西南岩溶区水土漏失研究进展与展望

水土漏失是岩溶区特有的水土流失问题,自21世纪以来才逐步开展研究与防治工作。本文在系统分析把握已有相关研究进展的基础上,阐明西南岩溶地区水土漏失的特点,揭示以岩溶地下河流域为单元开展水土漏失过程系统研究的重要性,总结水土漏失监测评价和影响因素等方面的研究进展。指出目前的水土漏失研究在岩土缝组构刻画、水土漏失关键过程和机制、水土漏失评价模型等方面存在不足。面向西南岩溶区水土漏失防治的国家目标和国际前沿研究方向,提出下一步应开展岩溶关键带水土漏失网络研究、水土漏失关键过程系统研究、以及水土漏失评价模型构建和应用3个重要方向的工作。

小球藻对岩溶水体Ca^(2+)、HCO_3^-利用效率实验研究

以来自广西上林县大龙洞岩溶水库中的小球藻为研究对象,探讨了封闭体系中小球藻在4.6mmol·L^(-1)、2.5mmol·L^(-1)和0.5mmol·L^(-1)三种不同HCO^(-3)浓度的水体环境中,对Ca^(2+)和HCO^(-3)的利用效率。结果表明:(1)小球藻在4.6mmol·L^(-1)、2.5mmol·L^(-1)和0.5mmol·L^(-1)三种不同HCO^(-3)浓度的水体中培养7天后生物量从0.04Abs分别增长到0.56Abs、0.50Abs和0.44Abs,在HCO^(-3)和Ca^(2+)浓度较高的环境中,A组28.26%的Ca^(2+)和B组24.14%的Ca2+被小球藻吸收利用,A组54.95%的HCO^(-3)和B组48.00%的HCO^(-3)被小球藻吸收利用,生成有机碳固定下来,C组HCO^(-3)浓度过低(0.5 mmol·L^(-1)),小球藻难以对其进行利用,表明岩溶水库中高浓度的HCO^(-3)对小球藻生长起着"施肥作用",这对岩溶碳汇的稳定性起着重要作用。(2)小球藻光合作用利用HCO^(-3)从而引起Ca^(2+)沉积的量大于小球藻光合作用吸收Ca^(2+)的量;(3)小球藻光合作用使培养基中的δ^(13) CDIC偏正,而呼吸作用使培养基中的δ^(13) CDIC偏负。

四川盆地北部中二叠统茅口组碳酸盐岩溶蚀模拟实验与岩溶层组特征

四川盆地北部中二叠统茅口组岩溶储层发育,是该区重要储层类型之一。基于野外露头、钻井岩心资料,采用宏观与微观结合的方法,根据薄片鉴定、扫描电镜、主微量元素等资料、辅于溶蚀模拟实验等技术方法,对四川盆地北部茅口组岩溶层组特征进行了研究。该区茅口组一段以泥质灰岩、生屑泥晶灰岩为主,酸不溶物含量较高;茅二段、茅三段以泥晶生屑灰岩、亮晶生屑灰岩为主,酸不溶物含量较低。溶蚀模拟实验结果表明,碳酸盐矿物类型、化学成分等是影响茅口组岩石可溶性的主要因素,样品溶蚀速率、溶液离子浓度及微观溶蚀变化特征均表现为生屑灰岩>泥晶灰岩>白云岩>泥质灰岩。茅口组岩溶层组类型可划分为2类3型9亚型,不同岩溶层组类型岩溶作用条件、岩溶化程度不同,缝洞型岩溶储层发育规模也存在差异。

