岩溶动力系统对典型石灰岩土肥力特征的影响

碳酸盐岩 (Ca CO3)— CO2 (气 )—水 (H2 O)三相组成的岩溶动力系统 ,通过驱动环境元素的迁移 ,可影响土壤的基本性质及营养元素的形态和转化。一方面土壤盐基离子 (Ca、Mg、K、Na)的大量淋失 ,另一方面岩溶作用产生的富钙环境使土壤体系中盐基获得补充 ,形成偏碱的土壤环境 ,并因此使石灰岩土的阳离子交换量和有机质含量较高 ,但也降低了土壤铁、锰、磷、锌等元素的有效性 ,最终对土壤肥力特征及演变产生深远的影响。

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)。

岩溶动力系统水化学动态变化规律分析

岩溶动力系统，由于其水化学形成过程的三相不平衡控制，特别是气相ＣＯ２的积极参与和碳酸盐岩特殊的溶解／沉积机理，因而其水化学动态变化规律非常复杂。本文通过对日本Ａｋｉｙｏｓｈｉ－ｄａｉ高原和桂林岩溶试验场的分析，发现岩溶动力系统水化学动态变化规律主要受稀释效应。

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。

表层岩溶带的岩溶动力学特征及其环境和资源意义

表层岩溶带处于四大圈层的交汇带，碳－ 水－ 钙循环活跃，溶蚀和沉积化学反应都比较迅速，岩溶动力作用强烈而且对环境变化具有敏感性。表层岩溶带快速的岩溶过程以及对环境变化的敏感性，赋存大量短时间尺度的环境变化信息，可提高地质过程在全球环境变化研究的地位； 表层岩溶带碳－ 水－ 钙循环的活跃和与环境岩溶动力条件的相关性，使得表层岩溶带对环境 Ｃ Ｏ２ 的变化具有调节作用，从而对碳循环的研究具有重要意义；表层岩溶带的发育使南方岩溶区具有浅层岩溶水循环与地下管道水循环耦合的二次岩溶水循环的结构特征，加强了岩溶水的调蓄作用，为开采深部岩溶水困难的峰丛山区的居民饮水提供了重要的水源。

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。

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。

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。

峰丛洼地表层岩溶动力系统季节变化规律

峰丛洼地表层岩溶动力系统与土壤CO2 密切相关 .土壤CO2 体积分数变化受气温和降雨影响 ,其季节变化特征表现为 :冬季的波谷、夏季的波峰交替出现 ,秋季出现次波谷和次波峰 .受降雨影响 ,表层岩溶动力系统运行强度春、夏季较强 ,秋、冬季较弱 .从冬至夏 ,在土壤CO2 逐渐增多时 ,系统溶解、转移碳的能力也逐渐增强 .在土壤CO2 和温度双重支配下 ,系统由冬季的沉积趋势转为春、夏季的溶解趋势 .

桂林峰丛洼地岩溶动力系统CO_2特征及变化规律

桂林岩溶水文地质试验场属于典型的峰丛洼地地区。峰丛洼地表层岩溶动力系统与土壤CO2密切相关,土壤CO2体积分数以及表层岩溶带土壤CO2溶蚀量的变化受气温和降雨影响。对不同部位不同深度的土壤CO2体积分数进行了野外监测,并利用多参数自动记录仪监测了泉水的水化学,揭示了CO2体积分数的变化规律。其变化特征表现为:①土壤CO2体积分数的季节变化在泉水水化学上和土壤CO2溶蚀量上均能反映出来;②土壤CO2体积分数的变化具有季节性;③50 cm处的CO2体积分数较20 cm处大;④土壤层对泉水水化学起到重要调蓄作用。

基于锶同位素的亚热带典型岩溶动力系统降雨条件下岩溶作用速率及其意义

岩溶动力系统中微量元素及其同位素是指示岩溶动力系统运行过程及其环境意义的重要指标。本研究以我国南方亚热带地区典型岩溶动力系统为研究对象,利用高分辨率监测及采样方法研究了暴雨期昼夜尺度上岩溶泉水微量元素Sr及其同位素的变化特征,计算了暴雨条件下的岩溶作用速率。研究结果表明CO_2效应和稀释效应是降雨初期泉水水化学变化的主要控制机制,随后随着流量的持续上升,稀释效应占主导地位。降雨所导致的稀释效应对泉水Sr含量变化影响非常明显,但对岩溶泉水n(^(87)Sr)/n(^(86)Sr)同位素的影响非常有限。降雨期岩溶动力系统内持续的岩溶作用,维持了泉水相对稳定的n(^(87)Sr)/n(^(86)Sr)值特征。通过质量平衡方程计算表明暴雨期内补给的雨水溶蚀灰岩来源的n(^(87)Sr)/n(^(86)Sr)只占泉水总输出n(^(87)Sr)/n(^(86)Sr)的24.3%,当期补给的雨水所引发的CaCO_3净溶蚀速率为0.136 mg/(cm^2·d),其所产生的碳汇通量为1.01 t CO_2。这一结果初步确定了岩溶动力系统中"老水"和新近补给的雨水所导致的溶蚀速率差异和碳汇量差异,这为准确计算降雨诱发的岩溶溶蚀速率和碳汇量准确计算具有十分重要的意义。

