岩溶洞穴滴水元素季节变化及其气候指示意义研究——以贵州省麻黄洞为例

为揭示岩溶洞穴滴水元素季节变化特征及其对外界气候环境变化的响应关系,对贵州绥阳双河洞系支洞麻黄洞内3处滴水的Mg、Ca、Sr元素进行了为期13个月的监测。结果显示:(1)3个滴水点M1、M2和M3的水化学类型主要为HCO3·Ca型,岩溶水对于方解石与白云石等矿物的溶解处于饱和状态;(2)上覆土壤和岩层厚度逐渐增加,导致水-土-岩作用时间也随之增加;(3)Ca^2+、Mg^2+、Sr^2+浓度变化总体上呈逐级递增的特点,各离子浓度在高温多雨季节波动幅度大,低温少雨季节变化平稳;(4)Mg/Ca、Sr/Ca均表现出雨季低、旱季高的特征,反映该地区外界干湿条件的变化;(5)由模型模拟显示,3个滴水点皆以PCP/ICD作用为主,M1对降雨响应不敏感,M2滴率与离子浓度呈雨季高、旱季低的变化规律,M3位于洞穴最深、顶板最厚处,滴率与离子浓度无显著季节变化特征。结合各滴水点洞穴环境变化规律,推断M2更能准确响应外界气候环境变化。

贵州大风洞洞穴空气CO2浓度及滴水水化学与洞穴通风的响应

为探究岩溶关键带碳循环机制,揭示洞穴通风对洞穴环境变化的响应机制,在2018年国庆期间对贵州绥阳大风洞洞内空气环境指标(温度、湿度、CO 2浓度)和滴水水化学指标(温度,pH值,EC,Ca 2+,HCO-3)进行为期7 d的连续自动监测,并运用系统分析方法对各要素进行了综合分析。结果表明:(1)受游客数量、洞道结构的影响,洞穴空气CO 2浓度表现出明显的昼夜变化特征;与2#(神泉玉露)点相比,1#(夜明珠)点位于大风洞主洞道,洞腔体积较大,洞道较宽,洞穴空气CO 2浓度增加幅度及变化幅度表现为2#>1#。(2)洞穴通风效应与洞穴滴水水化学相关性显著。洞穴通风与lg P CO 2(w)呈反相关,与pH值,SIc和SId为正相关;受监测点洞道结构、通风效应和滴水水量的影响,洞穴通风与1#点的Ca 2+和HCO-3浓度变化呈反相关关系,与2#点的相关性不显著。(3)不同通风模式下,不同监测点的水气CO 2分压差及沉积环境存在差异。当ΔT v>0时,洞穴属于积极通风状态,洞穴空气CO 2浓度降低,ΔP CO 2>0,有利于洞穴景观的沉积;反之,洞穴沉积物趋向于产生溶蚀作用。

岩溶区土壤理化特征与土壤有机碳含量关系研究

为研究不同土地利用类型下土壤有机碳(SOC)的分布特征和时空差异,文章以贵州绥阳双河国家地质公园典型喀斯特土壤剖面为研究对象,通过雨季和旱季对6种不同土地利用类型土壤表层、20 cm、40 cm、60 cm进行土壤样品的采集,运用野外调查和室内分析的方法,探讨不同土地利用类型下土壤剖面理化性质与土壤有机碳含量及其相互间的耦合关系。结果表明:土壤有机碳含量雨季明显高于旱季,随着土层深度的增加,各用地类型下土壤有机碳含量普遍下降。不同土地利用类型的土壤有机碳含量变化规律为有林地(124690 mg/kg)>退耕还林地(104430 mg/kg)>灌丛地(81460 mg/kg)>旱地(77530 mg/kg)>灌草地(54110 mg/kg)>撂荒地(46530 mg/kg)。对各土地利用类型SOC与土壤理化性质进行相关性及因子分析发现,土壤含水量、土壤温度与SOC的相关性较其他因子偏高且呈现正相关,而土壤有机碳含量与土壤pH值、土壤容重、土壤孔隙度的相关性为负相关,影响研究区土壤有机碳含量的主要因素是土壤含水量(41.268%),其次是土壤温度(28.038%)。土壤理化性质在不同程度上影响着研究区的土壤有机碳含量,而土壤有机碳含量的变化又会对该区域的土壤理化性质有着明显的调节作用,两者相互联系并且相互影响,共同制约着喀斯特地区土壤在生态系统中的演变。