重度干旱条件下典型岩溶区植被恢复过程中植物水分利用来源和效率研究

水分条件是限制西南岩溶地区植物恢复的重要生态因子。目前缺少季节性干旱过程中岩溶区植被恢复过程中主要植被群落水分利用特征差异的系统分析,限制了对岩溶区季节性干旱过程中植物的抗旱机制的理解。为了揭示重度干旱条件下典型岩溶区植被恢复过程中植物水分利用来源和效率,在桂林毛村岩溶生态试验场农田、草地、灌丛和林地等不同植被恢复过程中采集了主要的优势物种附近的0-100 cm深度土壤样品和8种植物茎杆、叶片样品,测定土壤水、植物茎秆水中氢氧同位素与植物叶片的碳同位素,利用贝叶斯同位素混合(MixSIAR)模型确定不同植被恢复阶段主要植物群落水分来源比例,分析水分利用来源和水分利用效率的差异。结果表明,1)重度干旱条件下,研究区除岩溶区灌丛阶段主要利用土壤水外,其他各植被恢复阶段的优势植物均主要利用地下河水。岩溶区农田、草丛、乔木和非岩溶区乔木林的优势物种对地下河水的利用率分别为61.7%±5.3%、70.0%±9.0%、61.5%±10.6%、57.9%±4.8%。而且除岩溶区灌丛阶段优势植物利用0-10 cm深度的土壤水的比例最大外,其他各植被恢复阶段和非岩溶区乔木林的优势植物利用60-100 cm深度的土壤水的比例最大,这与长期干旱表层土壤含水率较低有关。2)除灌丛阶段外,研究区岩溶区各植被恢复阶段优势植物水分利用效率均高于非岩溶区,其中,草丛阶段优势植物的水分利用效率最高,为56.5μmol·mol^(-1)。研究结果有助于理解重度干旱气候下岩溶区生态恢复过程中植物对环境变化的水文调控提供科学数据,为脆弱生态环境保护提供科技支撑。

硫酸型酸雨参与碳酸盐岩溶蚀的研究进展

碳酸盐岩的H2CO3溶蚀产生岩溶碳汇,占整个岩石风化碳汇的94%。西南岩溶区硫酸型酸雨严重,硫酸型酸雨广泛参与碳酸盐岩的溶蚀。H2SO4参与的碳酸盐岩风化是一个大气CO2净释放过程,具有减汇作用巨大。另一方面,岩溶区石灰土壤和地下水具有较高的pH值及盐基饱和度,对H^+有巨大的缓冲作用,大气酸沉降在碳酸盐岩地区可能并不会造成地下水的HCO3^-和pH降低;相反,较高浓度的SO4^2-所产生的盐效应和SO4^2-与各种阳离子形成的离子对会增大方解石、白云石溶解度,可增强H2CO3对碳酸盐的溶蚀,这可能会使岩溶作用产生更大的碳汇效应。因此,硫酸型酸雨参与碳酸盐岩风化的减汇效应不仅可能被高估,硫酸型酸雨还可能增强碳酸盐岩的H2CO3溶蚀,具有增加岩溶碳汇效应的作用。应结合石灰土壤对大气酸沉降的缓冲容量和阈值及大气酸沉降的H^+与土壤中盐基离子的交换量,并综合考虑盐效应、离子对作用、同离子效应,客观评价硫酸型酸雨流经石灰土壤层后对碳酸盐岩溶蚀吸收大气/土壤CO2的影响。

