受地质条件制约的中国西南岩溶生态系统

岩溶生态系统是受岩溶环境制约的生态系统。中国西南岩溶石山区岩溶发育的地质历史背景,决定其碳酸盐岩主要分布于NE向的构造隆起带上。碳酸盐岩出露面积占土地面积比例≥30%的岩溶县有292个。岩溶生态环境的特殊性和脆弱性主要表现在:(1)西南岩溶生态系统中水、土资源的短缺且不协调。水资源以地下水资源为主,且难开发;土壤资源零星分散,土层薄,易流失;(2)现存广西区植被覆盖特征显示,岩溶石山区森林覆盖率明显低于非岩溶区,同时也暗示着岩溶石山区植被的恢复、演化慢于非岩溶区植被;(3)贵州石漠化分布特征表明岩性对岩溶生态环境的制约;(4)脆弱的岩溶生态环境制约着生态系统的人口承载力。贵州省是西南碳酸盐岩集中分布区的中心,其人均国民生产总值则远比邻省的低。广西、湖南、湖北、重庆碳酸盐岩的分布具有明显的地块性,其岩溶县的人口密度仅分别为非岩溶县的85.05%、83.03%、46.78%、54.43%,岩溶县的人均国民生产总值、农民人均纯收入也不及非岩溶县。根据岩溶生态系统结构特征,在西南岩溶生态重建过程中应关注地表植被覆盖率对表层岩溶带水循环的影响、关注土地利用对地下水的影响、关注岩溶地球化学对特色经济植物可持续发展的影响。

岩溶动力学的理论探索与实践

国土资源部岩溶动力学重点实验室的研究群体自1990年以来连续成功实施了3个国际岩溶对比计划项目，包括IGCP299、IGCP379、IGCP448，在岩溶形成、碳循环、岩溶生态和水资源等领域，为国际岩溶学术界提供了共同解决岩溶地区资源环境问题的机会，将地球系统科学思想引入现代岩溶学，建立岩溶动力学理论，有力地推动了国际岩溶学科的发展。目前正在执行的IGCP513“岩溶含水层与水资源”项目继续引领国际岩溶地质研究方向。相关成果为在中国桂林建立联合国教科文组织“国际岩溶研究中心”（IRCK）奠定了坚实基础。由此回顾了20多年来岩溶动力学理论在中国的发展过程。概述了其主要的科学成果和应用前景。指出了地球系统科学的引入、全球视野的研究和及时将理论用于解决岩溶地区的资源环境问题在现代岩溶学发展中的重要意义。经过20余年的不断探索，形成了岩溶动力学理论的基本思路，并创造性地总结了一套捕捉碳、水、钙循环的行踪的工作方法。通过全球对比，提出“岩溶形态组合”概念，将岩溶形态组合与岩溶形成环境条件建立对应关系，解决异质同相、同质异相这一令岩溶学者迷惘的问题。将岩溶学引入全球变化研究，一方面把岩溶作用与全球碳循环紧密的联系在一起，通过对CO2-H2O-CaCO3系统（岩溶动力系统）的定位观测，发现全球最大的碳库-碳酸盐岩体在全球碳循环中仍甚活跃；另一方面，岩溶动力系统（KDS）对环境变化十分敏感，响应及时，其相关沉积物可记录全球变化。将岩溶地质过程与生态学联系在一起，将现代岩溶学理论的研究推向应用，与生产实践结合。在岩溶动力系统运行机制和运行规律、我国岩溶动力系统的类型划分和分布规律、在表生岩溶系统碳循环与大气CO2源汇关系、利用石笋记录重建古气候、古环境变化过程及中国西南岩溶生态系统研究等方面均获得了突出成果，如首次估算了我国和全球因碳酸盐岩溶蚀回收大气CO2的量，中国为1.774×10^7t／a，而全球为6.08×10^8t／a；证实了西南岩溶区典型表层岩溶泉水化学的季节、日变化与暴雨动态，表层岩溶泉水化学取样的频率需要重新审定，而且水文水化学的连续监测对于岩溶作用强度和岩溶作用碳循环的高精度评价是十分必要的；要了解岩溶系统水化学的变化，仅考虑水-岩相互作用是不够的，我们还必须重视CO2气体对岩溶系统中水化学变化的影响，即岩溶系统水化学动态的变化是CaCO3-H2O-CO2三者相互作用引起的，水-岩-气相互作用的概念必须引入岩溶水化学的研究中；揭示了过去0．16Ma来亚洲季风和低纬度地区降雨变化的特征，说明太阳辐射强度增高，驱动了盛问冰期的出现，重建了荔波地区2．3ka来古气候环境的演变历史，贵州董哥洞石笋提供了低纬度、低海拔地区，可较好定年，更接近水汽来源区的古气候变化的替代指标；石笋记录发现末次冰期以来存在有多次冷事件-Heinrich冷事件H1-H5跃变事件，新仙女木事件在我国南方的洞穴沉积物中具有显著的反映。对西南8省区市岩溶县、石漠化严重县统计和空间分布特征的分析研究表明地质地貌条件对岩溶区资源、环境和社会经济具有制约作用，认为西南岩溶区石漠化综合治理首先要在岩溶地质条件的基础上，结合气候、水文和社会经济状况，才能深入分析岩溶区石漠化的成因、危害和类型。划分出岩溶区石漠化综合治理区域8大区成为“西南岩溶石漠化综合治理规划大纲”编写的重要基础。