岩溶洞穴生态环境容量及影响因素分析:以绥阳大风洞-响水洞为例

洞穴生态环境较为脆弱,环境承载力有限。为探究洞穴生态环境容量,文章以贵州绥阳双河洞系支洞——大风洞和响水洞为研究对象,通过对洞穴空气环境的长期监测分析,基于洞穴空气环境的时空变化特征和洞穴生态环境容量的测算方法,以CO_(2)作为测算指标,定量分析洞穴生态环境容量。结果表明:(1)长时间尺度下洞穴CO_(2)浓度、温度和相对湿度均呈现夏季高、冬季低的季节性变化特征。其中CO_(2)浓度的季节性显著,波动范围在(432~1319)×10^(-6)(体积浓度),夏季平均值达1148×10^(-6),冬季为528×10^(-6),年平均值为849×10^(-6)。(2)短时间高强度旅游活动对洞穴CO_(2)浓度影响较大,各监测点CO_(2)浓度与游客总量呈正相关性,2018年游客数量的减少导致洞内各监测点CO_(2)浓度普遍低于2017年,监测点神泉玉露和夜明珠的温度日增幅分别在0.03~0.15℃和0.07~0.33℃之间,相对湿度基本保持在99%以上。(3)洞穴生态环境容量在8月降至一年中的最小值,约11253人次/d,在1-3月及12月这4个月较大且稳定,平均值达15839人次/d,其季节性变化具体表现为冬季(15814人次/d)>春季(14792人次/d)>秋季(13719人次/d)>夏季(11806人次/d);旅游高峰期,洞穴生态环境容量随洞内CO_(2)背景值的变化而不同。(4)洞穴生态环境容量主要受洞穴规模形态、通风效应、自净能力等因素影响,洞道狭窄复杂、通风效应弱、CO_(2)浓度高、自净能力差的洞段将制约洞穴旅游容量,为避免旅游洞穴资源的闲置与浪费,在旅游高峰期需要分批分时段控制游客量,或在保障洞内生态系统稳定基础上对洞穴空气进行必要的人为调节,最终实现洞穴保护与洞穴旅游协调可持续发展。

贵州九洞天洞穴系统空间分布特征及地貌演化过程探讨

洞穴分布特征及地貌演化研究是洞穴科普活动及洞穴旅游开发与管理的重要支撑。为进一步了解九洞天景区洞穴系统大型串珠式天窗群的分布特征及规律,对溶洞的规模、形态、发育方向及分布高程进行实地考察。将地理学“将今论古”的思想与地理信息系统工具相结合,探讨九洞天洞穴系统的空间展布特征及其地貌演化过程。结果表明:九洞天洞穴系统发育地层以二叠系茅口组地层为主,发育受断层节理和水文条件控制,溶洞发育方向多为北北东、北西和东南方向,与区域构造线基本一致;受第四纪间歇性抬升运动和侵蚀基准面控制的影响,洞穴系统垂向分布大致集中在1150~1220 m、1220~1270 m、1270~1340 m三个海拔范围内,与区内古河道垂向分布具有相似性;九洞天洞穴系统和地貌演化经历油菜河伏流及底纳寨干谷形成期、梯子崖伏流及张家寨干谷形成期、九洞天伏流和大天桥干谷形成期三次大的发育阶段,形成九洞天景区天窗溶洞、明暗流和古河道并存的典型喀斯特格局。

西南喀斯特地区威远河水化学及δ13CDIC特征分析

流域水化学和稳定同位素是示踪水中主要离子来源和反映流域生物环境地球化学特征的重要手段。为探究岩溶地区流域水化学、稳定同位素特征以及人类活动下的影响,2018年4月对贵州长顺县威远河13个水点进行采样,研究结果表明:威远河流域中阳离子以Ca2+为主,阴离子以HCO3-为主,水化学类型为Ca-HCO3型;威远河形成过程中主要受碳酸溶蚀碳酸盐岩的控制,硫酸和硝酸共同参与碳酸盐岩风化;研究区δ13CDIC的值变化范围为-11.42‰^-13.40‰,平均值为-11.98‰,短时间内δ13CDIC值受人类活动影响小;根据同位素质量平衡模型,计算出威远河δ13CDIC来自土壤CO2的贡献率为49.7%~58.3%,来自碳酸盐岩溶解的贡献率为41.7%~50.3%。

