岩溶IGCP国际合作30年与岩溶关键带研究展望

全球岩溶类型多样,对环境变化敏感,资源与环境问题突出,是地球关键带监测与研究的重点,IGCP661项目的执行为岩溶区关键带类型划分与监测对比研究提供了契机和国际合作平台。近30年岩溶IGCP执行始终强调岩溶系统与人类活动环境的相互作用,其轨迹实际上与地球系统科学到地球关键带理念是一脉相承的。IGCP299提出了岩溶形态组合概念,揭示各种岩溶形态与其形成环境之间的因果关系。岩溶动力系统(IGCP379),岩溶生态系统(IGCP448)概念的提出有助于我们更好地理解岩溶系统的整体功能,及系统内水、生物地球化学过程、人类活动的相互作用,进而形成了一整套岩溶动力学研究方法体系。开辟了岩溶记录与全球变化、碳循环与应对气候变化、石漠化形成演变与生态修复等研究新领域,并取得了丰硕的研究成果,有力地推动了现代岩溶学的发展。

桂林毛村地下河流域岩溶关键带碳循环研究

本文系统总结了桂林毛村地下河观测站在岩溶关键带垂向上碳循环的监测工作,为基地进入岩溶关键带监测网络奠定基础。对岩溶植被层-土壤层-岩石层-地下水无缝连续体的碳循环监测,包括不同地质背景下典型植被的光合速率、自然植被下凋落物的分解(植被层)、不同土地利用方式下土壤碳库的组成及转化、土壤微生物及有机酸对碳酸盐岩的溶蚀(土壤层)、洞穴CO2浓度及同位素的变化(气体-岩石作用层)、流域水体无机碳特征、外源水对岩溶碳汇过程的促进(地下水层)等方面。经过长期的科研积累,形成一套包括岩溶生物地球化学、岩溶水文过程、同位素示踪技术等在内的野外及室内研究方法,为流域尺度岩溶关键带碳循环的研究提供了技术支持和理论基础。但岩溶关键带碳循环过程中的生物作用及现代CO2在岩溶关键带中的周转时间研究较少,亟待加强。桂林毛村地下河流域岩溶关键带碳循环的研究具有地域优势和学术优势,适合成为我国岩溶关键带监测站。

岩溶关键带水文地球化学研究进展

岩溶关键带处于岩石、水、土壤、大气、生物五圈交汇地带。正确认识岩溶关键带的结构、特点及其水文地球化学过程是当前地球关键带与岩溶水科学研究的重点问题。本文基于对国内外相关研究成果的归纳整理,剖析了岩溶关键带水文地球化学内涵、岩溶关键带水动力垂向分带、岩溶关键带框架下的水文地球化学过程与机制,探寻变化环境下岩溶关键带水文地球化学过程演变的规律与驱动机制。指出了当前研究中存在的薄弱环节:目前工作仅停留在传统岩溶地下水科学工作范畴,未从岩溶关键带框架体系的角度考虑植物冠层至岩溶含水层之间水文地球化学过程及其耦合关系,未考虑新污染物持续输入、地球大数据科学工程深入实施、全球碳排放路径逐渐改变等时代因素对岩溶水文地球化学研究的潜在影响。进一步的研究可以从以下方面开展:基于岩溶关键带框架体系的新污染物水文地球化学研究,基于大数据框架体系的岩溶水文地球化学研究,“双碳战略”下的岩溶水文地球化学研究,岩溶关键带水文地球化学驱动的物质转化与能量迁移过程及其耦合以及高分辨率监测、评估与模拟手段的综合应用。

岩溶关键带植被对水循环过程的影响作用研究

随着农村能源结构的调整和多项林草植被保护政策的实施,我国西南石漠化趋势得到初步的遏制。岩溶作用过程是由水循环驱动的碳循环过程。岩溶区森林植被的水文效应,不仅促进植被自身的生长,还能进一步促进岩溶作用过程。在西南岩溶区选择了2个不同植被覆盖条件的地下水系统为研究对象,通过地下水系统降水量、地下水径流量、水化学组分和同位素组分等监测指标的对比分析,发现岩溶关键带中,森林植被对水循环过程具有明显的影响。植被通过蒸腾作用而在林区激发二次降水,使林区降水量明显增大;森林植被对强降水的截流消洪作用比较明显,在降水-径流曲线上表现为森林覆盖区降水洪峰产生比较滞后而排泄过程中退水曲线上较为平滑;森林植被对岩溶关键带地下水中无机碳的贡献比较大,并能有效的增强岩溶作用。