碳酸酐酶及多肽类生物大分子与岩溶动力学理论的思考

岩溶动力系统是一个边界受制于已有地表地下岩溶形态,与地球四圈层有密切联系的开放系统。该系统在生物圈的主导作用下与水圈、大气圈及岩石圈(土圈)相互作用,产生物质循环和能量流动,发生水-岩-气作用,进而在全球碳循环中发挥积极作用。生命物质在水-岩-气过程中的作用机制,尤其碳酸酐酶快速催化水和二氧化碳反应过程,以及多肽类生物大分子提高方解石中镁含量能力的发现,使岩溶动力学理论得到进一步丰富和发展。因此,如何更好的将现代生命科学理论引入到岩溶动力学中,丰富和发展岩溶动力系统模型,并与生产实践相结合,是联合国教科文组织岩溶研究中心落户桂林之后岩溶动力学理论发展过程中面临的新课题。

玄武岩盖层下石林的岩溶动力学特征

受玄武岩盖层的影响,石林地区的地下水在雨季和旱季对碳酸盐岩都具有侵蚀性,玄武岩盖层空气CO2呈现出低-高-低的双向变化梯度。溶蚀试验表明,地下0～0.6m,水平方向的溶蚀量大于垂直方向的溶蚀量,而随着深度的增加,垂直方向的溶蚀量大于水平方向。富含CO2的水通过具有最大渗透张量和较小主轴倾角的玄武岩裂隙下渗,对碳酸盐岩的溶蚀作用表现为一个脱钙、富铝铁、硅迁移的复杂过程,并在地下0～0.6m形成许多水平凹槽、穿洞等岩溶形态,而地表0.6m以下以垂向溶蚀为主,有利于石柱的形成与发育。

岩溶动力系统与全球变化研究进展

碳酸盐岩是岩溶发育的物质基础,它记录着地球历史时期的环境变化,是地球最大的碳库,对地球大气和生命演变起到重要作用;现代全球岩溶分布面积2200万km^2,占陆地面积的15%,岩溶动力系统是地球表层系统的重要组成部分,全球25%的人口依赖岩溶地下水资源的供给,岩溶生态系统的脆弱性制约着区域经济社会发展;本文主要针对近30年以来,岩溶学科发展进行综述,包括岩溶动力学概念、内涵与发展,驱动岩溶发育的地质-生态机制,岩溶动力系统与碳循环新进展,岩溶动力系统与水循环新进展,岩溶动力系统与钙循环新进展;岩溶动力系统与全球环境变化研究发展展望(岩溶关键带下的资源环境效应及国际大科学计划的启动)。