岩溶区不同土地利用方式土壤碳、氮、磷生态化学计量的空间变异性研究

【目的】探究岩溶区土壤C、N、P生态化学计量特征的空间分异格局对土地利用方式的响应规律,为揭示岩溶生态系统各组分之间的养分循环规律及阐明系统的稳定性提供科学参考。【方法】在广西马山县西部岩溶区分别采集水田、旱地、草地、灌木林地和树木郁闭度≥20%的有林地等土地利用方式的表层(0~20 cm)土壤,测定其有机C、全N和全P等含量,并运用统计学方法分析不同土地利用方式下土壤的C、N、P生态化学计量特征、空间变异性及影响因素。【结果】研究区土壤有机C、全N和全P含量均值分别为13.83、1.75和0.92 g/kg,C∶N、C∶P和N∶P均值分别为7.95、18.79和2.28。土壤C∶N、C∶P、N∶P空间分布和土地利用基本一致,高值区位于水田和有林地,低值区分布在旱地、灌木林地和草地。不同土地利用方式下土壤C∶N平均值集中分布在7.13~9.26,变异系数为20.84%,C∶N较稳定,在空间上存在中等程度的变异性。水田和有林地之间C∶N差异不显著(P>0.05,下同),旱地、灌木林地和草地之间C∶N差异也不显著,变化趋势为水田>有林地>旱地>灌木林地>草地;C∶P为11.21~29.10,N∶P为1.51~3.11,变异系数较大,两者在不同土地利用方式下的变化趋势均为水田>有林地>灌木林地>草地>旱地。土壤C∶N、C∶P、N∶P与有机C、全N、全P、全K、pH均存在极显著相关性(P<0.01)。土壤理化性质和环境因子在不同土地利用方式土壤C、N、P化学计量特征冗余分析排序图上表现出不同的相关性,其中,有效P在所有土地利用方式中均与土壤C∶N、C∶P、N∶P呈显著负相关(P<0.05,下同),而碱解N、成土母质在所有土地利用方式中均与C∶N、C∶P、N∶P呈显著正相关;pH在水田、旱地和有林地土壤中与C∶N、C∶P、N∶P呈显著负相关,而在灌木林地和草地土壤中呈显著正相关。【结论】研究区普遍缺乏有机质和N,P元素相对丰富,但其变异系数较大。碱解N、有效P、pH和成土母质是影响研究区不同土地利用方式下土壤C、N、P生态化学计量的关键因子。

科学保护“桂林之肾”:会仙岩溶湿地

会仙岩溶湿地是亚热带低海拔地区最大的岩溶湿地,在中国乃至全球都具有重要的生态价值和研究意义。近几十年来,在自然和人为双重因素的影响下,会仙湿地——“桂林之肾”呈现出退化趋势,保护与恢复会仙湿地已经成为时代的必然。本文从形成原因、演化趋势、退化成因等角度对会仙湿地进行了系统介绍,并从地质、水文地质等角度对湿地修复的可行性进行了探讨,在此基础上给出了会仙岩溶湿地保护与恢复建议,研究结果可以为会仙岩溶湿地的修复与保护提供参考。

基于地下水动力特征监测的岩溶塌陷预警阈值探索——以广州金沙洲岩溶塌陷为例

监测预警是岩溶塌陷地质灾害防治领域急需解决的技术难题。文章在总结当前岩溶塌陷监测预警研究现状的基础上,以广州金沙洲地区岩溶塌陷监测为例,通过对不同岩溶塌陷阶段地下水动力条件监测数据分析,发现数据异常值反映了不同工况地下水动态和岩溶塌陷发展阶段的突变关系,以此为基础,通过曲线拟合和残差分析确定了岩溶塌陷预警的置信带。通过对比分析异常值出现最多次数时间,最大及最小异常值出现时间和实际岩溶塌陷发生时间,验证了运用异常数据分析法进行岩溶塌陷预警是可行的,监测数据间隔越密,捕获的异常值越多,预警越准确。

滇东断陷盆地南洞岩溶地下水系统地下河水文动态特征与资源量评价

本文对滇东断陷盆地南洞岩溶地下水系统各地下河的水文动态特征进行了分析,推断了南洞岩溶地下水系统的结构特征。根据岩性构造、地下河发育以及补径排关系,将其划分为四个子系统。分别采用降雨入渗系数法和径流模数法对南洞岩溶地下水系统的天然资源量进行计算,计算结果分别为35610.7万m^(3)/a和33460.2万m^(3)/a。用枯季径流模数法对南洞岩溶地下水系统的可采资源量进行了计算,计算结果为23407.3万m^(3)/a,其可开采资源量巨大。南洞地下河在没有天然补给量的情况下,120天消耗的调蓄量为4503.3万m^(3),南洞地下河日允许开采资源量为49.4万m^(3)/d。二号暗河建库蓄水条件下库区上游的日允许开采量为75.9万m^(3)/d,蓄水库容来源于工程设计,资源保证程度高。本次研究可为南洞岩溶地下水资源的开发利用和调配提供科学依据。

