Vliv rostlinného pokryvu na geochemii recentních krasových procesů

Mgr. Monika Ličbinská, Ph.D.

Doctoral thesis

Vegetation cover influence on geochemistry of recent karst processes

Abstract:

Předložená práce byla zaměřena na problematiku možné koroze kalcitových speleotém v jeskyních vlivem vegetace v jejich nadloží. Nejvíce jsou vegetací ovlivněny svrchní horizonty půd a směrem do podloží se vliv vegetace na jejich charakter snižuje, přesto i v substrátových horizontech existují rozdíly, které jsou dány typem vegetačního pokryvu v nadloží. Rozdíly jsou především v (1) pH/alkalitě/aciditě pórových roztoků a (2) koncentraci a zastoupení organických látek, méně pak v produkci CO2. Pod jehličnany jsou půdní pórové roztoky agresivnější (nižší pH, vyšší acidity, vyšší koncentrace fulvových kyselin). Důsledkem toho jsou hlubší půdní profily (až 90 cm) ve srovnání s mělčími profily pod listnatými a smíšenými lesy (45-65 cm) nebo pod travními porosty (20-40 cm). Úrovně CO2 v krasových půdách vykazují typickou sezónnost (max 0,5 obj. % v létě; min 0,1 – 0,2 obj. % v zimě). Koncentrace CO2 v antropogenních půdách mírně překračují koncentrace v přírodních půdách a potvrzují odlišnost obhospodařovaných půd. Koncentrace CO2 se v přírodních půdách vyvíjí velmi podobně bez ohledu na vegetační pokryv. Koncentrace CO2 v jeskyni vykazují sezónnost analogickou k půdám (v létě až 0,3 obj. %; v zimě okolo 0,1 obj. %). Modelováním bylo zjištěno, že skapové vody byly modifikovány koncentracemi CO2 podstatně převyšujícími měřené koncentrace v půdách (až 1,6 obj. %). To naznačuje další zdroj CO2 v epikrasu. Úrovně jeskynního CO2 byly navíc významně ovlivněny antropogenními zdroji (dýchání návštěvníků, změnou ventilace při otevírání dveří). Ačkoliv analýza dynamiky CO2 v půdách nevylučuje, že půdy mohou být zdrojem jeskynního CO2, epikras a antropogenní zdroje se zdají být přinejmenším stejně významné. Hypotézy o korozi speleotém skapovými vodami nebyly dlouhodobým monitoringem prokázány, jelikož většina skapových vod byla trvale přesycená ke kalcitu. Toto přesycení vod je principiálně spojeno s jejich odplyněním. Vegetace tedy ovlivňuje půdní parametry, kterými působí na krasové procesy, jako je rozpouštění karbonátů na povrchu, ale její přímý vliv na procesy v jeskynních nebyl prokázán. Na růst speleotém v jeskyních může působit zprostředkovaně přes produkci CO2 a huminových látek v půdních profilech. Analýzy však potvrdily, že půdy nemusí nutně kontrolovat úrovně jeskynního CO2. A zároveň experimenty nepotvrdily vliv huminových látek na dynamiku růstu nebo rozpouštění kalcitu v systému kalcit-skapová voda-CO2. Rychlostní konstanty pro růst kalcitu ve skapové vodě s obsahem huminových kyselin (k21 = 0,25 mol m-2 s-1, resp. k22 = 0,27 mol m-2 s-1) jsou jen o málo nižší než rychlostní konstanta pro růst karbonátů v přírodní skapové vodě (k23 = 0,61 mol m-2 s-1). Rychlostní konstanty pro rozpouštění kalcitu ve skapové vodě s obsahem huminových kyselin (k11 = 3,55x10-9 mol m-2 s-1, resp. k12 = 1,78x10-9 mol m-2 s-1) jsou nepatrně vyšší než rychlostní konstanta pro rozpouštění karbonátů v přírodní skapové vodě (k13 = 1,6x10-9 mol m-2 s-1). Přesto existence nenasyceného skapu v Tunelové chodbě a jeho geneze (mixování vod, které dosáhly rovnováhy s kalcitem při (1) pCO2 = 10-3,15, tlak typický pro kras bez půdního pokryvu a (2) pCO2 = 10-1,75, tlak v půdách) dokazuje nebezpečí antropogenních zásahů do vegetace a půdních profilů v nadloží jeskynních systémů.

