向南發(fā)育，向南逐漸變得寬闊[9]。碳酸鈣沉積景觀發(fā)育，石柱、石筍、石鐘乳、發(fā)育水平好，盡頭處和地下河連接[10]。

3 數(shù)據(jù)采集與處理方法

2020～2021年，在大風(fēng)洞上層4個(gè)深度(-25 cm、-50 cm、-75 cm和-100 cm)，進(jìn)行了土壤CO2每周1次的監(jiān)測(cè)(圖1)。

土壤CO2監(jiān)測(cè)使用科爾諾GT-903泵吸式二氧化碳檢測(cè)儀，分辨率1×10-6,檢測(cè)精度為≤±3%，線性誤差為≤±1%，響應(yīng)時(shí)間≤20 s。洞外降水和溫度數(shù)據(jù)來(lái)自綏陽(yáng)縣氣象局，洞內(nèi)溫度采用中科能慧NHQXZ602Kestrel-4500型便攜式氣象站監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 降雨量及洞內(nèi)外溫度變化

4 洞穴上層土壤CO2濃度月變化記錄

洞穴上層土壤CO2濃度變化受降水、氣溫、植物根系生長(zhǎng)、有機(jī)物分解、土壤微生物因素影響[11]。通過(guò)對(duì)大風(fēng)洞上層4處土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)12個(gè)月監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2。

圖2 不同深度土壤CO2濃度變化

大風(fēng)洞土壤CO2呈現(xiàn)顯著季節(jié)變化，夏季高，冬季低，伴隨土溫和降雨量增加，有機(jī)物分解加速，微生物和植物生長(zhǎng)作用增強(qiáng)[12]，土壤CO2濃度升高。時(shí)間變化表現(xiàn)為：春季CO2濃度增加[13]，增加較緩慢。夏季6月和8月CO2濃度增大，夏季7月和9月CO2濃度降低。秋季10月CO2濃度達(dá)到高值后CO2濃度開(kāi)始降低,11月份之后土壤CO2濃度明顯降低。春季1～5月的變化原因是：雖然氣溫上升，但由于降水少，所以微生物活動(dòng)、根系呼吸作用減弱。夏季7月和9月是因?yàn)榻邓伲覛鉁馗?，土壤水蒸發(fā)作用加強(qiáng)，土壤干燥，空氣流通好，CO2濃度降低。秋季9月，CO2濃度在0.5～2.9vol%間變化，CO2濃度組建降低。如圖2所示，從各點(diǎn)不同土壤深度的CO2濃度可得到數(shù)據(jù)，1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2濃度在-25 cm、-50 cm、-75 cm、-100 cm分別為2.5vol%、2.38vol%、2.31vol%和1.75vol%，濃度由大到?。?25 cm>-50 cm>-75 cm>-100 cm。因?yàn)?#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于樹(shù)林，土壤水分多，根系和微生物影響不強(qiáng)[14],CO2隨著深度增加而降低。2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在-25 cm、-50 cm、-75 cm和-100 cm處CO2濃度為1.76vol%、2.3vol%、2.1vol%和2.05vol%；3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為1.6vol%、1.4vol%、1.89vol%和0.88vol%；4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為0.99vol%、0.93vol%、1.23vol%和1.19vol%，除1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其余3處土壤 CO2濃度總體變化趨勢(shì)均為-25 cm>-50 cm>-75 cm>-100 cm。大風(fēng)洞上覆土壤2#、3#和4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2濃度大趨勢(shì)上具有雙向梯度變化，原因是土壤上層的徑流層分布的關(guān)系[15]。第二不同土壤測(cè)點(diǎn)CO2濃度有明顯差異，從圖2來(lái)看，1#、2#、3#和4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)上覆土壤層CO2濃度隨深度增大而減小，因?yàn)閹r溶區(qū)底層土層致密且基巖成分較多，土壤CO2和空氣交換較少。隨著土壤深度增大，然而到達(dá)一定深度時(shí)，微生物和植物根系減少，土壤結(jié)構(gòu)變得更加緊密，CO2濃度就漸漸降低；土壤水蒸發(fā)也隨之減少，土壤粘性變大，氣體頻率下降，植物根系呼吸和土壤微生物作用釋放的CO2只在土壤淺層累積，使得CO2隨土壤深度增大而減小。不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2濃度具有差異的原因是有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于松樹(shù)林，有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于灌叢，松林壤的CO2濃度高于灌叢壤。

5 結(jié)論

大風(fēng)洞上層土壤CO2濃度有顯著季節(jié)差異：夏秋季高，冬春季低。CO2濃度隨取樣深度增加而增加。因?yàn)榻邓?、氣溫、土壤微生物、有機(jī)物分解、植物根系呼吸和大氣輸入的作用，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2濃度具有顯著的差異性。