麻黄洞洞穴水水化学变化特征及其气候指示意义

洞穴滴水作为喀斯特地区地表-地下二元结构之间的物质传输者,外界气候环境变化对滴水中各种指标将产生重要影响。作者于2018年7月-2019年10月对麻黄洞洞穴水进行了连续16个月的监测,结合当地气温和降雨数据,采用数理统计、Piper三线图及离子比值关系等方法,对麻黄洞地下水水样数据进行分析。结果表明:(1)麻黄洞为典型白云岩洞穴,受岩性控制其滴水水化学类型为HCO_(3)^(-)-Ca·Mg型。(2)在顶板厚度、渗流通道、水-土-岩反应等因素影响下,麻黄洞洞穴水中Ca^(2+)、Mg^(2+)、Sr^(2+)、Ba^(2+)浓度变化呈现明显的空间特征,表现为常年慢速滴水点大于季节性滴水点、常年快速滴水点和地下河流水。(3)麻黄洞洞穴水的阳离子中Ca^(2+)、Mg^(2+)浓度表现出明显的季节变化特征,Sr^(2+)、Ba^(2+)浓度季节变化特征不明显,Ba^(2+)浓度受强降雨天气影响较大。(4)洞穴水中Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca比值对外界降雨具有较好的指示性;Mg/Ca比值变化主要受外界大气降雨影响,而Sr/Ca和Ba/Ca比值变化除受到降雨作用影响外还受到其他因素影响。通过对麻黄洞洞穴水的研究,有利于更深一步探索洞穴滴水对古气候环境信息的记录,为今后进行高分辨率的监测分析提供理论依据。

短时间尺度下旅游洞穴空气环境自净能力研究--以绥阳大风洞为例

在2017年9月30日-10月9日对贵州绥阳大风洞洞内的温度、湿度、CO2浓度和洞外的温度、湿度、降雨量等指标进行为期10天的连续自动监测,并结合监测期内游客量和当地降雨情况,利用数理统计方法进行分析,结果发现:洞穴空气环境的自净能力主要取决于洞内气流交换的强弱程度,尤其是在极端天气(主要指夏秋季降雨)下,洞外温度降低,促使通风模式发生转变,进而增强了洞内外气流的交换,提高了洞穴环境的自净能力。但洞穴空气环境的自净能力是有限度的,除温度、湿度外,当游客产生的CO2浓度超过洞穴空气环境的自净能力阈值时,洞内CO2会出现累积效应;反之,洞内CO2浓度又回归至洞穴环境背景值。同时,洞穴空气环境的自净能力反应时间也会因洞腔体积、洞道结构等的不同而有所差异,大风洞1#、2#、3#监测点的自净能力反应时间分别为15 h、18 h、20 h。

岩溶洞穴水δ^(13)CDIC时空变化及影响因素分析——以贵州双河洞系麻黄支洞为例

为探究岩溶洞穴水溶解无机碳同位素(δ^(13)CDIC)的变化特征、来源、影响因素及与主要水文地球化学指标间的相互关系.于2016年9月—2017年8月,逐月对贵州绥阳麻黄洞上覆土壤空气、不同类型洞穴水及对应洞穴空气环境指标进行野外监测、采样和室内实验,并运用数理统计分析方法对各监测指标进行分析.结果表明,时间上,不同类型洞穴水中δ^(13)CDIC值均表现出旱季偏重,雨季偏轻的季节性变化特征;空间上,δ^(13)CDIC值表现出地下暗河>洞穴滴水>裂隙水的特征.洞穴水δ^(13)CDIC值与其主要水文地球化学指标中的水温、EC、Ca^(2+)、HCO-3、SIc等呈显著负相关关系,与pH、Mg/Ca、Sr/Ca等呈显著正相关关系,但由于不同类型洞穴水在基岩裂隙或岩溶管道中运移路径、洞穴上覆地表植被覆盖、洞穴水是否充分脱气及二次溶蚀作用等因素影响,洞穴水点间δ^(13)CDIC值与其主要水文地球化学指标间的相关性系数存在明显差异.洞穴水中δ^(13)CDIC主要来源于洞穴上覆土壤和基岩裂隙或岩溶管道中,土壤CO_(2)在诸多因素中占主导地位,不同类型洞穴水间存在明显差异.旱、雨季节土壤CO_(2)浓度是影响洞穴水δ^(13)CDIC值季节变化的重要因素,洞穴水δ^(13)CDIC值的变化能够响应当地降雨量及地表温湿状况的变化.

