大气CO₂浓度的持续上升导致全球气候变暖,造成气温增高、蒸发量加大、水循环加剧,由此带来的全球暴雨、干旱等极端气候事件越来越频发,给国家和人民生命财产带来了巨大的损失。采取有效增汇固碳方法抑制大气CO₂浓度升高,减缓全球变暖,成为各国科学家研究全球变化的重中之重。岩溶作用是一种发生在地球浅部表层环境下的特殊地质作用过程,与大气圈、水圈、生物圈密切相关。岩溶动力系统作为一个低温地球化学开放系统,具有开放敏感性和生物参与性等特点,对环境变化响应迅速,积极的参与全球碳循环。我国大陆地区的岩溶类型主要有4种,分别是西南热带亚热带型岩溶、北方干旱半干旱型岩溶、东北湿温带型岩溶及青藏高山型岩溶。北方干旱半干旱型岩溶位于北纬35°以北,秦岭为南北方岩溶类型的分界带。北方干旱半干旱岩溶区碳酸盐岩面积分布达68.5×10⁴km²,其中裸露区7.78×10⁴km²,覆盖区8.74×10⁴km²,埋藏区51.95×10⁴km²,蕴藏有丰富的岩溶地下水资源。但相对于我国南方岩溶区,北方岩溶碳汇研究工作开展较少。一方面,受北方岩溶区土壤中次生碳酸盐含量高且易于沉积的影响,利用试片法来计算岩溶碳汇强度存在很大误差。另一方面,北方岩溶水主要赋存在层位较老的寒武—奥陶系地层中,煤矿则产于层位较新的石炭—二叠系。这种“煤在楼上,水在楼下”的特殊水文地质格局导致煤系地层硫化物氧化产生硫酸或大量堆置的矿渣经雨水淋溶产生酸性水,持续不断地向岩溶含水层入渗并参与碳酸盐岩溶蚀,从而造成碳汇效应降低;另外,奥陶系灰岩地层中含有数层石膏夹层,石膏夹层溶解向岩溶地下水中输入大量SO₄^2-。在如此复杂的条件下,应采取哪种方法来准确计算岩溶碳汇强度,及如何扣除硫酸作用来计算岩溶碳汇通量是当前岩溶碳汇研究关注的两个重要方面。本研究以北方半干旱岩溶区具有代表性的山西柳林泉岩溶流域为研究对象,通过溶蚀试片法和对土壤化学指标的监测,并采用同位素技术对原生和次生碳酸盐进行区分,定量计算土壤碳酸盐中次生碳酸盐所占比例,揭示我国干旱、半干旱岩溶区土壤层中碳酸盐的特征和来源。阐明半干旱岩溶区土壤系统影响溶蚀与沉积作用发生的机制,解答用岩溶试片法计算半干旱区岩溶地质碳汇效应存在的问题。同时,对流域岩溶地下水进行系统取样和研究,揭示岩溶动力系统溶解无机碳循环演化规律及影响因素;在定量评价石膏溶解对地下水SO₄^2-贡献的基础上,采用化学计量法定量计算硫酸参与碳酸盐岩溶蚀的比例。运用Galy模型定量评价硫酸参与溶蚀作用的流域岩溶碳汇效应;揭示硫酸参与溶蚀作用下的岩溶碳汇过程。得出了如下结论:1、试片溶蚀速率受不同植被条件影响,并受控于土壤化学指标（1）植被条件是影响碳酸盐岩溶蚀速率的主要因子,相同层位的溶蚀速率均呈现出林地最大,灌丛次之,草地最小的变化规律,随着植被的恢复,碳酸盐岩溶蚀速率呈现增加的趋势。（2）土下试片溶蚀速率主要受土壤有机碳、土壤无机碳、土壤水份含量控制,而受土壤CO₂浓度影响小。土壤有机碳含量、土壤水份含量对土下试片溶蚀速率具有促进作用,土壤无机碳含量对土下试片溶蚀速率具有抑制作用。（3）土壤无机碳质量分数高,是有机碳质量分数的2.85⁵.06倍,在干旱少雨、蒸发量大的气候条件下容易过饱和并发生沉淀,使埋放于土壤层中的试片除受溶蚀作用影响外,还受土壤碳酸盐沉积作用,造成部分试片经过一个水文年的溶蚀后质量增加。因此,埋放于土壤中的试片在雨季发生溶蚀而重量变轻,而干旱季节主要接受碳酸盐的沉积而增重。