垂直气候带岩溶动力系统特征研究——以重庆金佛山国家级自然保护区为例

利用CTDP300多参数自动记录仪对重庆金佛山国家级自然保护区碧潭泉和水房泉的降雨量、水位、水温、pH值、电导率进行了监测。结果表明,不同海拔高度的表层岩溶泉水化学对环境变化十分敏感,且具不同的表现形式,气温和土壤CO2浓度是引起水化学动态变化的两个重要因子。位于海拔较低的碧潭泉气温,土壤CO2浓度相对较高,岩溶作用也相对强,位于海拔较高的水房泉则相对较弱。受气温控制,前者的水温、pH表现出明显的白天高,夜间低的昼夜变化规律。降雨过程中,至少有两种效应在影响水化学性质:雨水的稀释效应和CO2效应,前者对碧潭泉水化学变化影响较大,降雨可引起泉水电导率、水温及pH的显著下降,降雨强度越大,下降速度与幅度越大,而从泉水电导率下降、pH值略有上升看,两者均对水房泉的水化学变化产生了影响。

水生植物对岩溶水化学日变化的影响——以桂林岩溶水文地质试验场为例

以桂林岩溶水文地质试验场为研究点,以研究水生植物对岩溶水化学日变化的影响为目的,着重研究水葫芦和水藻对岩溶水的pH、电导率、溶解氧含量、方解石饱和指数以及CO2分压日变化的影响。试验结果表明:在不同水生植物生长的岩溶水中,水化学的日动态变化规律是不同的。在水藻生长的水池出水口处,水的pH、电导、溶解氧含量、饱和指数以及CO2分压所受的影响主要以水生植物的光合作用为主;而在有水葫芦生长的岩溶水中,水生植物的光合作用影响降低,而温度和根呼吸作用的影响增强。在以桂林岩溶水文地质试验场S31号泉水池出水口堰板处和堰板下游约3m处为监测点试验时,试验结果表明其水生植物的影响占70%以上,强于温度作用的影响。

人工示踪技术在岩溶地区水文地质勘察中的应用

人工示踪技术用来验证地下水流动的方向和追溯地下水的来源,在水文地质勘察、水利工程防渗、地质工程涌水处理和查明矿井涌水来源方面有广泛的应用.相比于国际上示踪试验的应用,国内虽然在仪器设备上不相上下,但是在应用的广泛程度上差距很大.近年来示踪剂的自动化监测技术的进步使示踪试验在一些新的领域开展,例如研究平原地区岩溶含水层的流场,以及与天然示踪剂联用进行岩溶水系统的水文过程研究.由示踪试验计算得到平原地区岩溶含水层中地下水的视流速在数量级上为10~102 m·d-1,而地下河中的视流速为102~104 m·d-1.尽管从富水性上显示平原地区岩溶含水层的地下水赋存比较均匀,但是示踪剂的运移被严格限制在主径流通道中,很难发生侧向的弥散.相比于地下河系统,平原地区含水层中缓慢的流速和很好的富水性结合会产生强烈的稀释作用,这是开展此类示踪试验需要注意的重点.为此建议在平原地区开展示踪试验的最远距离一般不宜超过1km.鉴于示踪试验的重要性和南方大量地下河急需妥善管理,建议在水文地质普查中大量采用.