Abstract:

Presented work was focused on possible corrosion of calcite speleothems in caves as a result of vegetation in their overburden. Upper soil horizons are the most influenced by vegetation and down to subsoil vegetation influence on soil character is smaller. Nevertheless, some differences in substrate horizons that are given by vegetation cover type in overburden exist. Differences are especially in (1) pH/alkalinity/acidity of pore solutions and (2) concentration and content of humic substances and smaller differences in CO2 production. Pore solutions under coniferous trees are more aggressive (lower pH, higher acidity, high concentration of fulvic acids) resulting in deeper soil profiles (up to 90 cm) in comparison with shallower profiles under deciduous trees and mixed forest (465 cm) and grassland (20 – 40 cm). CO2 levels in karst soils show typical seasonality (max. 0,5 % vol. in summer; min. 0,1 – 0,2 % vol. in winter). CO2 concentrations in anthropogenic soils slightly exceed concentrations in natural soils and confirm distinction of managed soils. CO2 concentrations in natural soils develop very similar regardless of vegetation cover. CO2 concentrations in caves show seasonality analogous to soils (up to 0,3 % vol. in summer; about 0,1 % vol. in winter). Modelling demonstrate that dripwaters were modified with CO2 concentrations substantially in excess of the measured in soils. (up to 1,6 % vol.). This indicates other source of CO2 in epikarst. Cave CO2 levels were significantly affected by anthropogenic sources (visitors breathing, ventilation changes within door opening). Although analysis of CO2 dynamics in soils does not exclude the soil as a possible source of cave CO2, the epikarstic and anthropogenic sources seem to be at least equally significant. Hypotheses about corrosion of speleothems by dripwaters were not proved by long term monitoring since the most of dripwaters were constantly supersaturated with regard to calcite. This supersaturation of waters is principally associated with their degassing. Vegetation thus influences soil parameters which impact on karst processes such as carbonates dissolution on surface, but its direct influence on processes in caves was not proved. It may act the growth of speleothems in caves indirectly through the production of CO2 and humic substances in soil profiles. However, analyses proved that soils need not necessarily control CO2 levels in caves and simultaneously experiments did not prove the influence of humic compounds on dynamic of calcite growth or dissolution in the system of calcite – dripwater – CO2. Rate constants for calcite growth in dripwater with humic acids content (k21 = 0,25 mol m-2 s-1, resp. k22 = 0,27 mol m-2 s-1) were slightly lower than rate constant for calcite growth in natural dripwater (k23 = 0,61 mol m-2 s-1). Rate constants for calcite dissolution in dripwater with humic acids content (k11 = 3,55x10-9 mol m-2 s-1, resp. k12 = 1,78x10-9 mol m-2 s-1) are slightly higher than rate constant for calcite dissolution in natural dripwater (k13 = 1,6x10-9 mol m-2 s-1). Nevertheless, occurrence of unsaturated dripwater in Tunel corridor and its genesis (mixing of waters that reached equilibrium with calcite under (1) pCO2 = 10-3,15 pressure typical for karst without soil cover and (2) pCO2 = 10-1,75 pressure in soils) demonstrate threat of anthropogenic activities in vegetation cover and soil profiles in overburden of cave systems.

Keywords

vegetace, půda, huminové látky, acidobazické reakce, CO2, Moravský kras vegetation, soil, humic substance, acid base reactions, carbon dioxide, Moravian Karst

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 7. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 22. 9. 2011
• Supervisor: doc. Ing. Jiří Faimon, Dr.
• Reader: doc. RNDr. Zlatica Ženišová, Ph.D., prof. Ing. Konstantin Raclavský, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology (4-years) / Geological Sciences