岩溶洞穴滴水δ13CDIC季节变化特征及其环境意义

为揭示岩溶洞穴滴水中水文地球化学指标与稳定碳同位素特征及其对外界环境变化的响应,作者在2019年夏季和冬季2个时期分别对麻黄洞进行监测。通过对麻黄洞滴水水化学指标和滴水δC进行监测并利用数理统计方法分析,结果表明:(1)麻黄洞滴水水化学类型为HCO-Ca·Mg型,2个滴水点SIc、SId均大于0,滴水处于饱和状态。(2)麻黄洞滴水水化学指标表现出不同季节和空间的变化趋势,MH1和MH2的滴水δC值呈现出夏季偏轻、冬季偏重的季节变化特征,响应外界降水变化。(3)麻黄洞上覆受人类活动影响,其中产生的SO_(4)^(2)、NO_(3)-等离子介入导致MH1和MH2的δC发生偏重的变化,因此研究麻黄洞气候响需考虑SO_(4)^(2)、NO_(3)-的影响。

短时间高强度旅游活动下洞穴空气环境变化特征及其影响因素分析——以绥阳大风洞为例

文章通过对大风洞2017年、2018年十一"黄金周"洞内外温度、CO2浓度、相对湿度、游客量等为期7天的连续监测,并运用系统分析方法对各个监测指标进行综合分析。结果表明:(1)监测期间,受洞穴通风效应和游客量等的影响,大风洞空气环境要素(温度、湿度、CO2浓度)呈现明显昼夜变化,表现为白昼>夜晚;(2)洞道结构对洞穴空气环境空间变化具有重要影响,表现为神泉玉露洞道结构较夜明珠更为复杂,在2017年、2018年的温度、湿度、CO2浓度等均要比夜明珠的高;(3)洞外空气环境变化对洞穴通风效应具有重要的影响,表现为降雨导致洞外温度、湿度降低,虚拟温差发生改变,促使气流方向由限制性通风模式向积极性通风模式转变;(4)受气候及游客因素影响,2017年洞内温度、CO2浓度的昼夜变化特征较2018年更明显,且当游客产生的CO2浓度大于洞穴空气环境的自净能力时,CO2会出现累积效应,进而影响洞穴旅游景观及洞穴环境的舒适性,建议景区在进行旅游活动时要充分考虑短时间尺度游客人数高峰期对CO2的影响及岩溶景观的合理保护。

贵州省绥阳县麻黄洞土壤渗透水-洞穴水元素变化特征及气候响应

[目的]探究白云岩洞穴上覆土壤渗透水-洞穴水水化学元素变化特征及相互关系,揭示岩溶水Ca,Mg,Sr元素比值变化与洞外气候的响应关系。[方法]以贵州省绥阳县双河洞洞穴系统中的麻黄洞为研究对象,通过麻黄洞4个洞穴水点和上覆3个土壤点土壤渗透水的定期监测、采样和室内实验,并运用统计分析方法和元素比值法对各监测指标进行比较分析。[结果]①麻黄洞上覆土壤渗透水主要水化学指标表现为旱季>雨季、洞穴水主要水化学指标表现为雨季>旱季的季节性变化特征。②洞穴水EC,Ca^2+,Mg^2+,HCO-3,Sr^2+离子浓度约为土壤渗透水的2~6倍,表明表层岩溶带岩溶过程对洞穴水水化学元素具有重要影响。③土壤渗透水对地表降雨和温度变化具有积极响应,旱季滞留于土壤中的大量矿质元素是导致4月份土壤渗透水中Ca,Mg,Sr浓度出现高值的主要原因。④洞穴水Mg/Ca、Sr/Ca比值变化及其相关性,反映了洞穴水受到来源、水-岩相互作用、洞穴水脱气沉积和先期方解石沉淀过程(PCP)等机制影响的协同性及洞穴上覆主要岩溶过程差异,因此其比值变化能够间接表现洞外温度和降雨变化。[结论]土壤渗透水、洞穴水水化学元素具有明显的月间波动和季节性变化特征,且监测点间具有显著差异。两种类型水Ca,Mg,Sr比值变化及相关性对地表降雨和温度变化具有积极响应。

白云岩地区土壤呼吸日变化及其与土壤温湿度的响应关系

为揭示贵州绥阳双河洞国家地质公园白云岩地区表层土壤呼吸作用昼夜变化特征及其影响因素。研究利用土壤呼吸测量系统(SRS-SD2000,ADC,UK),在无降水影响下监测了双河洞国家地质公园岩溶地区灌木林地、竹林、旱地和人工草地4种不同土地利用方式的表层土壤呼吸通量昼夜变化特征,结合土壤温湿度和大气温湿度等环境参数,探究影响土壤呼吸昼夜变化的关键因素。结果表明:4种不同土地利用方式土壤呼吸速率变化均呈"昼高夜低"的单峰型变化规律,日变化最大值出现在12∶00~14∶00之间,最低值出现在5∶00~7∶00之间;各样地土壤呼吸速率和土壤温度均呈现显著的正相关关系(P<0.001),灌木林地、竹林和旱地土壤呼吸速率与土壤湿度有显著负相关关系(P<0.001),人工草地土壤呼吸与土壤湿度之间有低度相关性(P<0.05);气温是影响土壤呼吸速率变化的关键因子,实测数据表明土壤呼吸在达到峰值后不会随着气温的升高而增大;不同样地类型的土壤呼吸速率对土壤温度和湿度的昼夜响应特征存在差异。