（4）根据标准溶蚀试片法计算出裸露岩溶区平均岩溶碳汇强度为1.51 t/（km²·a）,而根据Galy模型法计算出的结果为3.93 t/（km²·a）,试片法计算结果仅为Galy模型法的1/3。由于半干旱地区土壤无机碳含量高且容易发生沉积,埋放于土壤系统中试片的溶蚀速率并不能真正代表基岩面的溶蚀速率,用溶蚀试片法会使岩溶碳汇强度被低估。利用溶蚀试片法来研究岩溶碳汇效应在北方半干旱地区土壤中受到了限制。2、土壤次生碳酸盐比例高,次生碳酸盐的沉积是土壤中试片重量增加的主要原因（1）研究区土壤碳酸盐含量及其δ¹³C值主要受次生碳酸盐所占比例的控制,次生碳酸盐具有偏轻的碳同位素。林地、退耕地、灌丛地土壤剖面上层（0⁵0 cm）的碳酸盐含量随深度增加而增加,碳酸盐δ¹³C值则随深度增加而逐渐偏轻,剖面下层（50⁷0 cm）的变化趋势相反。这缘于土壤次生碳酸盐溶于土壤水向下运移并沉积,但下层（50⁷0 cm）受土壤水分向下运移的深度有限,且更接近母质层,次生碳酸盐含量降低,而原生碳酸盐比例提高。（2）3个土壤剖面中CO₂浓度在0⁵0 cm随深度增加而增加,50⁷0 cm随深度增加而减少。由于上层土壤空气和大气的交换以及底层岩-土界面岩溶作用的消耗而降低。土壤CO₂的δ¹³C值在上层（0-50cm）随土层深度增加而越来越偏负,下层（50-70cm）随深度增加而越来越偏正。土壤CO₂浓度及其δ¹³C值的双向梯度变化,均反映了上层土壤CO₂受空气交换、土壤有机质分解及土-岩界面岩溶作用的共同影响。（3）土壤中次生碳酸盐来源于原生碳酸盐溶解后的重新结晶。在有机碳的参与下,通过反应SOC→CO₂（g）→CO₂（aq）→HCO₃^-（aq）→CaCO₃（s）,重新沉淀生成次生碳酸盐晶体。3个土壤剖面的次生碳酸盐比例均较大,退耕地、林地、灌丛地的比例分别为0.52、0.42和0.32;高比例的次生碳酸盐沉积是造成埋放于半干旱土壤中的试片增重的主要原因。因此,在北方半干旱岩溶区利用试片法计算岩溶碳汇强度时,应在溶蚀实验的基础上,运用碳同位素值对试片上沉积的次生碳酸盐进行定量计算,根据次生碳酸盐岩的沉积量来修正试片的溶蚀速率,消除次生碳酸盐的影响,然后再根据试片的溶蚀速率来计算流域岩溶碳汇强度。3、岩溶地下水水化学特征受径流条件控制,具有区域演化规律（1）流域岩溶地下水化学特征受水文地质条件的控制,水温、电导率（EC）、TDS、离子总量、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、HCO₃^-、SO₄^2-含量从补给区、到径流区、到排泄区、再到深埋区,随着径流途径增加不断升高。其中Na⁺、Cl^-、SO₄^2-含量变化范围大,最大值分别为最小值的50倍、80倍和32倍。而Ca²⁺、HCO₃^-变化范围相对较小,最大最是最小值的2-3倍。在补给区、径流区中,Na⁺含量较少,Ca²⁺为地下水中主要阳子,但在排泄区和深埋区,Na⁺含量明显超过了Ca²⁺和Mg²⁺含量,成为地下水中最主要的阳离子。水化学类型由HCO₃-Ca.Mg型转化为HCO₃.SO₄-Ca.Mg型和HCO₃.SO₄-Ca.Na.Mg型,最终演变为Cl.HCO₃-Na.Ca、Cl.HCO₃-Na型和Cl-Na.Ca型。（2）受土壤高浓度CO₂控制,流域岩溶地下水的PCO₂明显高于大气CO₂的分压（300³50ppm）,反应出大气降雨吸收土壤层中的高浓度的CO₂形成碳酸对下部碳酸盐岩进行溶蚀的过程。