典型表层岩溶动力系统的环境敏感性研究——以广西马山县弄拉峰丛洼地为例

利用多参数自动记录仪(CTDP300)对广西马山县弄拉监测站的降雨量及表层岩溶泉水的水位、水温、pH值、电导率进行了监测。结果表明,系统对环境变化响应及时。其地球化学行为表现为明显的季节与昼夜动态变化,且在不同的气候条件下,水化学动态变化有不同的表现。在正常气候(无雨)条件下,水温、pH与电导率之间具有较好的正相关关系。暴雨期间,降雨开始阶段稀释作用明显。降雨中后期,CO2效应逐渐占主导地位。因此有必要把水、岩、CO2气体作为一个整体来解释表层岩溶作用的水文地球化学行为。

万华岩表层岩溶带岩溶动力系统的特点研究

万华岩地区碳酸盐岩中普遍发育的非碳酸盐岩夹层 ,以及“土层 +裂隙层”表层岩溶带双层结构对岩溶动力系统和水循环具有显著影响 :非碳酸盐岩地段的地下水因其矿化度较低 ,CO2 含量较高 ,而具有较强的侵蚀、溶蚀能力 ,导致岩溶动力系统的物质和能量传输非常活跃 ,一个岩溶泉年溶蚀量 (以 Ca CO3计 )达2 795 .4 kg;由于非碳酸盐岩夹层的普遍存在 ,不仅阻碍地下水向深循环 ,而且还有利于土壤、植被的发育。土壤、植被与地表岩溶裂隙网络对区内岩溶地下水还具有较好的调蓄作用 ,以致使区内有众多的小泉点在地表出露。

中国岩溶碳汇过程与效应研究成果及展望

我国是世界能源消费和CO_2总排放量第一大国,碳减排任务艰巨,责任重大。据调查,我国岩溶碳汇与森林、土壤碳汇在同一数量级,但其要在国家层面发挥重大作用,其影响因素及机理需要进一步调查和阐释,估算精度还有待提高。系统总结了流域尺度岩溶碳循环过程,并重点揭示了生物作用对岩溶碳循环的影响;研究了水圈二氧化碳的再循环规律;评估了外源水对岩溶作用的影响程度和促进强度;利用数学回归模型估算区域岩溶碳汇通量,提高了由点到面岩溶碳汇通量估算精度,并提出增加岩溶碳汇潜力技术途径,为我国岩溶碳汇通量科学估算提供支撑。

高密度电阻率成像法与微动谱比法探测岩溶区塌陷的地质背景——以广东省高要市蛟塘镇塱下村塌陷区为例

塌陷已成为岩溶区最主要的地质灾害。本文以广东省高要市蛟塘镇塱下村岩溶塌陷区为例,结合钻探资料,应用高密度电阻率成像法与微动谱比法联合探测塌陷区背景地质结构和构造。通过区内外14个已知钻孔旁的微动测量,建立了微动特征频率与覆盖层厚度的数学关系,并应用于塌陷区覆盖层厚度的估算。高密度电阻率成像反映出岩土电阻率在水平方向和垂直方向上的变化,揭示了地下地质结构;微动谱比法揭示了探测场地的基岩起伏形态,结合地层岩性推断了古河道的存在并确定了其边界及延伸方向,与高密度电阻率成像法联合进行地质解译,推断了基岩内断层发育的空间位置、走向等特征。综合该两类物探技术探测成果和钻探资料表明,塌陷位于古河道内,并沿古河道方向发育,其方向与区域北东向构造走向方位一致。

