岩溶地表水生系统不同季节的水化学昼夜变化特征及碳汇效应的研究--以重庆丰都雪玉洞流域地下水补给的水池为例.pdf 13页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn岩溶地表水生系统不同季节的水化学昼夜变化特征及碳汇效应的研究——以重庆丰#都雪玉洞流域地下水补给的水池为例**5胡刘婵，张远瞩（岩溶环境重庆市重点实验室西南大学地理科学学院，重庆400715）摘要：大气CO2浓度的不断上升，正对全球气候变化产生着十分重要的影响，碳循环问题受到来自科学界越来越多的关注。从地球系统科学的角度出发，将水圈、岩石圈和生物圈结10合起来考虑，岩溶地质作用产生的溶解无机碳（DIC）最终通过河流或湖泊中的水生植物的光合作用利用，最终形成有机质被埋藏于海底。本文研究选取位于重庆市丰都县的雪玉洞地下河流域为研究对象，利用美国HACH公司生产的MS-5多参数水质在线记录仪对研究区地下水以及地下水转变为地表水后两者的常规水化学特征指标进行为期一年的连续监测（2013年1月～2013年12月）。选取一年内四个季节具有代表性的月份（1月、4月、715月、11月）分别做四次时长为36至72小时不等的野外昼夜监测实验，以说明不同季节水2+生植物光合作用对岩溶碳循环影响的差异，并算出脱气作用和光合作用对地下水Ca和DIC的影响量。结果表明，不同季节，岩溶地表水生系统的水化学指标都有明显的昼夜变化；水生植物利用水中的DIC的效率不同，夏季利用效率最高，达135.06kg/day，其次是春季、冬季和秋季，依次是10.03kg/day、8.75kg/day和7.17kg/day。这部分损失的无机碳被植物吸收20后转变为有机碳，在岩溶系统中可构成自然界中长时间尺度的碳汇。关键词：岩溶地表水生系统；水化学；昼夜变化；碳汇效应中图分类号：P34525Theresearchoftypicalkarstsurfacewaterchemicalcharacteristicsofdiurnalvariationandcarbonsequestrationindifferentseasons-Acasestudyfromakarstspring-fedpoolofXueyuwatershedinFengdou,ChongqingHULiuchan,ZHANGYuanzhu30(ChongqingKeyLaboratoryofKarstEnvironment&SchoolofGeographicalSciences,SouthwestUniversity,Chongqing400715)Abstract:AstheatmosphericCO2concentrationisrisingcontinuously,ithasveryimportantinfluenceonglobalclimatechange,andcarboncycleissuehasreceivedmoreandmoreattentionfromthescientificcommunity.Recentresearchshowsthat,ifstartingfromtheangleoftheEarthSystem35Science,takethehydrosphere,lithosphereandbiosphereintoconsiderationtogether,dissolvedinorganiccarbon(DIC)derivedfromkarstgeologicalwillbeusedbyriversorlakes′aquaticplantphotosynthesis,anditwillfinallyformtheorganicmatterandburiedintheseabed.TheresearchselectedXueyucaveundergroundriverbasin,whichislocatedinFengdu,Chongqingastheresearchobject.WeuseMS-5multiparameterwaterqualityonlinerecorderwhichproducedbyUSAHACH40companytomonitorroutinehydrochemistrycharacteristicindexofgroundwaterandsurfacewaterforcontinuousmonitoringforaperiodofoneyear(JanuarytoDecemberof2013),andthencomparingboth.WeSelectedrepresentativemonthsoffourseasonsinayear(January,April,July,November)todofourtimesdielmonitoringforthelengthof36to72hoursoffieldmonitoringexperimenttofindoutthedifferencebetweendayandnight,andtheinfluenceofaquaticplantphotosynthesisonkarstcarbon45cycleindifferentseasons.Theresultsshowthatthechemistryindictorsofkarstgroundwaterhave基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20130182110017）作者简介：胡刘婵（1990-），女，硕士研究生，研究方向：岩溶环境学通信联系人：张远瞩(1972-),博士生讲师,主要研究方向:岩溶环境学,水文学.E-mail:185586996@qq.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnobviousdiurnalvariation.AquaticplantefficiencyofusingDICinwaterarealsodifferent.Accordingtocalculation,wefoundthat:thesummeruseefficiencyisthehighest,reachedto135.06kg/day,followedbyspring,autumnandwinter,theyare10.03kg/day,kg/dayand7.17kg/day8.75respectively.Thelossofthispartinorganiccarbonwilltransformintoorganiccarbonbytheplantabsorption,inthe50karstsystemitcanformalongtimescalenaturecarbonsequestration.Keywords:Karstspring-fedpool;waterchemicalcharacteristics;diurnalvariation;netcarbonsinkeffect0引言全球大气CO2浓度正在逐渐升高，从工业革命前的280ppm升高到2012年的393ppm，55目前的CO2浓度与工业革命之前的相比，增加了100多ppm，最直接的后果就是导致全球气候变暖以及全球范围内极端气候事件的频发。同时，由于化石燃料的使用及森林的破坏，大气中温室气体浓度正以平均1.5ppm/年的速率逐年增加，因此，全球碳循环正式成为国际科学界关注的热点。然而，当前人们对碳循环的研究主要集中在气候变化与大气圈、土壤圈、水圈和生物圈60的相互作用。而忽略了地质作用所驱动的碳循环与全球变化之间的相互作用与影响。因此，[1]当前全球碳循环研究的热点是寻找遗漏汇。全球大气的CO2的收支不平衡，有一个很大的[2]差值，称为遗漏汇（missingsink约为2.8PgC/a）。由于计算模型的基本思路存在忽视地质作用的倾向，它们忽视了地质作用可带来的那一部分碳汇，这些模型受传统的时间观念的约束，设计者都把全球碳循环分为3种时间尺度：长时间尺度（万年到亿年级，由构造运动、65沉积等地质作用产生）；中等时间尺度（千年级，化石燃料的形成等地质作用）；把生态作用（百年级，植物光合作用、呼吸等）划分为快速过程。而把所有的地质作用都列入慢速过[3,4]程。所以就导致当前的碳循环研究更多的集中于大气圈、土壤圈、水圈和生物圈，而忽[2,5-6][7]略了岩石圈，或者只给予低1～2个数量级的通量。