岩溶动力系统的演化及其资源环境效应

首先从岩溶动力系统的结构、功能出发 ,分析碳酸盐岩中裂隙含水介质岩溶化正反馈过程的自组织机制 ;继而以鄂西清江流域龙洞岩溶动力系统为例 ,在详细介绍其形成条件和发育特征的基础上 ,剖析其自然发展的演化过程 ,阐述演化结果的重要产物——特定的岩溶资源环境效应 ;最后以保护资源和环境、统筹规划资源开发利用、实现社会经济可持续发展为目标 ,提出建立人工—自然复合型岩溶动力系统良性发展的综合调控思路。

广西弄拉表层岩溶动力系统水循环碳汇效应研究

基于对广西弄拉表层岩溶泉水文动态自动化监测研究,发现在良好的森林植被覆盖条件下,泉域内水资源的排泄方式在不同季节差异较大。丰水期主要以泉口径流排泄为主,而枯水期则以泉域内生态需水消耗为主。4至8月降水量占全年总量的66.24%,泉口水资源输出量却高达全年总量的90.89%。与之相对应,碳输出量占全年总量的90.46%。上述数据说明岩溶碳汇过程主要发生在径流系数较高的丰水季节。在碳汇方式上,碳汇过程明显受到雨水稀释效应、CO2效应及水岩相互作用的控制。在降水初期,受到雨水的混合稀释,HCO3-浓度明显下降。期间受到CO2效应及水岩相互作用的影响,使HCO3-浓度波动较大。但随着流量的衰减,水岩相互作用重新又占主导地位,HCO3-浓度动态变化趋于平稳。根据近十年来的监测结果表明,在次生森林植被覆盖条件恢复下,岩溶动力系统中的Ca2+、Mg2+和HCO3-离子浓度均明显增高。以HCO3-浓度增长最为明显,2003—2005年平均值为356.55 mg/L,而2012年上升为432.97 mg/L,其差值76.42 mg/L,十年间增幅达21.4%。

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。

岩溶动力系统中的元素迁移

碳－ 水－ 钙循环构成的岩溶动力过程驱动岩溶环境的元素迁移， 并制约元素迁移的质和量。在弱岩溶动力作用下， 可溶性元素迁移， 难溶元素在环境中相对富集； 在强岩溶作用条件下， 岩石的碳酸盐成分迅速溶解并以很高的浓度迁移， 难溶的 Ｆｅ、 Ｓｉ、 Ａｌ、 Ｐ、 Ｍ ｎ 元素在岩溶水中也有一定的含量， 因此元素迁移对岩溶动力条件具有敏感性。碳酸盐岩背景的元素迁移造成富钙的环境， 由此影响其它元素的迁移， 但岩石中元素的高背景值仍可促进生态环境中该类元素的富集。

不可溶盖层下石林的岩溶动力学特征对比研究

本文运用岩溶动力学理论和方法对玄武岩和第三系盖层下石林的岩溶动力学特征进行了对比研究。结果表明 ,玄武岩盖层下空气的CO2 浓度具有双向变化梯度与明显的季节变化 ,而第三系盖层下随深度递减且季节变化不显著 ;玄武岩水在雨季和旱季对碳酸盐岩都具有侵蚀性 ,而第三系水在旱季已饱和 ;玄武岩裂隙最大渗透张量比第三系大 ,而最大主轴倾角则比第三系小 ;玄武岩盖层下石灰岩的百日溶蚀量是第三系的 14～ 2 2倍。上述特征说明玄武岩盖层下的石林发育好 。

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。

岩溶动力学理论与现代岩溶学发展

岩溶动力学理论的核心是碳水钙循环,强调系统思维和全球视野观,提出了岩溶动力系统概念模型、结构与功能。岩溶动力学研究产生的新的学科生长点,对现代岩溶学形成与发展具有里程碑式的意义。“岩溶形态组合”概念的提出为岩溶不均一性研究、岩溶类型与形成环境划分奠定了完整的方法体系;将岩溶学研究成功引入全球变化领域,由此开辟了岩溶碳循环与碳汇效应研究,为重新认识岩溶作用在全球碳循环中的地位打开了窗口;将岩溶地球化学研究延伸至无机与有机过程的融合研究,为脆弱岩溶环境修复与保护提供了更加清晰的思路与方法。岩溶IGCP项目的执行,体现了岩溶动力学理论为建立联合国教科文组织国际岩溶研究中心的指导意义,同时,岩溶动力学理论为我们自觉融入国家“一带一路”倡议、生态文明发展战略和“双碳”目标等奠定了坚实的理论与方法基础。

岩溶动力系统和全球变化

一、全球碳循环模型问题由于ＣＯ２等温室气体对环境的影响，碳循环成了全球变化研究的核心问题之一。然而当前的研究是基于地圈、生物圈的相互作用（称为ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＧｅｏｓｐｈｅｒｅＢｉｏｓｐｈｅｒｅＰｒｏｇｒａｍ，缩写ＩＧＢＰ），因此在碳循环模...