桂林毛村岩溶区与碎屑岩区林下土壤碳迁移对比及岩溶碳汇效应研究

桂林毛村岩溶地下河流域位于桂林市东南30km的潮田毛村,流域面积约10km^2,为开展岩溶区、碎屑岩区土壤碳迁移对比研究,选择具代表性的林下棕色石灰土、红壤剖面各一个开展以月为观测周期的土壤呼吸排放CO_2速率、同位素动态变化及其土壤剖面不同层位CO_2浓度时空分布的动态观测,进而分析岩溶动力系统中土壤碳迁移特征及岩溶碳汇作用机制。结果显示:1)岩溶区石灰土的土壤呼吸排放CO_2速率明显低于碎屑岩区红壤的,岩溶区土壤呼吸速率的变化幅度为23.12～271.26mgC/m^2·h,碎屑岩土壤呼吸速率的变化幅度为51.60～326.28mgC/m^2·h;如以年平均值计算,则岩溶区土壤呼吸排放CO_2的量要比碎屑岩区红壤少25.12%;2)岩溶区石灰土土壤呼吸排放CO_2的δ^(13)C值比碎屑岩区红壤的偏重,岩溶区土壤呼吸排放CO_2的δ^(13)C值为-29.35‰～-18.26‰,平均为-22.68‰,碎屑岩区为-29.21‰～-22.60‰,平均为-26.21‰;3)岩溶区石灰土剖面中CO_2浓度出现双向梯度,且水热条件良好的季节双向梯度表现更明显,而碎屑岩区红壤剖面中则出现随土壤层深度的增加,土壤CO_2浓度增加的一向梯度;如以剖面中CO_2浓度的平均值计算,则岩溶区石灰土中CO_2浓度的变化幅度为0.05%～0.60%,年平均0.25%,而碎屑岩区红壤的变化幅度为0.05%～1.09%,年平均0.57%。这意味着岩溶区土-岩界面石灰岩的溶解消耗吸收土壤下层CO_2,即土壤中岩溶作用产生碳汇的过程。

广西弄拉岩溶植被不同演替阶段的主要土壤因子及溶蚀率对比研究

植被是土壤形成过程中最活跃的因素 ,在同样气候条件下又是最重要的因素 ,植被的演替改变了土壤的理化性质 ,促进了成土作用。植被的正向演替可改善土壤 A层的理化性状 ,降低容重 ,增加孔隙度、含水量和有机质含量 ;而 B层理化性状在演替初期得到改善 ,后期 (乔林期 )却明显下降 ,容重增加 ,孔隙度、含水量和有机质含量大大降低。土壤 p H值随演替进展逐渐降低。Mg含量随正向演替而降低 ;Ca因植物的作用而呈现复杂性。土壤 CO2 的变化也很复杂 ,表层 CO2 随正向演替明显增加 ,但当(青冈林土 )孔隙度很大时有利于 CO2 的逸出而大大降低 ;深层 CO2 与土壤孔隙度、含水量一致 ,初期随正向演替增加 ,到乔林期又降低。地表溶蚀率随植被正向演替 ,先降低后增加 ;土壤中岩石的溶蚀率随演替而增加 ,与 Ca、Mg含量 ,p H值成反比 ,与土壤有机碳、CO2 浓度成正比 ;植被进展演替有促进潜蚀的作用 ,演替初期表层溶蚀率较深层高 ,到乔林阶段后深层较高。岩石的溶蚀率还受土壤含水量、孔隙度等多种因素的影响。

水-岩-气相互作用引起的水化学动态变化研究——以桂林岩溶试验场为例

利用多参数自动记录仪对桂林岩溶试验场的降水量、水位、水温、pH值和电导率进行了监测,数据采集间隔根据参数变化的程度由2min到1h不等。结果发现,岩溶裂隙水在洪水期间pH值呈降低趋势,而电导率呈升高的不寻常变化。与此相反,对于岩溶管道水,同样是在洪水期间,它的pH值是升高的,而电导率呈正常的降低。考虑到Ca2+和HCO-3分别为地下水中主要的阴阳离子(>90%),及它们与电导率的线性关系,计算得到了洪水期间方解石的饱和指数(SIc)和水的CO2分压(Pco2)的变化情况。发现洪水时裂隙水的Pco2高于正常情况的Pco2,而它的SIc值比正常情况低。与此相对,对于管道水,尽管同一洪水期间其SIc降低,但Pco2也降低。从这些结果,可以推断,至少有两个关键的过程控制着洪水期间的水化学变化。一个是雨水的稀释作用,另一个是水-岩-气的相互作用。然而,对于裂隙水来说,后者的作用可能更重要,即在洪水期间,高浓度的土壤CO2溶解于水中,则更具侵蚀性的水能溶解更多的石灰岩,从而增强水的电导率。而对于管道水,雨水的稀释作用更重要,因为研究区较高的pH和低电导率的雨水能更快地通过管道流出,所以,要了解岩溶系统水化学的变化,仅考虑水-岩相互作用是不够的,我们还必须重视CO2气体对岩溶系统中水化学变化的影响。总之。

