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。

森林覆盖的喀斯特地区表层岩溶带的产流阈值

选择中国南方喀斯特森林石山地区的表层岩溶带中出露的泉水为研究对象,通过对泉水水位、pH、电导率、水温和降水的连续监测,发现表层岩溶带的降水补给的产流阈值为12 mm。同时分析了不同降水补给引起的表层岩溶泉pH、温度、电导率的变化规律。雨季pH在降水后出现暂时的降低,电导率和水温出现暂时的升高。旱季pH、电导率等表现出比雨季更复杂的变化。按照水位、pH、电导率、水温对降水补给的反应的强弱不同,将表层岩溶带对降水的反应分成三个等级。第一等级为表层岩溶泉的流量等都不发生变化;第二等级是表层岩溶泉的4个指标有部分发生微小缓慢的变化;第三等级是表层岩溶泉的4个指标发生显著的变化。表层岩溶带的产流阈值是区别有效降雨和无效降水的标准,并对理解岩溶地下水的形成有帮助。

桂林东区峰林平原岩溶地下水示踪试验与分析

为查明桂林东区峰林平原地下水系统的结构特征,在岩溶水文地质调查的基础上,通过人工取样并采用高分辨率野外荧光仪,对桂林东区峰林平原区投放的示踪剂荧光素钠的接收情况进行检测。结果表明:峰林平原区地下水的出露比较多,主要以沟渠、湖塘、民井等为主,其中1号点初现时间为第22天,最大视流速为19.5 m/d,平均视流速4.9 m/d,说明本试验段内地下径流为典型的面状流态,岩溶含水介质比较均匀。峰林平原区岩溶含水层结构岩溶化程度很高,呈网络状,存在统一的地下水位,岩溶发育较均一,同时也存在较大的裂隙甚至较大规模的管道和地下河系统,容易形成岩溶地下水优先流。

^(15)N和^(18)O在桂林岩溶水氮污染源示踪中的应用

为确定桂林东区岩溶含水层氮污染特征及其迁移转化过程,选择桂林东区地下水与地表水共27个采样点,分别在雨季和旱季进行取样分析.结果显示:桂林东区地下水NO3--N污染较严重,是最主要的无机氮形态.雨季地下水采样点的NO3--N平均浓度为12.5mg/L,超过了世界卫生组织的地下水饮用标准界限(10mg/L);旱季地下水采样点的NO3--N平均含量为8.8mg/L,虽有明显的降低,但也濒临超标.而少数地表水采样点由于受到直接排污影响,NH4+和NO2-浓度较高,其余离子浓度均较低.该区地下水中硝酸盐的δ15N值范围在5‰~25‰,δ18O值范围在5‰~10‰,表明该区地下水硝酸盐来源为家畜粪便和生活污水,也可能有土壤有机氮和化肥的混合,并发生微生物的硝化作用产生同位素分馏.其中一部分采样点NO3-的N、O同位素比值在1.3~2.1的变化范围内,而另有一部分采样点NO3-的N、O同位素比值不在这个范围之内,表明该区地下水中反硝化作用并不明显,存在空间差异性.

桂林峰林平原区岩溶含水层氮污染空间分布特征

为确定桂林东区岩溶含水层氮污染特征,依据地层结构及土地利用状况,选择桂林东区27个地表水与地下水采样点进行取样分析.结果显示:桂林东区地下水NO3--N污染较为严重,ρ(NO3--N)平均值(以N计,下同)为9.15 mgL,濒临世界卫生组织的地下水饮用标准界限(10 mgL);ρ(NH4+-N)基本未检出,ρ(NO2--N)较低且NO2--N主要存在于地表水中,NH4+-N和NO2--N都不是该区地下水中氮的主要存在形式.不同土地利用类型的区域ρ(NO3--N)水平(0.088～46.700 mgL)不同.居民区生活污水和牲畜粪肥是浅层地下水的主要NO3--N污染源,种植蔬菜施用的有机肥则是农业区的NO3--N污染源.此外,受水文地质条件的影响,在研究区地下水流场内沿地下水流方向ρ(NO3--N)呈逐渐升高的趋势.