基于乡镇区划的地质遗迹资源综合价值评价——以盐津县为例

以云南省盐津县地质遗迹资源为研究对象、乡镇区划为单元,在分析盐津县地质遗迹资源特征的基础上,依据《地质遗迹调查规范》中地质遗迹质量等级划分标准,运用特尔菲法划分出盐津县乡镇地质遗迹点质量等级,其划分结果能正确认识盐津县各乡镇地质遗迹资源的质量状况。同时,利用特尔菲法和层次分析法构建盐津乡镇地质遗迹资源综合价值评价指标体系,并运用菲什拜因—罗森伯格模型,对盐津乡镇地质遗迹资源综合价值进行定量评价。结果表明:盐津县乡镇地质遗迹资源综合价值大小为:柿子镇>豆沙镇>庙坝镇>牛寨乡>普洱镇>中和乡>盐井镇>滩头乡>落雁乡>兴隆乡。

岩溶洞穴交互带概念的提出及其在水资源管理中的意义

岩溶地区以管道流为主的地下水补给、径流与排泄常常引起地下水与地表水间快速且频繁的交互与转化,并因此引发水环境退化问题。文章引用并拓展地表水文学和水文生态学中交互带的概念,提出南方岩溶地区管道流与其他类型水体交互的场所为岩溶洞穴交互带,并依据交互带的水流类型和交互方式,划分为泉口交互带、天窗交互带、落水洞交互带和管道交互带4种类型;且以泉口交互带和天窗交互带为重点,采用水文和水化学在线监测、现场测试、流量测量,结合水化学、浮游生物和微生物等的分析鉴定,剖析了交互带的水文、水化学特征和水生生物群落结构及其与水环境的关系。研究发现:岩溶洞穴交互带的水文功能有弱化趋势;泉口交互带的污染物降解能力明显,水化学功能尚能发挥作用;水生生物功能在退化,主要是由水文功能弱化导致的。水文功能弱化是岩溶洞穴交互带环境功能退化的重要原因。建议在岩溶地区的水文地质和环境地质工作中重视交互带,探索交互带的探测和监测技术,通过有效管理改善交互带的环境功能。

三种方法测试岩溶水样氢氧同位素的对比研究

通过高温热转换元素-同位素比值质谱法(TC/EA-IRMS)、多用途气体制备仪-同位素比值质谱法(GasbenchⅡ-IRMS)以及激光光谱法对岩溶水样进行对比检测,其结果显示:对于氢同位素,TC/EAIRMS的精密度达到0.3‰,激光光谱法的精密度达到0.1‰,均优于GasbenchⅡ-IRMS的精密度1.4‰;对于氧同位素,GasbenchⅡ-IRMS的精密度达到0.02‰,激光光谱法的精密度达到0.04‰,优于TC/EA-IRMS的精密度0.16‰。使用激光光谱法测定岩溶水样的氢氧同位素,所需要的样品量少,精密度高,能够满足岩溶区样品的高精度测试要求。

黔西北裸露岩溶地区水文地球化学特征对土地利用方式的响应研究

为了探讨不同土地利用方式下的水文地球化学特征与地下水循环演化的关系,文章选取贵州省毕节市典型农业区的农田、林地、草地灌木和建筑用地等四类土地利用方式,通过区域地质调查、遥感解译、水化学分析和图解方法,研究裸露岩溶地区其对地下水水化学组分的影响。结果表明:这四类土地利用区域地下水主要组分的浓度和主要矿物的饱和指数都呈差异性。此外,土壤易溶盐组分也随土地利用类型发生改变。并且发现,绝大多数样品中,土壤易溶盐组分浓度高于地下水中相同的组分。因此,降雨入渗补给条件下淋滤作用可导致土壤中易溶盐组分进入地下水中,进而影响地下水化学组分浓度的演化趋势。研究区域地下水均以HCO_3-Ca型,HCO_3-Ca-Mg型和HCO_3-SO_4-Ca型水为主,但是,受自然地理因素和人类活动的影响,地下水组分和水化学类型在不同土地利用类型区域中存在差异性。基于本研究建立了地下水演化的两种概念模型。

