青藏高原东缘梯度带大气CO2含量与岩溶发育相关性初探

许 模, 毛邦燕, 张广泽, 康小兵, 漆继红,李 潇, 易 磊, 杨四福

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都610059；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

岩溶发育演化是各因素长期综合作用的过程。索科洛夫提出的岩溶发育的4个基本条件：可溶性岩石、岩石的透水性、侵蚀性的水和水的运动[1]。结合地球圈层理论及地球关键带理念，岩溶发育演化是岩石、土壤、生物、水和大气各个圈层复杂相互作用的过程。被称作“亚洲水塔”、世界“第三极”的青藏高原，不仅通过区域内大面积的冰川覆盖影响全球气候，而且通过岩石风化作用(碳酸盐岩、硅酸盐岩和花岗岩风化)消耗大气CO2影响全球气候变化，在通过海陆能量交换过程发生的全球碳循环中占有十分重要的地位[2-4]。

伴随第二次青藏高原综合科学考察及第三极国家公园群、川藏铁路等建设项目的开展，深入研究高原隆升、全球气候变化背景下的岩溶发育具有极高的科学价值。为此，本文选择青藏高原东缘梯度带区域，通过野外大气CO2测量和岩溶发育情况调查，结合研究区地质情况以及岩矿测试数据，对比分析研究岩溶发育程度及其控制因素。

1 研究区概况

研究区位于青藏高原东缘，中国陆地第一台阶到第二台阶的斜坡梯度带。本次研究数据采集点以雅江为起始，沿国道G318、G214和G317分布(图1)。伴随青藏高原第四纪期间的快速隆升，青藏高原中东部梯度带内澜沧江、怒江、金沙江、雅砻江、大渡河、岷江等一系列南北向河流强烈快速下切，形成了高原东侧横断山区一系列近南北向分布的平行岭谷，高山和峡谷间高差达2～3 km。研究区空间跨度大，川西高原气候垂直分带显著，雨量较少，年、日温差较大，夏季最高气温可达35～40℃ ，高山台地冬季最低气温可降至-15～-20℃，年降雨量在600～900 mm；青藏高原东缘区属高原海洋性气候和大陆性高寒干燥气候，青藏高原空气稀薄，年平均气温多在7～10℃，最高气温可达30℃，最低气温可降至-20～-30℃。海拔高度4 km以上地区有季节性冻结层分布，最大厚度50 cm。植被多以高山草甸为主且整体植被覆盖程度普遍偏低，全年低与较低植被覆盖面积超过研究区总面积的50%；夏季较高植被覆盖区域占总面积的2%，海拔高度4.5 km以上地区几乎无植被，具有明显的垂直分带性。

研究区位于欧亚大陆西南活动大陆边缘中段，跨越板块结合带区段从雅江到林芝(图2)。该区地层岩性混杂多变，从震旦系至新生界均有分布。受区域地质构造控制， 地层展布方向大多与构造形迹方向有关。结合现场调查与1∶50万区域水文地质报告将研究区出露的碳酸盐岩依据岩性组成分为以灰岩为主的石灰岩类、以白云岩为主的白云岩类及以碳酸盐岩与非碳酸盐岩互层或夹层为主的不纯碳酸盐岩类。石灰岩类主要分布于C2a、D1g、D2q、D2c、T3b地层中，普遍为厚层-巨厚层；岩性以灰岩为主，偶夹少量白云质灰岩，白云质含量偏低，以生物碎屑、细粒结构为主，含少许微晶结构。白云岩类主要分布于S3y、S2s及T3x2，岩性以白云岩为主，局部含灰质白云岩和泥质白云岩。不纯碳酸盐岩类以泥质灰岩、泥质白云岩与砂板岩互层为主，主要分布于研究区T3t2、T3q、P1eq1、P2b地层中，岩性复杂且岩相变化较大[1]。

2 研究方法及数据

2.1 大气CO2浓度测量

使用德国德图公司Testo535 CO2测量仪测量大气CO2质量浓度(ρ)。雅江至林芝沿G318、G317和G214国道分布，包括海子山剖面不同高程测点共40个，整合测点数据(表1)。为确保数据精确性，测点尽量选择在人、车足迹较少的地区，避免汽车尾气及呼吸产生的CO2干扰。本次实地观测了夏季野外大气CO2浓度。