方解石和白云石的饱和指数（SIC、SID）均大于0,这2种矿物均处于较强的过饱和状态。但由于受Ca²⁺、HCO₃^-的来源比较复杂的影响,从补给区、到径流区、到排泄区、再到深埋区SIC、SID的变化无明显的趋势性变化规律。（3）流域岩溶地下水中石膏的饱和指数（SIG）均小于0,石膏在岩溶地下水中一直处于溶解状态。从补给区、到径流区、到排泄区、到深埋区,石膏的饱和指数不断升高,表明随着地下水的径流石膏层的不断溶解。（4）流域内岩溶地下水的δ¹³C_DIC具有较大的变化范围,最小值与最大值相差5.569‰。补给区和径流区δ¹³C_DIC值偏轻,具有较宽的分布范围,而径流区和深埋区偏重,范围较为集中。从补给区、到径流区、到排泄区,到深埋区δ¹³C_DIC值呈不断增重的变化规律。随着径流途径增大,DIC中来源于土壤CO₂的比例减小,碳酸盐岩来源的碳的比例增加。（5）流域内岩溶地下水的δ³⁴S具有较大的变化范围,最大值为24.11‰,最小值为2.56‰。补给区的δ³⁴S偏轻且较为集中,主要来源于大气降水;径流区δ³⁴S增重且比较分散,来源于大气降水和石膏溶解;排泄区的硫同位素偏重,但三川河南岸的岩溶水比北岸偏轻4-5‰,反映南北两岸岩溶水具有不同的硫同位素来源。深埋区具有较高含量的SO₄^2-和最重的δ³⁴S,其水的径流路径长,循环深度深,水岩作用时间最长,石膏溶解得最充分。总体上,随着径流途径增大,石膏溶解来源的比例不断增加。4、运用Galy模型,评价了硅酸盐岩风化及硫酸参与溶蚀对流域岩石风化消耗的CO₂通量的影响（1）岩溶地下水中的K⁺、Na⁺、Cl^-主要来源于大气降水和盐岩的溶解。硅酸盐岩风化对岩溶地下水的SiO₂和K⁺、Na⁺离子组份也具有重要贡献。Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-、SO₄^2-在补给区、径流区、排泄区主要来源于方解石、白云石的溶解的贡献。而深埋区主要来源于石膏溶解和去白云化作用。（2）硫酸参与碳酸盐岩溶解对补给区、径流区、排泄区的岩溶地下水水化学组份具有重要贡献,而对深埋区的贡献不明显。补给区的地下水主要主要来源于碳酸溶解碳酸盐岩溶解;径流区地下水主要受碳酸溶蚀作用控制,但硫酸风化碳酸盐岩也有一定影响;排泄区的地下水更多的受到硫酸风化作用的影响。（3）硫酸参与碳酸盐岩溶蚀产生的HCO₃^-的所占比例平均值在补给区、径流区小于10%,排泄区和深埋区大于10%,即随着径流途径的增中,碳酸参与碳酸盐岩溶蚀的比例逐渐减小,而硫酸参与的比例不断增加。（4）利用Galy模型计算出排泄区上青龙泉L02和杨家港泉L29岩石风化消耗的CO₂通量分别为30.80×10³mmol/km².a^-1和31.63×10³mmol/km².a^-1;补给区车鸣峪-关口泉L01为89.25×10³mmol/km².a^-1,排泄区上青龙泉和杨家港泉岩石风化消耗的CO₂通量是上游补给区的车鸣峪-关口泉的1/3。（5）硅酸盐岩风化消耗CO₂通量在流域中占有大的比例。岩石风化消耗的CO₂通量中硅酸盐岩风化消耗所占比例最大的为杨家港泉L29,为51.92%;其次为上青龙泉L02,为44.98%。最小为车鸣峪-关口泉域L01,为11.09%;从补给区到排泄区,硅酸盐风化的比例和消耗的CO₂通量不断增加。（6）在考虑硫酸参与碳酸盐岩溶蚀时,3个岩溶泉的碳汇通量分别扣除10.35%、5.77%、8.63%。从补给区到排泄区,硫酸溶解碳酸盐岩的比例增加。