最近研究表明，如果从地球系统科学理论和岩溶动力学理论出发，将大气圈、土壤圈、水圈、岩石圈和生物圈结合起来考虑，70岩溶地质作用产生的溶解无机碳（DIC）最终被海洋、河流和湖泊中的水生植物的光合作用[8-10]所消耗，这样岩溶地质作用将形成一个净碳汇过程。地质历史时期，生物的光合作用，使无机CO2被固定为有机碳，使大气中CO2不断减少，而O2不断增加，最终达到一个动态平衡。因此，可以认为植物的光合作用对大气的源汇起着至关重要的作用。在各类碳库中，85[11]碳酸盐岩约为6.1×10亿tC，分别是海洋碳库和世界植被碳库的1694倍和1.1×10倍。碳275酸盐岩在世界上分布的面积达2200万km。刘再华根据全球水循环模型粗略地估算出占全球陆地面积12%的岩溶区产生的总碳汇为0.8242Pgc/a，扣除0.119Pgc/a返回大气中，净碳[12]汇为0.7052Pgc/a，约占人类活动排放CO2总量的10.4%，占遗漏汇的29.4%。由此，地表水生生态系统可以作为寻找遗漏汇的一个重要方向。由此可见，岩溶作用在生物的参与下对全球碳循环有积极的影响，对大气CO2具有固定作用，其产生的碳汇成为遗漏汇的重要80组成部分。深入研究岩溶碳循环与水生植物的关系，寻找水生植物影响岩溶碳循环的机理，对完善全球碳循环模型以及解决遗漏汇问题等具有十分重要的科学意义。本文拟通过对重庆雪玉洞地下河水与地下水出口处的一个生长水生植物的水池，在不同季节的，高时间分辨率的水化学和流量等数据，探讨水生植物光合-呼吸作用对岩溶碳循环的影响机理，分析不同季节水生植物光合-呼吸作用对岩溶碳循的影响的差异，并在此基础2+85上计算出脱气作用与光合作用对Ca、DIC的影响程度。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1研究区概况雪玉洞流域位于重庆丰都县长江南岸一级支流—龙河的下游段峡谷内，北纬29°47′00″，东经107°47′13″，距丰都县新城12KM。雪玉洞所处区域属中亚热带湿润季风气候环境，多年平均气温16.5℃，四季分明。年平均降雨量1072mm左右，降雨主要集中在每年的4-1090月。雪玉洞上覆植被以常绿阔叶林和灌丛为主（图1-1）。洞穴水补给主要来自于大气降水，2雪玉洞流域总面积13.11km。水池（XYD2）内水生植物生长旺盛，经过采集水生植物带回鉴定，水池内生长的水生植物为轮叶黑藻。野外监测点为图1-1中XYD1、XYD2数据监测点。95图1-1雪玉洞流域土地利用图Fig.1-1LandusemapoftheXueYuCavewatershed2材料与方法在雪玉洞地下河中与地下河出口处生长藻类的水池两个监测点（分别为XYD1、XYD2）。100安装MS-5多功能野外自动化监测记录仪（美国HACH公司），利用它自动监测SC、pH值、DO、水位和水温等指标，并设定仪器每隔15min自动测定，精度分别为1μs/cm、0.1个pH单位、0.01mg/l、0.01cm和0.1℃。另外，安装HOBO小型气象站（美国Onset公司生产），观测气温和降雨量，精度分别为0.1℃和0.01mm。使用美国哈希公司生产的MS5多参数水质分析仪现场测定pH值、水温、SC，DO等。105流量数据的获取：通过计算流量与水位的线性关系，得出二者线性回归方程:Q=38.25×水位-1.165，从而获得连续的流量数据。用硬度试剂盒与碱度试剂盒(德国Aquanmerck)现场测定-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2+-水中的Ca、HCO3质量浓度，精度为2mg/L和0.1mmol/L。野外采样方面，用事先清洗过的100mL和10mL高密度聚乙烯塑料瓶采集水样冷藏带回实验室进行分析测试，阴离子在西南大学地理科学学院水环境分析实验室运用瑞士Metrohm公司生产的761CompactIC离110子色谱仪测定，其精度为0.001mg/L。阳离子的水样，在取样后现场加入1:1的HNO3酸化，以保持离子活度，防止金属元素在瓶壁的附着，影响测试结果的准确性。