岩溶关键带年内水文动态变化规律

解译岩溶关键带水文动态变化规律对进一步认识岩溶水循环机制及岩溶区地下水资源可持续利用都有着重要的意义。基于典型岩溶区昆明市阿子营乡黄龙泉域的大气降水、不同类型洞穴滴水、泉水等逐周连续监测的水文气象数据,运用年内分配不均匀系数、完全调节系数、集中度和集中期等指标和时间序列法揭示岩溶区降水→洞穴滴水→泉水的年内水文动态变化特征及其规律。结果表明:年内分配不均匀系数、完全调节系数、集中度总体呈降水→洞穴滴水→泉水垂直递减,其中敏感性滴水≤稳定性滴水<季节性滴水;泉水水位、洞穴滴水的集中期比降水滞后约2个月。泉水水位、洞穴滴水对降水响应的滞后时间为敏感性滴水<泉水水位≤季节性滴水<稳定性滴水。岩溶关键带水具有丰、枯期交替的季节性特征和降水→洞穴滴水→泉水垂直运移的水文分带性,黄龙泉由点状、线状、面状等多种方式补给,为季节性波动大的常流岩溶泉。

岩溶关键带土壤-洞穴系统CO_(2)运移的时空变化——以河南鸡冠洞为例

为了了解豫西鸡冠洞岩溶区不同尺度下水-土-气的中CO_(2)的变化特征,探究CO_(2)在岩溶关键带系统的运移关系,2019年5月至2020年10月,利用固态传感器对河南鸡冠洞上覆土壤取样点进行高时间分辨率监测,每隔15 min采集一次数据。结合每月采集洞内空气CO_(2)浓度数据、每月测定洞穴水水化学指标数据及每月监测的降水、气温数据进行全面系统地分析。结果表明:①土壤CO_(2)浓度、洞内空气CO_(2)浓度和洞穴水水化学指标具有明显的季节性变化特征,均表现为夏秋高冬春低;②土壤CO_(2)浓度在昼夜尺度下,白天高于夜晚,夏季的昼夜差值最大,冬季的昼夜差值最小,且昼夜变化滞后气温、土温变化约6 h;③洞内CO_(2)浓度变化、洞穴水离子浓度和水化学指标在昼夜变化上具有同步性;④强降雨条件下(单场降雨量为42.2mm),土壤水分和土壤温度能及时响应降雨变化,而土壤CO_(2)浓度对降雨的响应滞后2 h。洞穴水、洞穴CO_(2)浓度对降雨的响应与土壤CO_(2)具有相似性;⑤基于月均值的土壤CO_(2)浓度与土壤温度、土壤湿度的相关系数分别为0.67、0.031。垂直方向上,CO_(2)浓度变化依次为土壤>洞穴>空气。昼夜尺度上,土壤CO_(2)浓度变化滞后于气温、土壤温度变化,其原因是受上覆植被光合作用强度影响。CO_(2)在洞穴水运移中以脱气沉积为主,补给洞内空气CO_(2)浓度。在强降雨过程中,土壤CO_(2)浓度变化受控土壤的温度和湿度;而在更长时间尺度上,土壤CO_(2)浓度变化更多地受土壤温度影响,土壤湿度对其影响较小。

岩溶关键带水循环过程研究进展

岩溶关键带处于岩石、水、土壤、大气、生物五圈交汇地带。正确认识岩溶关键带的结构、功能及其水文循环过程是当前地球关键带与岩溶水科学研究的关键问题。剖析了岩溶关键带水循环过程与演变规律、水循环过程在岩溶关键带中的作用,探寻变化环境下岩溶关键带水循环过程演变的规律与驱动机制,总结不足与问题,提出未来研究的总体趋势和方向:岩溶关键带形成与演化和水循环过程相互作用机制;岩溶关键带水循环驱动的物质转化与能量迁移过程及其耦合;水循环过程在不同时空尺度上对全球变化与人类活动干扰的响应;多种观测与模拟手段的综合应用。