典型岩溶区不同土地利用类型土壤CO_(2)浓度时空变化特征及影响因素分析——以贵州双河洞为例

为揭示典型岩溶地区不同用地类型下土壤CO_(2)的时空变化特征及其影响因素,于2018年1月~2019年8月对白云岩分布的贵州绥阳双河洞地区6种典型用地的5、20、40和60 cm深度土壤CO_(2)浓度进行了为期一年的监测、采样和室内实验。并运用数理统计分析方法对各指标进行综合分析,进一步探究影响土壤CO_(2)时空变化的主要影响因子。结果表明:不同用地类型下土壤CO_(2)各深度平均浓度均表现出明显的夏秋高、冬春低的季节性变化特征,年平均浓度最高出现在10月,浓度值为23276 ppm,最低在1月,浓度值为6602 ppm;不同用地类型下土壤CO_(2)浓度表现为旱地(19967 ppm)>灌草地(17098 ppm)>灌丛地(15054 ppm)>有林地(11494 ppm)>退耕还林地(10529 ppm)>撂荒地(6147 ppm),且除有林地土壤CO_(2)随着深度加深,表现出先减小后增加的特征外,其余五种用地类型下土壤CO_(2)均表现出随土层深度增加而增加的趋势;土壤温度、土壤含水量、有机碳含量、孔隙度与土壤CO_(2)浓度均成正相关关系,相关系数分别为0.406、0.252、0.382、0.703。相关性分析表明土壤温度、土壤孔隙度对土壤中CO_(2)的产生和保存具有显著影响。

喀斯特洞穴通风效应特征变化及其对洞内空气环境的影响研究——以贵州绥阳麻黄洞为例

为探究喀斯特洞穴内部空气变化特征,揭示喀斯特洞穴通风效应时空变化规律及其变化模式,于2016年1月~2019年6月间两个监测周期对贵州绥阳麻黄洞洞内外温度、湿度、CO_(2)浓度以及气压进行为期32个月的数据采集,并基于相关模型进行系统分析,结果表明:(1)麻黄洞存在3种通风模式:限制性通风模式、积极性通风模式和过渡阶段。其中夏季主要为限制性通风模式,洞内外气流交换较弱;冬季主要为积极性通风模式,洞内外气流交换运动明显,春季和秋季处于过渡阶段,两种模式交替存在。(2)洞道结构影响通风模式,同样,通风效应影响洞穴空气环境变化。根据洞道结构和通风效应对洞穴空气环境的影响可以将麻黄洞洞道分为3个部分:空气环境变化较大的1#~5#监测点、空气环境变化逐渐减小的6#~9#监测点以及空气环境稳定的10#~15#监测点。(3)受特殊的洞道结构影响,洞道中6#~9#存在"狭管效应"引起的"峡谷风",使得春秋两季洞道中部存在明显气流。基于模型分析洞穴通风效应及其对洞穴空气环境影响,研究喀斯特洞穴通风模式及其变化特征,对洞穴沉积物形成及气候变化及碳循环模式研究有重要意义。

贵州绥阳麻黄洞非典型钟乳石的演化过程

通过对贵州绥阳麻黄洞洞内6处非典型钟乳石进行详细测量和统计学定量分析,描述其发育形态和空间分布特征,并探讨其形成演化过程及影响因素。主要结论为:从发育形态上看,麻黄洞洞内非典型钟乳石共计分布6处,最大面积5.06 m^(2),最小0.18 m^(2),由于洞道结构的差异性及洞穴风的作用,非典型钟乳石的生长方向各有不同,但主要方向与洞道的走向呈近似平行状态;发育过程来看,麻黄洞非典型钟乳石的形成主要是附着于洞穴顶板的基岩或已形成的洞穴次生化学沉积物表面,由滴水在洞穴风的影响下不断进行脱气沉积而形成;总体上,麻黄洞洞内非典型钟乳石的形成主要是水动力条件、基岩性质、洞道结构及风动力条件等因素耦合的作用,其中,洞穴风是形成非典型钟乳石的主要动力。