在西南大学地球化学与同位素试验室运用美国Perkin-Elmer公司产Optima-2100DV电感耦合等离子反射光谱仪（ICP-OES）测定，其检出限优于0.001mg/L，相对偏差小于2%。对雪玉洞两个监测点每个季度进行一次时长为36-72小时不等昼夜加密监测；对野外采115集的样品带回实验室，全部样品的实验过程均在西南大学地理科学学院实验室完成。3结果3.1冬季（1月）和夏季（7月）水化学昼夜变化特征分别于2013年1月13日～15日和7月24日～27日在雪玉洞做了时长为48和72小时的昼夜连续采样监测，采样时间间隔为两个小时。同时，将自动监测仪器时间间隔设为15120分钟记录一组水化学数据。监测期间，天气晴朗，云层稳定，无风，无雨。如图3-1所示，冬季XYD1的平均水温为为16.3℃，XYD2平均水温为13.2℃。而夏季XYD1和XYD2平均水温为16.4和19.5。由于洞外地表水更容易受气温的影响，导致冬季水温较洞内的低，夏季则相反。冬季，地下水流量比较低，并且稳定，平均流量约为1.66L/S。地下水监测点（XYD1）125的水体水文化学指标昼夜变化均不明显，主要离子的变化幅度均小于5%，其中水温变幅小于0.1%。而地表水监测点（XYD2）水体的物化特征在监测期间表现出良好的昼夜变化规律。-2+例如：水温、pH值、DO、SIc等在白天升高，而在夜间降低。SpC、HCO3、Ca、和pCO2在白天降低，在夜晚升高。变化幅度分别为0.8℃、1.61mg/L、0.2个pH单位、7μs/cm、414.099ppmv。SIc与pH值、DO的昼夜变化一致，白天升高，夜晚降低，从白天最高的0.698130降至晚上0.423。夏季，地下水监测点（XYD1）的水化学指标都没有明显的昼夜变化，而相比于地下水监测点，池水监测点（XYD2）水体的水化学表现出明显的昼夜动态变化，变化趋势基本与-2+冬季一致，但变化幅度比冬季大。水温、pH值、DO、SIc、SpC、HCO3和Ca的变化幅度分别为1.4℃、2.18mg/L、0.3个pH单位、12μs/cm。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn135(a)(b)图3-1研究区冬季(a)和夏季(b)水化学指标昼夜动态变化图(阴影部分代表黑夜)Fig.3-1Diurnalvariationofthephysic-chemicalindicatorsofthestudyareainwinter(a)andsummer(b)01403.2春季（4月）和秋季（11月）水化学昼夜变化特征分别于2013年4月23日～25日和11月19日～22日在雪玉洞做了时长为48和72小时的昼夜连续采样监测，采样时间间隔为两个小时。春季监测点XYD1的平均水温为16.4℃，0XYD2的平均水温为17.1℃。如图3-2所示，研究区地下水（XYD1）水体的物-化特征没有表现出明显的昼夜动态变化，地下水化学指标比较稳定。而在池水监测点（XYD2），水化145学指标则有较明显的日动态变化。在白天，水温、pH值、DO升高，而在夜晚降低。相反-2+2+地，pCO2、HCO3、Ca、Mg、在白天降低，在夜晚升高，呈现出昼夜变化的规律。水温、DO、pH值、SC、pCO2变化幅度分别为0.8℃、3.76mg/L、0.2、17μs/cm和1241.555ppmv。如图3-2、与其他季节昼夜监测情况类似，秋季，地下水监测点（XYD1）水化学没有明显的昼夜变化，而池水监测点（XYD2）的水化学指标有较明显的昼夜更替的变化，水温、pH2+-150值、DO、pCO2、SC、Ca和HCO3的变化幅度为0.4℃、0.2个pH单位、1.42mg/L、5156.32ppmv、16μs/cm、6mg/L和0.7mmol/L。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn(c)(d)5图3-2研究区春季(c)和秋季(d)水化学指标昼夜动态变化图(阴影部分代表黑夜)155Fig.3-2Diurnalvariationofthephysic-chemicalindicatorsofthestudyareainspring(c)andautumn(d)4讨论4.1昼夜变化的影响因素讨论04.1.1地下水的补给160根据前面四次昼夜监测情况表明，地下河水的流量在每一次监测期间都是比较稳定且没有明显的昼夜变化的。