滇中高原岩溶关键带典型含水系统水化学特征及成因分析

岩溶关键带水文地球化学过程的研究对于科学认识其内部的演化环境与结构特征具有重要意义。岩溶水是水-岩作用后主要的信息载体,定量分析其水化学特征及成因是揭示岩溶关键带含水系统介质环境与水动力条件的有效手段。以滇中高原岩溶关键带3个典型岩溶含水系统为研究对象,通过对不同含水系统出露的岩溶泉进行野外采样与室内测试,综合采用数理统计分析、水化学图解、离子比例系数与水文地球化学模拟等方法,深入剖析了各含水系统岩溶水水化学组分特征、成因作用和含水层介质特性,并对关键带中水循环与水化学的内在联系及规律进行了探讨。结果表明:①HCO-_(3)、Ca^(2+)是各含水系统岩溶水中含量最高且来源稳定的离子组分,Mg^(2+)是控制各含水系统水化学类型异化的关键因素;②碳酸盐岩类的岩石风化、矿物溶解是各含水系统内岩溶水化学组分特征的主要成因作用,岩溶水对华宁水系统含水层的溶蚀作用仍在发生,阳离子吸附交替与硅酸盐岩类的风化溶解是区域岩溶水中Na^(+)、K^(+)的重要来源;③区域岩溶的发育强度、岩溶含水层的出露条件及含水介质岩性与连通性共同塑造了滇中高原岩溶关键带不同含水系统地下水化学特性。研究成果丰富了对滇中高原岩溶关键带水文地球化学过程的认识,为区域岩溶水资源的开发、利用与保护提供基于水化学的证据支撑。

地球关键带与岩溶关键带:结构、特征、底界

地球关键带已成为表层地球系统科学的重要研究领域,代表了未来地球系统科学研究的新理念和发展趋势。岩溶分布面积约占全球陆地面积的15.2%。岩溶关键带是一个独特的关键带类型。目前对岩溶关键带的科学内涵还缺乏统一的认识,对岩溶关键带的结构、特征和底界等问题还缺少相关的讨论。在回顾地球关键带科学发展的历程和归纳其主要特征的基础上,梳理了岩溶关键带概念提出的背景、发展的过程,总结了岩溶关键带的特征,并对仍存在较大争议的岩溶关键带底界问题进行了分析讨论,同时对岩溶关键带的进一步发展方向进行了分析。总结表明,岩溶关键带是在可溶岩地区岩石圈、水圈、大气圈、生物圈、土壤圈界面上物质循环、能量流动所塑造的地球关键带类型。岩溶关键带的范围是可溶岩地区的植被冠层到岩溶含水层底板,包括了植被层、土壤层、表层岩溶带、包气带、饱水带。岩溶关键带具有典型地表、地下双层地质结构及特殊的以碳水钙耦合循环为主的地球化学过程,对环境变化敏感。通过对比发现,岩溶关键带具有以下8个主要特征:①碳酸盐岩积极参与关键带物质循环过程;②对环境变化敏感;③多层次水文地质结构;④横向空间异质性强;⑤地下空间网络庞大;⑥具有大跨度的生物群;⑦具有基岩-植被-水直接相互作用的独特的生态水文过程;⑧横向边界受分水岭变迁的控制。岩溶关键带的底界为地表以下一定范围降雨补给来源的水体对碳酸盐矿物(方解石、白云石等)的溶解已没有影响且已没有可能产生进一步溶解碳酸盐矿物能力的深度。根据学科发展趋势和国家需求,今后应进一步关注以下4个方面的研究:①我国不同类型岩溶关键带的结构、形成及演化机制;②退化岩溶生态区关键带服务功能与区域可持续发展;③工程活动对我国岩溶关键带结构、属性和演化过程的影响;④气候变化与我国岩溶关键带结构、功能、属性变化的耦合过程。

岩溶关键带及其碳循环研究进展

岩溶关键带的范畴包含了大气-(降水)-植被-土壤-裂隙-基岩-水组成的“碳-水-钙”循环强烈的表层岩溶带以及岩溶管道-洞穴-地下河-隔水层组成的巨大岩溶地下空间,岩溶关键带碳循环是岩溶地球系统科学研究的前沿方向。总结概括了岩溶地球系统科学发展至今的岩溶关键带范畴内碳循环及其对大气CO2源汇效应的研究成果,包括早期碳运移模型、当前主流的区域岩溶碳汇量的计算方法和结果以及“生物碳泵”的新发现等,讨论了当前岩溶碳循环研究框架过于单一或不一致以及碳周转时间尺度等问题,提出应对岩溶关键带碳输入、赋存以及碳输出的各个环节做出系统化监测,通过联网在线高分辨率监测站点的建设以及“3S”技术实现点位到区域的研究,使岩溶碳汇在全球碳循环模型中的重要性更具说服力。