中国北方岩溶水功能

中国北方的华北地台区分布有68.5万km2碳酸盐岩,其中蕴藏有丰富的岩溶水,总的天然资料量为108.8亿m3/a。北方岩溶水主要以岩溶泉的形式进行排泄。北方岩溶水富集程度高,动态稳定,水质良好,成为当地重要的供水水源,而且大部分泉水具有丰富的历史和文化内涵,独特自然景观等,使得北方岩溶水具有供水功能、农业灌溉功能、旅游功能及生态功能等。在国民经济发展、城市供水和能源基地建设中发挥着重要的作用。

西南岩溶山区复合水动力场滑坡影响模式——以关岭县大寨滑坡为例

岩溶地下水对我国西南岩溶石山地区特大型滑坡频发具有重要影响,因此,岩溶地下水的赋存规律及在其影响下的滑坡成灾模式成为一个亟待研究的科学问题。文章以贵州省关岭县岗乌镇大寨村大寨滑坡为例,基于野外调查,结合水动力场、水化学数据、暴雨数据等进行综合分析,取得以下成果和认识:(1)划分出大寨滑坡区地下分水岭,圈定了影响大寨滑坡的灰岩区和碎屑岩区,面积分别为0.93,0.30 km2;(2)滑坡当日暴雨集中在6—12时,后缘区域岩溶管道水对大寨滑坡滞后暴雨2 h启动起到主要控制作用;(3)滑坡区碎屑岩以及后缘灰岩接受了百年一遇的强降水的入渗补给后,在各自内部形成高压水动力场;在基岩裂隙水、岩溶管道水两种水动力场及岩层自身重力的共同作用下,潜在软弱结构面上的岩层失稳进而发生滑坡。由此建立了基岩裂隙水和岩溶管道水复合水动力场对滑坡的影响模式,并提出一种复合水动力场耦合方法。

典型岩溶富水构造的多极距联合剖面曲线正演模拟研究

基于点电源电场微分方程以及电场满足的边界条件出发,结合目前高密度电法找水时常用的点线布设方式,对岩溶区常见的隐伏断层破碎带和溶洞两类低阻富水构造的多极距联合剖面曲线进行了二维正演模拟。模拟结果表明:联合剖面曲线对地下隐伏低阻体反应灵敏,曲线存在良好的分异性。对溶洞低阻富水构造来说,溶洞富水构造埋深约为1/2~2/3倍极距时,正交点异常最明显,随着联合剖面极距继续增大,同步低趋势逐渐显现;地下低阻溶洞空间范围越大,联合剖面曲线分异性越好,正交点异常越明显。对断层破碎带低阻富水构造来说,随着联合剖面极距的增大,正交点向断裂破碎带倾斜方向略为移动,但并不明显,正交点位置主要受浅部低阻的影响,随着极距的逐渐增大,同步低趋势逐渐显现,正交点左侧在断层倾斜方向上越来越多的测点呈现同步低异常,但曲线较平缓,而正交点右侧的曲线较陡,视电阻率在断层顶板的正上方处出现极小值。当联合剖面曲线正交点异常较明显时,随极距的增大正交点处视电阻率值逐渐降低,当联合剖面曲线异常形态以同步低为主时,随极距的增大正交点处视电阻率值趋于稳定。联合剖面曲线左右两支形态对于水平对称模型是对称的,对于倾斜模型是非对称的,倾斜低阻构造的倾向与联合剖面曲线正交点附近较陡一侧的曲线倾向一致。模拟结果可应用到岩溶地区高密度电法的多极距联合剖面曲线资料解释中。

典型岩溶丘陵区地下水水化学特征及地球化学敏感性分析——以武冈东部地区为例

通过对典型岩溶丘陵区地下水进行水化学特征及地球化学敏感性的研究表明,该地下水系统水化学特征阳离子以Ca^(2+)、Mg^(2+)为主,阴离子以HCO_3^-、NO_3^-、SO_4^(2-)为主,受水岩作用及人类活动共同影响;Mg^(2+)/Ca^(2+)受岩性控制,流经白云岩地层最高,灰岩夹白云岩次之,灰岩最低;研究区岩溶地下水表现出较高的地球化学敏感性。阳离子以Ca^(2+)最为敏感,其次为Mg^(2+),阴离子以HCO_3^-最为敏感,其次为NO_3^-,元素的地球化学敏感性大小依次为:HCO_3^->Ca^(2+)>Mg^(2+)>NO_3^->SO_4^(2-)>Cl^->Na^+>K^+;以敏感性最强的敏感因子HCO_3^-对研究区岩溶地下水进行敏感性等级划分。研究区低敏感性的水点仅占7.27%,中敏感性的水点占25.45%,高敏感性的水点占67.28%。通过地球化学敏感性划分统计结果显示,对该地区地下水的保护显得十分重要且迫切。