因此，基本可以说明由于地下水水化学的变化导致池水的水化学的昼5夜变化的可能性不大。4.1.2水温0白昼与夜晚，水温具有明显的升高降低的变化，因此水温的昼夜变化可以通过改变水体165与空气中CO2和O2的交换速率以及改变碳酸盐岩的溶解度进而改变水体pH值、DO和pCO2[13-17]。白天，气温升高，导致CO2的溶解性减弱，从而将从水中逸出。由于夜晚水温低，水体的气体的溶解能力提高，将导致水体中DO的含量升高。因此基于上述理论，DO与水温两者呈反相关，然而通过分析二者的相关性发现二者呈良好的正相关性，并且夏季相关性5系数达0.953（图4-1d）。这反应了温度不是影响水中DO含量的主要因素。而且，pCO2-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn170与DO呈反相关关系，反相关性系数达0.732（图4-1c）。这也从另一个方面说明在日尺度[18]上，水温不是控制池水水体中CO2、O2、pH值的主要因素，可能还受其他的因素控制。图4-1夏季池水中部分水化学指标相关关系图Fig.4-1Linearrelationshipbetweenpartofthewaterchemistryindexofthepoolwaterinsummer1754.1.3生物作用[16,19]一般情况下，DO和CO2的昼夜变化受水生植物和藻类以及其它的微生物的影响。2+-由公式Ca+2HCO3→CaCO3+(CH2O)n+O2可知，在白天，光合作用占主导时，会消耗水体中的CO2，把CO2固定为有机物的同时产生O2，使得水体中的DO升高。另外，水生植物180的光合作用通过消耗水中的CO2，提高了水体的pH值。夜晚，当植物的呼吸作用取代光合作用时，水中的DO被植物吸收，而放出CO2，导致水体中pH值降低（图4-1b,图4-3）。[20]而且，由水生植物产生的O2和CO2通量往往超过由水温和脱气作用引起的气体通量。因此，当水生生物过程是控制水体中DO和CO2含量的主控因素时DO和pCO2呈明显的反相关关系（图4-1c、图4-3）。185图4-2池水的DO和pCO2的变化（△DO=DO池水-DO地下水，△pCO2=pCO2池水-pCO2地下水）Fig.4-2VariationsofDOandpCO2inthepoolwater(△DO=DOpoolwater-DOgroundwater,△pCO2=pCO2poolwater--7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnpCO2groundwater）如图4-2所示，与地下水（XYD1）相比。在白天，池水的DO（变化幅度在4月23日19016:00达到最高值3mg/L）升高的同时，pCO2（变化幅度在4月23日16:00达到最小值的-816.36ppmv）降低。相反地，夜晚，DO（变化幅度在4月25日6:00达到最小值-0.73mg/L）降低的同时，pCO2（变化幅度在4月25日4:00达到最大值的343.58ppmv）升高。这些都说明了水池中沉水植物的生物地球化学过程对地下水中的DO、pCO2有着重要的影响。195图4-3水生植物生物地球化学行为对岩溶水化学特征的影响示意图（引自DavidA.Nimick）Fig.4-3Schematicdiagramofbiogeochemistryofaquaticplantsonthechemicalcharacteristicsofkarstwater(quotedfromDavidA.Nimick)4.1.4碳酸盐岩的沉积和溶解[21]200在大多数河流中，水体中CO2含量直接影响着水体pH值，进而改变方解石的饱和度。因此，任意对水体CO2含量变化有影响的生物活动都对水中方解石饱和度产生影响。在白天，光合作用吸收CO2，使得pH值降低，并且降低方解石的溶解力，最终导致碳酸钙的沉[22,23]积。如图4-4所示，在XYD2监测点，4月24日6:00左右，SIc降低到0.681，同时地，2+-SC、Ca与HCO3质量浓度上升。