岩溶动力系统中的生物作用机理初探

岩溶动力系统是地球表层系统的重要组成部分。生物是地球表层系统中最活跃的地质营力之一 ,它在岩溶动力系统中扮演着重要的角色。地质历史时期 ,生物圈大气圈界面上 ,生物通过植物的光合同化、动植物分泌 ,使大气圈中的CO2 不断转移到碳酸盐岩中 ,形成岩溶发育的物质基础 ,并成为全球最大的碳库 ;生物圈水圈界面上 ,生物形成的生物 (微 )环境改变了水循环的强度和方向 ,并影响岩溶发育 ;生物圈岩石圈界面上 ,生物通过生物物理、生物化学过程 ,殖居碳酸盐岩之上 ,并以之为生存依托 ,生物的新陈代谢过程使碳酸盐岩岩石圈活化 ,使其积极参与全球碳循环。

不同岩溶环境系统的水文和生态效应研究

本文选择 3个不同类型的岩溶生态系统作为研究对象。从植被发育状况、群落特征、水化学特征对系统的响应、表层岩溶带功能、系统生态效应及水文效应进行了对比研究。结果显示 ,植被群落特征较好地反映了生态环境系统遭受破坏的程度及所处的演化阶段 ;因表层带本身结构的差异 ,使其具有不同的功能 ,特别是表现在对系统小气候和表层岩溶带水资源的调节方面 ;水化学对系统的响应过程 ,反映了不同系统中物质运移特征的差异。

不同来源小球藻对岩溶水Ca^2＋、HCO3^-利用的初步研究

以外源小球藻和岩溶区筛选出的土著小球藻为研究对象,在封闭体系中比较研究了两种不同来源小球藻对典型岩溶水中Ca2+、HCO3-的利用、藻细胞数量与其对Ca2+、HCO3-的利用率的关系和体系pH的变化。结果表明,土著小球藻利用Ca2+、HCO3-的能力强于外源小球藻,但外源小球藻对Ca2+的利用量高于土著小球藻,而二者对HCO3-的利用量相同,并且外源小球藻能够以胞外CaCO3-形式产生沉淀,而土著藻则不能形成沉淀。其次两体系中pH的变化显示,两种小球藻光合作用都是先以水体中CO2为光合作用碳源,然后利用HCO3-。外源小球藻能将岩溶水中29.648%的HCO3-吸收,而土著藻能将40.625%的HCO3-通过其在食物链中的初级生产地位将岩溶碳汇转化进入到生态系统,表现为净碳汇效应。

典型表层岩溶泉短时间尺度动态变化规律研究

本文以广西马山县弄拉岩溶动力系统监测站为例 ,通过人工及自动记录 ,分别对表层岩溶泉水的物理化学特征变化进行了研究。短时间尺度监测表明 ,岩溶动力系统对环境变化十分敏感 ,响应及时。在不同的气候条件下 ,水的物理化学特征多日与昼夜动态变化有不同的表现。在正常气候 (无雨 )条件下 ,水温的变化与气温变化基本一致 ,pH与电导率之间具有较好的负相关关系 ,电导率峰值区滞后最高温度约 4～ 5h。这可能与植被从光合作用向呼吸作用转变导致大气CO2 浓度产生较大的梯度变化有关。而这种梯度十分有利于岩溶作用的进行。暴雨期间 ,稀释作用可贯穿整个降雨过程 ,但降雨 1～ 2h后 ,表层岩溶带的高裂隙率和渗透性开始发挥作用 ,水动力作用和CO2 效应逐渐占主导地位 ,而稀释作用对弱降雨过程仅作用于降雨的开始阶段。因此有必要把水、岩、CO2 气体作为一个整体来解释表层岩溶作用的水文地球化学行为。