岩溶土壤中co2 浓度, 水化学观测及其与岩溶作用关系

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1、第16卷第4期中国岩溶Vol.16No.41997年12月CARSOLOGICASINICADec.1997岩溶土壤中CO2浓度、水化学观测X及其与岩溶作用关系何师意徐胜友张美良(地矿部岩溶地质研究所,桂林541004)摘要本研究选择了具有我国南方岩溶石山地区特点的桂林丫吉村试验场为研究场区,对其岩溶土壤的CO2浓度变化、岩溶泉水和土壤水水化学指标、石灰岩的溶蚀作用进行了定位长期观测。观测结果显示:(1)土壤CO2浓度的季节变化在泉水和土壤水水化学上均能反映出来;(2)两个土壤剖面的石灰岩溶蚀试验结果均表明,溶蚀强度随不同土壤深度的CO2浓度的变化基本是一致的,但土壤水分的差异会造成

2、溶蚀强度的正叠加;(3)两个土壤剖面由于所处小环境、土壤结构和与下垫面灰岩关系不同,使得其中CO2浓度历月变化特征有一定差异。关键词岩溶土壤CO2水化学溶蚀作用岩溶作用是在CO2—水—岩石三相不平衡开放系统中进行的,是碳、水、钙循环相互耦联[1]的过程。通过对岩溶系统中碳循环的跟踪研究发现:多数情况下,在我国南方岩溶区,参与岩溶作用的CO2属于土壤中生物成因。因此,在湿热环境下,土壤中CO2是岩溶作用的重要物质来源之一,在岩溶动力系统中起着驱动力的作用。土壤的水分既参与岩溶作用过程,又对土壤本身的形成及演化有重要意义。碳酸盐岩上都不同程度地覆盖着土壤,尤其是岩溶洼地底部、边坡及垭口部

3、位。它的存在,使得大气降水与碳酸盐岩之间形成一个“过滤层”,赋予岩溶作用过程更广阔的时间和空间。1研究区概况研究区位于桂林市东郊约9km的桂林岩溶水文地质试验场,地貌上处于峰丛洼地和峰林平原交界地带,属亚热带典型的岩溶石山地区,多年平均气温1818℃,年平均降雨量为1915mm,年平均蒸发量137813mm,降雨85%以上集中在每年的4～8月。区内分布上泥盆统X受地矿部岩溶动力学开放研究实验室资助。第一作者简介:何师意,男,1966年生,助理研究员,1987年毕业于浙江大学地球化学专业。通讯地址:桂林市七星路40号。©1994-2009ChinaAcademicJournalElec

4、tronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net320中国岩溶1997年融县组(D3r),灰岩质纯,局部有页岩夹层。第四系主要是残坡积层,以灰褐、黄褐色砂质粘土为主,分布在西部峰林平原及峰丛洼地底部。场区土壤分布不均匀,厚度在0～5m之间,土壤覆[2]盖率约为30%。不同地貌部位的土壤类型及化学成分上差别较大,靠近峰林平原一侧逐渐由褐色石灰土向砂质粘土过渡,而在峰丛洼地主要分布褐色石灰土及腐殖层。场区植被以灌丛和草本占绝对优势,因当地居民不再以木材为主要燃料,植被逐渐得到恢复。2观测方法和内容在较为潮湿的旱季下,我

5、们可以发现:被土层覆盖的碳酸盐岩表面平滑,裸露的碳酸盐岩表面有许多尖锐溶痕。石灰岩溶蚀观测试验结果已对这一现象作了定量描[3]述,土层下石灰岩试片的溶蚀量一般较地面及空中的高,这与土层中生物呼吸作用产生大量CO2气体(浓度4一般在3000～n×10ppm)有关,而大气中CO2浓度仅为350ppm。由此可见,由于土壤及其中的大量CO2存在,极大地加强了岩溶作用强度。对土壤水水化学和CO2浓度动态的定位观测研究,是我们进一步认识整个岩溶动力系统的重要环节。土壤的存在,至少对岩溶作用过程图1CO2收集装置示意图有如下重要贡献:不断提供CO2气体;保持水分,延长水Fig.1SketchofC

6、O2collector岩相互作用时间;调节水的理化性质,影响岩溶作用强A:水平插入土层部分;B:引至地面部度;提供“外源”的有机酸,加快岩溶作用进程等。基于土分;1.通气孔;2.防堵网;3.橡皮管;壤的上述重要意义,我们选择了能代表南方岩溶石山地4.软导管;5.硬护管区的丫吉试验场,建立野外定位观测系统。观测方法和内容主要包括:(1)选择不同环境类型,开挖土壤剖面,在不同土壤深度及岩—土界面上安装CO2收集装置(结构如图1)和石灰岩溶蚀试片,每月用GASTEC-CO2测定仪测量各层CO2浓度1～2次,并将之与年溶蚀试片结果作对比分析。在本研究中,设立了两个土壤剖面(图2)。其[2]一

7、为FOOT剖面,位于峰丛洼地和峰林平原交接部位,土壤化学成分相对较低,代表存在长时间的淋滤作用,为相对成熟土壤,剖面深313m,未遇下部基岩,共等分11层安装CO2收集器和溶蚀试片。其二为TOP剖面,位于1号洼地边坡(山腰)部位,剖面深117m,已揭露下部基岩,共分5层安装CO2收集器和溶蚀试片。(2)分别在S55、S54、S25等表生岩溶泉、土壤A层(-20cm)和B层(-50cm)安装土壤水收集器(Lysmeter),用野外便携式仪器测量其水化学指标。