云南省一把伞水库主封堵区岩溶渗漏条件与管道特征分析

水库渗漏是岩溶地区兴建水利枢纽关键的病害问题之一,以一把伞水库主封堵区为例,水文地质调查、地下水位动态监测、地球物理探测和钻探相互验证,分析主封堵区水文地质条件,识别岩溶渗漏管道位置及发育特征。结果表明:主封堵区岩溶渗漏带发育于泥盆系东岗岭组(D2d)较纯碳酸盐岩,SW至NE向压扭性断层构成南北隔水边界,东西两侧为透水地层,上游地下河至主封堵区汇流后又迅速分为南东、北东支流。岩溶渗漏带包括主管道以及北支管道,渗漏管道发育位置受断层作用控制显著。研究揭示了岩溶渗漏的季节变化规律,提出了主管道与北支管道的渗漏条件,并分析了渗漏管道分布特征、规模及充填性质,为一把伞水库主封堵区渗漏防范提供科学依据,并为岩溶地区类似渗漏病害问题的治理提供借鉴意义。

等水位河间地块岩溶裂隙和流场演变模拟初探

经典地下水动力学根据Dupuit假设得到了河渠间潜水含水层水位分布的解析解,常用于实际工程。该解析模型是否适用于具有裂隙网络的河间地块岩溶含水层,这个问题远未得到充分论证。考虑降雨入渗强度为100~800mm/a的情形,建立剖面二维离散裂隙网络渗流模型,对等水位河间地块开展数值模拟研究。裂隙网络包含陡倾角和缓倾角2组裂隙,具有随机分布特征,隙宽均值为0.01cm。根据稳定流场模拟结果划分包气带和饱水带裂隙界面,分析水位分布特征,计算饱水带裂隙网络的等效渗透系数,并与经典解析模型反算的等效渗透系数进行了对比,发现采用解析模型的误差小于25%。进一步模拟岩溶作用下裂隙演变的情景,对10ka内河间地块裂隙状态和准稳态渗流进行了预测,发现隙宽最大值达到0.07cm,经典解析模型仍然能够通过水位反算出数量级相符的等效渗透系数。模拟结果表明潜水面具有不规则形状,而且在河岸会出现明显的渗出面泉点,裂隙泉点数量在岩溶演变过程中逐渐减少。经典解析模型虽然能够估算河间地块裂隙网络的等效渗透系数,但不能刻画潜水面的不规则形态,也不能预测岩溶裂隙渗流场的演变趋势。

基于CiteSpace软件分析2017年度岩溶学研究热点

基于CiteSpace软件对2017年度岩溶学领域发表论文的关键词进行了文献计量学分析,通过追踪2017年度岩溶学研究热点和方向,能够帮助青年学者了解本领域最新研究进展。在Web of Sciences(Wo S)核心合集数据库中,以"Karst"或"Stalagmite"为主题词,检索到740篇岩溶学领域的论文,通过聚类分析其研究热点主要有岩溶水文地质学、气候变化与古环境重建、岩溶地质灾害、岩溶生物地球化学。中国在岩溶领域占主导作用,充分体现了我国岩溶的地域优势。另外,在中国知网EI来源期刊、核心期刊、CSSCI数据库中,以"喀斯特"(或"岩溶")或"石笋"为主题词检索到607篇岩溶学领域的论文,国内的研究热点主要有岩溶水文地质学、岩溶工程与地质灾害、碳酸盐岩储层、岩溶石漠化与岩溶生物地球化学。