岩溶关键带微量元素运移的时空变化:以豫西鸡冠洞为例

为探索岩溶关键带元素运移时空变化特征及过程,自2009年10月至2015年5月对我国北方典型岩溶关键带——河南西部鸡冠洞相互作用带中各组分(大气降水、土壤、基岩、洞穴滴水、洞穴现代沉积物)进行了连续定点监测及取样分析,共获得650个实验数据.对比了Ca、Mg、Ba、Sr、δ^(13)C及元素比值在不同组分中的变化情况及运移规律.结果表明:(1)土壤与基岩是滴水的主要物质来源,Mg、Ba、Sr符合"土壤-基岩"二元物源模型,但各自所占比例并不相同.(2)在空间上,洞穴系统相互作用带中各元素迁移相互联系.滴水继承了土壤及基岩的信号,现代沉积物又能延续滴水各元素的信息.元素在土壤纵剖面中表现出了明显的淋溶和淀积作用,最下层土壤较好地继承了基岩中微量元素的信息.(3)在时间上,洞穴系统相互作用带中各元素迁移复杂多变.土壤及滴水受降水淋滤作用影响皆表现明显的季节差异,然在岩溶水运移路径、PCP作用、极端干旱和年降水雨型的影响下,滴水元素浓度旱、雨季差异明显较土壤小.而PCP作用及元素选择性淋滤等因素又改变了沉积物中元素对滴水元素的延续特性.

岩溶关键带C—N耦合循环与碳酸盐岩风化——以重庆雪玉洞观测站为例

本文尝试利用重庆丰都雪玉洞岩溶关键带观测站2015年7月~2016年6月大气N湿沉降、地下水化学以及δ15N-NO3-、δ18O-NO3-和δ13C同位素等数据，探讨岩溶关键带C-N耦合循环过程与环境效应。结果表明：1）观测站大气N湿沉降通量为20.9×103kg N/a，其中NH4＋-N和NO3--N分别占湿沉降量的52%和48%；2）地下水δ15N-NO3-和δ18O-NO3-分别介于2.5 ‰~5.6 ‰和3.3 ‰~15.6 ‰，大气沉降N和土壤N是地下水NO3-的主要来源；3）变化于-13.7 ‰^-10.4 ‰与0.59~0.62的地下水δ13CDIC与（Ca2＋＋Mg2＋）/HCO3-摩尔比证实岩溶关键带C-N耦合循环的存在，并控制碳酸盐岩的风化过程；4） C-N耦合循环输出的NO3--N和DIC-C分别为11.4×103kg N/a和287.1×103kg C/a，其中大气沉降与硝化过程形成的HNO3风化碳酸盐岩形成的DIC占DIC输出总量的3.5%。因此，岩溶关键带的C-N耦合循环不但导致地下水NO3-的污染，而且扰动了碳酸盐岩的风化过程。

岩溶碳汇效应对植被的响应研究进展

植被是连接大气、水体、土壤及岩石的纽带,也是影响岩石风化碳汇效应的关键驱动因子之一。研究植被与岩石风化碳汇效应(特别是岩溶碳汇效应)的相互关系能进一步准确估算岩溶作用所产生的碳汇量并为大气CO_(2)减排研究做出重要贡献。本文阐述了植被演替对岩溶碳汇效应影响的研究进展,分析了植被对岩溶碳汇效应的控制机制,并从生物作用、土壤理化性质、气候、径流变化及岩溶地区水文地质结构等方面详细分析了植被对岩溶碳汇控制因子的影响,重点探讨岩溶作用过程中水循环响应受植被影响的情况,最后从岩溶关键带的垂向结构研究、不同降水过程中植被对流域岩溶碳库影响、结构性的小尺度与宏观尺度的水文效应耦合研究、流域尺度植被演替对岩溶碳汇的影响及对人工调控的启示4方面提出未来研究的总体趋势和方向。