表1 研究区典型部位大气CO2质量浓度Table 1 Mass concentration of atmospheric CO2 in the study area

2.2 区域岩溶地貌调查统计

野外调查统计沿线可溶岩分布以及岩溶节理、岩溶裂隙、岩溶泉和溶蚀洼地等岩溶地貌发育程度和分布规律(表2)。岩溶节理、岩溶裂隙的统计结果是，2.5～3 km高程带平均裂隙率只有1.22%，到4 km以上地带增至1.91%。其中以2.5～4 km高程增长较快，4 km以上已无明显增减；碳酸盐岩及砂岩裂隙较发育，平均裂隙率达1.85%以上，裂隙宽度一般1～5 mm，极少达1 cm，局部见蜂窝状溶孔[1]。根据1∶50万区域水文地质调查资料，结合30 m分辨率DEM数据和高清遥感影像，利用ArcGIS提取溶蚀洼地数目、面积和空间分布。

2.3 水化学参数分析测试

2.4 碳酸盐岩矿物成分分析

在野外采集可溶岩样品，在西南冶金地质测试中心进行了化学分析。参考前人对化学成分与溶解度关系的相关研究，根据岩石镜下鉴定报告，选取岩石内部CaO、MgO、酸不溶物3种化学组分含量作为影响岩溶发育程度指标(表3) 。

2.5 植被覆盖度识别

通过ArcGIS和ENVI(完整的遥感图像处理平台)对重点研究区(金沙江流域白玉-巴塘段)Landsat 8卫星30 m分辨率遥感图像进行处理，并计算归一化植被指数NDVI值，得到研究区各季度植被覆盖度(FC)[1]。参考前人研究成果，统计分析区内低植被覆盖度(FC<10%)、较低植被覆盖(10%≤FC<30%)、中度植被覆盖度(30%≤FC<50%)和较高植被覆盖度(FC≥50%)[1](表4)。

表2 研究区各地层溶蚀洼地、岩溶泉分布特征统计Table 2 Statistics of distribution characteristics of uvala and karst springs in the study area

表3 研究区碳酸盐岩组分及对应水样Ca2+和Mg2+浓度Table 3 Statistics of carbonate rock components and corresponding Ca2+ and Mg2+ concentration in water samples in the study area

表4 研究区植被覆盖度Table 4 Fraction of vegetation coverage in the study area

3 结果与分析

为深入分析CO2分布规律，图4、图5、图6和图7分别给出了研究区不同地貌剖面CO2分布、岩溶发育程度和大气CO2垂向分布、碳酸盐岩地层岩矿组分和夏冬两季植被覆盖度情况。

青藏高原东缘梯度带区金沙江河谷段岩溶发育有如下规律：海拔高度>4.1 km分布溶蚀裂隙，未见岩溶泉；海拔高度3.7～4.1 km分布溶蚀裂隙、构造型溶洞及岩溶泉，该高度范围内溶蚀现象相对发育；海拔高度3.3～3.5 km多分布岩溶泉，泉口高程略高于流域切沟的沟底；海拔高度2.9～3.1 km仅分布岩溶泉，泉水集中排泄于沟谷切割、断裂交汇部位(图4-A)。

研究区大气CO2浓度随海拔高度变化显著：海拔高度>4 km，CO2质量浓度基本在250 ～290 mg/L；海拔高度在4～3 km，CO2质量浓度基本在280～310 mg/L；海拔高度<3 km时，CO2质量浓度基本在320～380 mg/L(图4-B)。

3.1 海拔高度与CO2浓度

综合大气CO2实测数据，大气CO2浓度在季节上的差异很小，但随海拔高度的增加而明显降低(图3-B)。根据数据回归拟合，大气CO2质量浓度高程梯度为55.6 mg/(L·km),符合大气密度变化规律和高海拔区域低气温低分压特征，与章典等[7]在1997年的观测结果相一致。