在白天，SIc在4月23日18:00升高至0.855，意味着碳2+-205酸钙沉积的发生，导致了SC、Ca与HCO3质量浓度降低。如图4-4所示，和地下水相比较，2+2+池水的Ca与DIC减少了，并且池水Ca与DIC的降低是光合作用吸收CO2造成的。因此-2+池水（XYD2）中DIC的损失量可以由方程2HCO3+Ca←→CaCO3(s)+H2O+CO2计算得来，2+-2+由方程可知Ca与DIC损失的比率为1～2mol。因此，由碳酸钙沉积导致的总Ca与DIC损失量可以由下面的两个公式计算，公式（1）、（2）：210FCa=∑［△Ca］×Q×t公式（1）PDIC=2FCa公式（2）2+公式中，FCa和PDIC指，总的Ca与由于脱气作用导致DIC损失量,［△Ca］，Q，t2+分别代表每2小时池水中Ca的损失量（△Ca=Ca池水-Ca地下水）（mmol/L）；流量（L/S）；2+时间（S）。Ca与DIC变化如图4-9所示，根据计算得出，由于碳酸钙沉积，池水损失的2+215Ca与DIC总量为133747mmol/day和267494mmol/day，即8.15kg/day和16.31kg/day。因此，总的DIC的减少量的计算为：FDIC=∑［△DIC］×Q×t（公式3）。公式中，FDIC指，总DIC减少量，［△DIC］，Q，t分别代表每2小时池水中DIC的损失量（△DIC=DIC-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn池水-DIC地下水）（mmol/L）；流量（L/S）；时间（S）。经过计算得到监测期间，总的DIC的减少量为431963mmol/day，约为26.34kg/day。根据前述的由于脱气作用导致的DIC减少220量为16.31kg/day。可得由于水生植物光合作用吸收的DIC为大约10.03kg/day。这些无机碳变为了有机碳。可能在植物死亡之后随着河流进入大海成为沉积岩，深埋地下，成为长时间尺度的碳汇。2+图4-4春季昼夜监测时池水（XYD2）中Ca,DIC的变化图2+225Fig.4-4VariationsofCa,DICofthepoolwaterinspring4.2不同季节水生植物光合呼吸作用对岩溶碳汇的影响分析不同的季节，有不同的气温、降雨量以及光照等等。这将会造成不同的季节，水生植物的活性不同，进而引起水生植物的碳汇的不同。夏季由于气温高，光照强，有利于水生植物230的光合作用，水生植物代谢活动强烈，但是在冬季，气温低，光照没有夏季那么强烈，水生植物的光合作用对岩溶碳循环的影响将减弱。如表4-1所示，通过对比1月、4月、7月、11月池水的物理化学数据，可以看出，不同季节，池水的物理化学指标变化有较明显的季节变化特征且监测期间的变化幅度不同。例如：1月水温最低，平均值为13.3℃，7月最高，为19.5℃，差值可达6.2℃。4月和11月235的温度居中，分别为17.1℃和16.5℃，水温的季节高低为夏季＞春季＞秋季＞冬季。另外，不同的季节，水体的pH值也有不同，1月、4月、7月、11月的pH平均值分别是7.9、8.0、2+-7.6、7.7。Ca和HCO3质量浓度在1月份最低，平均值为67mg/L和2.9mmol/L。在四月份最高，平均值分别为86mg/L和3.8mmol/L。由表4-1可见，在4月份昼夜监测期间，pH值变化幅度为0.2个pH单位，7月份为0.3个pH单位，四月份比7月份小0.1个pH单位。240分析原因认为，可能是有由于7月份监测时是光照最强的时候，水生植物活性增强，有利于水生植物的光合呼吸作用，导致pH值变化幅度不同。另外，四次监测期间，DO、pCO2的变化幅度也不同（表4-1）。也说明了不同季节水生植物光合作用对岩溶碳循环的影响不同。