大风洞上层土壤不同深度CO2浓度特征变化研究

2021-10-16周文龙朱生亮

绿色科技 2021年18期

关键词：双河风洞监测点

林涛，周文龙，朱生亮，江波，曹洋

(贵州省山地资源研究所，贵州贵阳 550001)

1 引言

土壤层是岩溶动力系统构成的重要一环，是地表各圈层的主要圈层[1]。洞穴上方土壤层CO2是喀斯特动力系统的动力，是喀斯特系统的物质来源[2]，是喀斯特环境的化学变化基础成因。

对贵州省双河洞上层土壤的CO2浓度进行研究，弄清了洞穴上覆土壤CO2浓度的变化趋势[3]，对洞内沉积物沉积速度进行了阐述。

2 研究区概况

双河洞地处贵州绥阳县西北，107°2′30″E～107°25′00″E，28°8′00″N～28°20′00″N。双河洞洞系长25.4 km，是亚洲第一长洞、世界第五[4]，同时也是世界最长的白云岩洞穴，世界最大的天青石洞穴[5]。双河洞地质公园处于扬子地台凤冈构造变形区，洞穿黄鱼江背斜和土坪向斜[6]；地层为黔北沉积区，由浅海沉积环境形成。在区域构造应力的作用下，形成NW和NE向褶皱断裂带，围成一个上升的凸出地块，产状向东，地层为奥陶桐梓组(O1t)和中寒武系娄山关群(∈2-31)白云岩[7]。研究区山脉以中低山为主，沟谷纵横，地质公园内地质景观丰富，有洞穴系统、地下暗河、峰丛峡谷、天坑。研究区属于区内气候属于亚热带湿润季风气候，气候差异显著。洞内环境条件优秀，空气中二氧化碳含量一般在(350～400)×10-6，温度一般常年恒定在13～15 ℃，湿度85%～98%[8]。大风洞是双河洞洞系的主要洞穴，作为一个旱洞洞道宽阔集中、水平平坦，洞道向南发育，向南逐渐变得宽阔[9]。碳酸钙沉积景观发育，石柱、石笋、石钟乳、发育水平好，尽头处和地下河连接[10]。

3 数据采集与处理方法

2020～2021年，在大风洞上层4个深度(-25 cm、-50 cm、-75 cm和-100 cm)，进行了土壤CO2每周1次的监测(图1)。

土壤CO2监测使用科尔诺GT-903泵吸式二氧化碳检测仪，分辨率1×10-6,检测精度为≤±3%，线性误差为≤±1%，响应时间≤20 s。洞外降水和温度数据来自绥阳县气象局，洞内温度采用中科能慧NHQXZ602Kestrel-4500型便携式气象站监测，监测结果见图1。

图1 降雨量及洞内外温度变化

4 洞穴上层土壤CO2浓度月变化记录

洞穴上层土壤CO2浓度变化受降水、气温、植物根系生长、有机物分解、土壤微生物因素影响[11]。通过对大风洞上层4处土壤监测点12个月监测，监测结果如图2。

图2 不同深度土壤CO2浓度变化

大风洞土壤CO2呈现显著季节变化，夏季高，冬季低，伴随土温和降雨量增加，有机物分解加速，微生物和植物生长作用增强[12]，土壤CO2浓度升高。时间变化表现为：春季CO2浓度增加[13]，增加较缓慢。夏季6月和8月CO2浓度增大，夏季7月和9月CO2浓度降低。秋季10月CO2浓度达到高值后CO2浓度开始降低,11月份之后土壤CO2浓度明显降低。春季1～5月的变化原因是：虽然气温上升，但由于降水少，所以微生物活动、根系呼吸作用减弱。夏季7月和9月是因为降水少，而且气温高，土壤水蒸发作用加强，土壤干燥，空气流通好，CO2浓度降低。秋季9月，CO2浓度在0.5～2.9vol%间变化，CO2浓度组建降低。如图2所示，从各点不同土壤深度的CO2浓度可得到数据，1#监测点CO2浓度在-25 cm、-50 cm、-75 cm、-100 cm分别为2.5vol%、2.38vol%、2.31vol%和1.75vol%，浓度由大到小：-25 cm>-50 cm>-75 cm>-100 cm。因为1#监测点位于树林，土壤水分多，根系和微生物影响不强[14],CO2随着深度增加而降低。2#监测点在-25 cm、-50 cm、-75 cm和-100 cm处CO2浓度为1.76vol%、2.3vol%、2.1vol%和2.05vol%；3#监测点分别为1.6vol%、1.4vol%、1.89vol%和0.88vol%；4#监测点分别为0.99vol%、0.93vol%、1.23vol%和1.19vol%，除1#监测点外，其余3处土壤 CO2浓度总体变化趋势均为-25 cm>-50 cm>-75 cm>-100 cm。大风洞上覆土壤2#、3#和4#监测点CO2浓度大趋势上具有双向梯度变化，原因是土壤上层的径流层分布的关系[15]。第二不同土壤测点CO2浓度有明显差异，从图2来看，1#、2#、3#和4#监测点上覆土壤层CO2浓度随深度增大而减小，因为岩溶区底层土层致密且基岩成分较多，土壤CO2和空气交换较少。随着土壤深度增大，然而到达一定深度时，微生物和植物根系减少，土壤结构变得更加紧密，CO2浓度就渐渐降低；土壤水蒸发也随之减少，土壤粘性变大，气体频率下降，植物根系呼吸和土壤微生物作用释放的CO2只在土壤浅层累积，使得CO2随土壤深度增大而减小。不同的监测点CO2浓度具有差异的原因是有的监测点位于松树林，有的监测点位于灌丛，松林壤的CO2浓度高于灌丛壤。