根据研究区不同地形地貌剖面上的大气CO2浓度实测数据分析，金沙江右岸沿G318自巴塘至海子山宽缓斜坡剖面(图5-A)，大气CO2质量浓度在233～311 mg/L，浓度高程梯度约为69.6 mg/(L·km)；降曲源头沙马乡南侧陡坡剖面(图5-B)，大气CO2质量浓度在258～307 mg/L，浓度高程梯度约为77 mg/(L·km)。结果显示沿宽缓斜坡和较陡斜坡两种地形坡度变化较大的地貌剖面，大气CO2含量高程梯度存在分异，但规律性不强，说明相对于随海拔高度变化的大气密度及高原低气温的低分压，地形坡度对大气CO2浓度分布趋势的影响较弱。

沿玛曲和降曲河谷区，大气CO2质量浓度在258～358 mg/L，浓度高程梯度约为108.7 mg/(L·km)，与高海拔山原区剖面存在较大差异；但分水岭与山原海拔高度重叠区CO2浓度呈现高度一致性。这是由于河谷区大气CO2含量与受海拔高度变化影响的大气密度有关之外，还受随河谷至分水岭的植被类型、覆盖度、气温梯度的影响。河谷剖面气温测试数据显示，海拔高度每变化1 km，气温相差11℃，河谷至分水岭植被从低矮落叶小乔木到灌木到分水岭区域的高山草甸，海拔高度>4.5 m的山原区几乎为裸露基岩，无明显植被覆盖。对比分析海拔高度3～4.5 km区域大气CO2浓度与岩溶类型及发育情况，显示出岩溶发育情况与大气CO2浓度随海拔高度变化的较高一致性(图4)。

3.2 温度与浓度

研究区气温明显受海拔高度和地形控制，平均气温7℃，地表水平均温度7.4℃，显示地表水与气温有相似的特征；除温热泉外，地下水平均温度8.4℃。根据野外测试点位，拉月村等温热泉分布点位，大气CO2质量浓度在331～382 mg/L，明显高于无温热泉分布点位的平均值289 mg/L，推测是由于温热泉分布区域地热活动强烈，存在内源性碳源的溢散。

3.3 植被与CO2浓度

研究区植被覆盖程度普遍偏低，除夏季外，其余3季无较高植被覆盖区域，夏季植被覆盖度为中度和较高的区域面积之和仅占总面积的36%(图7)。与广西桂林和贵州毕节典型岩溶区的植被覆盖度相比，桂林与毕节岩溶区的较高植被覆盖度面积与中度植被覆盖度面积占主要份额，桂林为69.15%，毕节为62.78%，远远高于研究区夏季较高植被覆盖度面积占比[13-14]；对应碳酸盐岩地层在夏冬两季各等级植被覆盖度所占比例统计[1]，石炭系碳酸盐岩地层夏季中度植被覆盖面积达地层出露面积的72%，泥盆系碳酸盐岩地层夏季中度植被覆盖面积占地层出露总面积的1/3，明显低于石炭系。

表5 研究区及相关研究中涉及的水文及物理化学参数Table 5 Hydrologic and physicochemical parameters in the study area and related studies

研究区植被中度覆盖面积所处位置大多沿区内主要水系金沙江及其支流切割沟谷两侧分布，这是由于河谷海拔高度一般在2.9～3.5 km，相对较低，气温适中，靠近沟谷及河流两侧的位置水源条件充分，利于植被生长。结合青藏高原高寒草甸生态系统土壤微生物、CO2通量的相关研究，研究区高海拔和低温不利于植被生长，导致区内整体植被覆盖度较低,溶蚀作用中消耗的CO2不能及时得到足够的土壤呼吸和生态呼吸释放的CO2的补充[15-17]，延缓甚至停止了溶蚀作用继续发生；同时低植被覆盖度，使其难以减弱地表径流速度，不利于降雨下渗，从而减缓或停止地下岩溶发育。

4 结 论

通过在青藏高原东缘梯度带进行大气CO2现场测试与室内岩性、植被指数等计算分析，对影响岩溶发育的大气CO2分布规律取得如下认识：

a.青藏高原区大气CO2含量低是造成区域降水侵蚀性弱进而导致区域岩溶发育程度低的主要原因。

b.大气CO2含量随高程变化的背景下，区域岩溶发育类型和规模也呈现明显的垂向分带性。

d.植被覆盖度达中度以上的区域较少，且随水系分布，同时显示与高程控制的气温和大气CO2浓度的变化存在高度的一致性；区域植被覆盖度低，导致因生物作用提供的CO2有限是区域岩溶发育的次要因素。