表4-1四次昼夜监测期间水化学指标变化幅度表Table.4-1Variationamplitudeofthefourtimesdielmonitoringperiod-9- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2+-时间△水温△SC△pH△DO△pCO2△Ca△HCO3℃μs/cmmg/lmg/lmg/lmmol/l2013月1月0.870.11.67340.68740.32013年4月0.7170.23.761271.555100.72013年7月1.5120.32.18227.06380.62013年11月0.4110.10.83301.42640.42452+4.3脱气作用与水生植物光合作用对地下水中Ca、DIC的影响估算通过对四次昼夜监测实验数据的分析，得出受水生植物的光合作用的影响，岩溶地下河2+-中的DO、pCO2、pH值、Ca、HCO3质量浓度等水化学指标都有明显的昼夜变化，但是昼2+-夜变化的幅度不尽相同。从而可能导致光合作用与脱气作用对地下水中Ca、HCO3的影响250量不同。以及根据4.2.4中公式1、公式2、公式3，可以分别计算脱气作用与水生植物光合作用2+-对水中Ca、HCO3的影响量。FCa=∑［△Ca］×Q×t公式（1）PDIC=2FCa公式（2）255FDIC=∑［△DIC］×Q×t公式（3）2+上述公式中，FCa、PDIC和FDIC分别指，由于碳酸钙沉积导致Ca、DIC损失量以及由于光合作用引起的DIC损失量。根据公式1、公式2计算得出1月份，由脱气作用导致的总2+2+的Ca和DIC的损失量分别为57369mmol、114739mmol即Ca和DIC的损失量分别为2+28684.8mmol/day、57369.6mmol/day，即1.147kg/day和3.499kg/day的Ca和DIC。另外根260据公式3得出总的DIC的损失量为286848mmol，即143424mmol/day，即8.748kg/day。据此得出由于光合作用导致的DIC的损失量为5.249kg/day。同理可得4月份由脱气作用引起2+的总的Ca和DIC的损失量分别为133747mmol/day、267494mmol/day。由于总的DIC损失量为431963mmol/day，因此由光合作用导致的DIC的损失量为164469mmol/day，即2+10.03kg/day。7月份由脱气作用导致的Ca和DIC的损失量分别为270346mmol/day、265540692mmol/day。根据公式3计算得出监测期间总的DIC损失量为2754950mmol/day，因此得出光合作用导致的DIC的损失量为2214258mmol/day，即135.06kg/day。最后，根据计2+算得出11月份由脱气作用引起的总的Ca和DIC的损失量分别为293760mmol/day、587520mmol/day。总的DIC损失量为161004mmol/day，因此由光合作用导致的DIC的损失量为705024mmol/day，即7.167kg/day。根据上述结果可以得出水生植物光合作用对DIC的270利用效率1月、4月、7月、11月分别为8.748kg/day、10.03kg/day、135.06kg/day和7.167kg/day。由于1月、4月、7月、11月分别代表冬季、春季、夏季、秋季。因此可得夏季水生植物光合作用对DIC的利用率最高，其次是春季，冬季和秋季。4.4降雨条件下水生植物光合呼吸作用对岩溶碳循环的影响-10- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2752+-图4-5降雨条件下池水水温，溶解氧、pH值、SC、Ca、HCO3、pCO2、SIc的变化图Fig.4-5variationsinwatertemperature、DO、pH、SC、pCO2、SIcofthepoolwaterundertheraincondition如图4-5所示，在2月16日～22日之间，发生两场场降雨，降雨间隔时间为3小时15280分。第一场降雨，开始时间为2月18日17:15，初始降雨量为1.015mm，结束时间为2月18号21:30，降雨时长为4小时15分，降雨强度为2.11mm/15min，此次降雨总降雨量为3.8mm。第二场降雨开始于2月19日凌晨1:15，初始降雨量为0.125mm，结束于2月19日7:00，降雨持续时间为5小时45分，总降雨量为3.54mm，降雨强度为0.145mm/15min。由图4-10可知，降雨之前，水池中水化学指标具有明显的日动态变化规律。然而，降雨开始285后，昼夜变化的趋势受到降雨的影响变得不明显。