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)。

岩溶碳循环及碳汇效应研究与展望

碳酸盐岩风化是全球碳循环的重要组成部分,具有大气与土壤CO_(2)汇效应,受生态系统因子驱动与全球变化影响,岩溶地区碳汇具有地表和地下双碳汇特征。简要介绍岩溶碳循环与全球变化关系,论述岩溶碳汇的相关科学问题和主要进展,分析岩溶增汇潜力与土地利用变化,进一步提出基于岩溶关键带理念的碳酸盐岩风化过程概念模型。碳酸盐岩风化产生的碳汇可能是全球碳循环“遗漏碳汇”的贡献者,同时具有缓解土壤CO_(2)向大气释放的作用,进而成为全球碳循环模型中“土地利用变化项”(E_(LUC))的重要调节者(减源效应)。碳酸盐岩风化过程能快速响应短时间尺度变化环境因子,是岩溶关键带中连接生物、水文与地球化学过程的核心驱动机制。岩溶碳循环可理解为是土壤-生态系统碳循环的延伸或横向组成部分,共同组成岩溶地区完整的陆地浅表层碳循环系统。碳酸盐岩风化对大气CO_(2)浓度上升的负反馈效应,石漠化治理与生态修复工程的持续推进,蕴藏着巨大的岩溶固碳增汇潜力。应加强土壤CO_(2)季节及其区域变化监测与研究,构建基于土壤CO_(2)与流域水化学指标相关性的反向模型,为估算区域碳汇本底、评估年际碳汇增量与潜力提供更加清晰且有效的岩溶增汇方案与途径。

峰丛洼地区石漠化治理的碳汇研究进展

根据峰丛洼地区石漠化治理碳汇的现有研究文献,系统总结了峰丛洼地区石漠化治理过程中的碳储量空间格局及其动态过程、不同模式下的碳汇评价与定量化等方面的研究进展与不足,提出了峰丛洼地区二期石漠化治理应关注碳汇稳定性、受气候变化制约等问题,从而优化资源配置的思路;展望了峰丛洼地区二期石漠化治理工程中碳汇研究的趋势:一方面,将土壤分布格局、碳汇耦合机理研究和增加当地经济效益相结合,提高当地农民参与石漠化治理的积极性,推广和发展第一期石漠化治理工程的成果和经验;另一方面,将遥感技术与石漠化治理碳汇研究相结合,构建更多碳汇估算模型,为二期石漠化治理碳汇定量化服务。

桂林凉风洞洞穴系统垂向碳迁移特征及其影响因素

2017年11月至2018年11月,以桂林毛村凉风洞为研究对象,进行大气环境和洞穴环境野外监测,同时在洞穴上覆土壤30 cm和60 cm处开展试片溶蚀实验,并在洞穴内部进行试片溶蚀和滴水脱气监测,以测定垂向碳迁移主要过程中的CO_(2)浓度和δ13C-CO_(2)值。结果表明:(1)“大气—土壤—洞穴”垂向碳迁移系统能够与洞穴通风一起影响洞穴系统内部的CO_(2)分布模式。洞口通风方向的转变取决于洞内温度与外界温度的差异,少雨的11月中旬到次年3月初通风方向为从洞外到洞内,此时垂向碳迁移能力弱,洞内CO_(2)的分布由洞口通风主导;3月初至9月中旬,洞内外温差逐渐过渡并反转,洞口通风方向为从内向外,且降雨强度大,垂向碳迁移活跃并主导洞内CO_(2)分布;(2)岩溶关键带土壤呼吸的强度决定了垂向碳迁移系统可迁移的碳量,洞内CO_(2)分布的季节性变异本质上是外界环境在垂向碳迁移系统和洞穴模式上的响应;(3)洞穴上覆碳酸盐岩土下溶蚀实验表明土下溶蚀可削弱土壤碳源作用。土壤30 cm和60 cm处碳酸盐岩溶蚀速率分别为:0.48 mol·m^(-2)·a^(-1)和0.96 mol·m^(-2)·a^(-1),而洞穴第一洞厅监测点的碳酸盐岩脱气速率为49.35 mol·m^(-2)·a^(-1)、第二洞厅内为9.07 mol·m^(-2)·a^(-1),由垂向碳迁移系统运移到洞穴内部的溶解了土壤CO_(2)的滴水脱气作用显著。