说明，降雨对水生植物的生物地球化学行为有十分重要的影响。首先，降雨直接导致水温的下降，水温从第一场降雨前的13.8℃降到第一场降雨结束后的13.6℃，降低幅度为0.2℃。然而在降雨停止，第二场降雨来临之前的这段时间内，池水水温有短暂的回升，从13.6℃上升到13.7℃，升高幅度为0.1℃。然而，-11- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn当第二场降雨开始之后，水温又开始降低，从13.7℃，降低到13℃，降幅为0.7℃。除了对2+-290水温造成影响以外，水体的pH值、SC、DO、pCO2、SIc、Ca、HCO3都明显受降雨的影响。例如pH值从降雨前的8.0降低到降雨结束后的7.9。分析原因认为可能与降雨导致的水温降低有关，水温降低导致水体的气体溶解性增强，从而使得空气中的CO2更容易进入到水中，从而造成水体pH值降低。另外一个原因也可能是与酸雨有关系，酸雨直接降到池水2+-中，使得池水的pH值降低，有利于碳酸盐岩的溶解，进而使得水体中的Ca、HCO3的升2+-2+-295高。从pCO2、SIc、Ca、HCO3的变化可以看出，降雨导致了水体的pCO2、Ca、HCO3分别从降雨前的1438.79ppmv、68.74mg/L、167.56mg/L升高到降雨结束时的1648.16、69.87mg/L、173.16mg/L，SIc从降雨前的0.436降低到0.398。另外，如图4-5所示，在两场降雨间隔期间，由于水温回升，池水中的pCO2有短暂时间的下降。降雨结束后，水池中的水化学变化又回到了昼夜变化的趋势。说明降雨对池水的水化学变化有重要的影响。降雨使得水300生植物光合-呼吸作用对岩溶碳循环的影响减小，而降雨则通过降低气温，增加流量，从而影响池水中气体的溶解性，控制池水水化学的变化。5结论（1）通过对雪玉洞地下河水（XYD1）与池水（XYD2）水化学特征进行昼夜监测发现：地下水（XYD1）水体物化指标没有明显的昼夜变化，而地下水流出地表流入一个生长藻类2+-305的水池（XYD2）之后，水体水化学发生明显的昼夜变化。例如，SC，pCO2、Ca、HCO3质量浓度白天降低，并且在下午16:～18:00达到最低值，而在晚上4:00～6:00达到最高值。2+-相反地，pH值和DO在白天升高，在夜晚降低，与上述水化学指标（SC，pCO2、Ca、HCO3质量浓度）呈反相关关系，即在夜晚4:00～6:00达到最低值，在下午16:00～18:00达到最2+高。根据SPSS软件的相关性分析得出pH值和DO呈正相关关系，与SC，pCO2、Ca、-310HCO3呈反相关关系。这一发现说明，雪玉洞岩溶地下河出口处池水水化学特征产生昼夜变化的主要原因是由水池中水生植物光合呼吸作用引起。表明水生植物的光合呼吸作用对岩溶碳循环有着重要的影响。（2）通过用昼夜监测手段提高数据精度的方法发现雪玉洞地下河到地表水的转变过程2+2+中水体中的Ca质量浓度和DIC总体为降低趋势，表明在监测期间池水的Ca和DIC是减315少的。那减少的DIC去哪了呢？通过对四次昼夜监测发现，损失的DIC有一部分是被水生2+植物光合作用吸收。并且根据对脱气作用和光合作用对地下水的Ca和DIC影响量的计算发现：不同季节，影响量不一样，其中夏季植物光合作用对池水DIC利用效率最高，达135.06kg/day，其次是春季、冬季和秋季，依次是10.03kg/day、8.75kg/day和7.17kg/day。这部分损失的无机碳被植物吸收后转变为有机碳，在岩溶系统中可构成自然界中长时间尺度320的碳汇。因此水生植物的生物地球化学行为对岩溶地区碳的动态循环有重要影响。也说明植物的光合呼吸作用引起的岩溶水水化学的日动态变化可能将对全球碳循环产生很大的影响。（3）在降雨条件下，降雨事件对水生植物光合呼吸作用有较重要的影响。首先，降雨使得水温降低，不利于水生植物的光合呼吸作用，降雨使得光照条件减弱，最终造成水生植物光合作用对水体水化学性质的影响减小，取而代之的是受降雨的控制。325[参考文献](References)-12- 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