西南岩溶区水土流失过程及防治对策

长期岩溶作用导致的双层岩溶水文地质结构,使岩溶区的水循环过程(含水的流失)和土壤侵蚀过程具有特殊性和复杂性,且受到岩溶地质条件的影响。基于岩溶环境空间分异大的特点,在分析水循环、土壤侵蚀过程的基础上,根据不同尺度区域水土流失的特点分别提出坡地、洼地(谷地)及流域水土流失的防治对策。

南方岩溶区地下河主要离子浓度变化趋势分析

对我国南方岩溶区典型地下河——官村地下河的降雨量、流量和钾、钠、钙、镁、氯、重碳酸根、硫酸根以及硝酸根离子的浓度进行了两年多的监测和分析。结果显示:地下河的水化学类型为Ca-HCO3型;硝酸根和硫酸根的浓度在雨季大于旱季;钠离子、钙离子、镁离子、重碳酸根离子在雨季浓度降低;钾离子和氯离子浓度的变化没有规律,这些离子浓度的变化受到稀释作用、淋滤作用或岩溶作用和人类活动的控制。与20世纪80年代的离子浓度相比,只有硝酸根和硫酸根的浓度有明显的升高。地下河的水质虽然未超标,但探讨地下河主要离子浓度变化趋势及原因对保护岩溶含水层是非常必要的。

利用水化学方法识别岩溶水文系统中的径流

通过暴雨中的野外观测,确认了桂林丫吉试验场S31泉岩溶水文系统中多种径流形式:表层岩溶带管道流、回归流、坡面流和壤中流。现场测量发现不同形式径流的水化学特征(pH、电导率、Ca2+、HCO3-)存在差异,Ca2+的质量浓度相差最大可以达到3倍。从CaCO3-H2O-CO2平衡体系来看,CO2分压(pCO2)对径流的水化学特征具有控制作用。在大气pCO2影响下的岩溶水矿化度较低,而土壤空气pCO2达到2.7%,是大气的近百倍,其影响的径流矿化度较高。鉴于大气中和土壤中pCO2的显著差异,从水化学特征上将径流分为2类,并且认为它们构成了系统出口洪水的2个主要来源。在此基础上利用水化学方法计算出S31岩溶泉洪水时的径流构成。结果表明,在暴雨的情形,由大气pCO2环境产生形成的岩溶水的比例占到泉水总量的70%,进一步证明了快速流在岩溶水中的重要作用。

我国西南岩溶区表层岩溶带的水文动态分析

以西南地区10个表层岩溶泉的长期观测和自动化监测数据为基础,分析了表层岩溶带的水文动态特点。表层岩溶泉的月径流量变化和连续的水位变化表明表层岩溶带具有水文动态不稳定的共性,不稳定性和表层岩溶带的功能和降水有关。根据表层岩溶带的形态和水文动态变化特点进行分类,认为以间互型碳酸盐岩为基础的溶丘洼地表层岩溶带和以连续型碳酸盐岩为基础的峰丛洼地表层岩溶带是西南岩溶区两种重要的表层岩溶带类型。溶丘洼地表层岩溶带相对于峰丛洼地表层岩溶带具有较连续的土壤盖层和较大的表层岩溶泉密度以及较稳定的水文动态变化。白云岩上发育的表层岩溶带水文动态比灰岩稳定,森林覆盖下的表层岩溶带的水文动态比灌木林稳定。表层岩溶带的水文动态受控于它的补给类型和径流特征。土壤层的厚度和植被类型会使表层岩溶带集中补给的比例发生变化,而岩性则通过影响表层岩溶带的空隙类型来控制径流特征。

表层岩溶泉的水资源管理与开发工程设计

表层岩溶泉的水资源通常在时间分配上很不均匀,利用水窖可以将雨季剩余的水资源储存下来供枯季利用。水窖的容积、泉能够提供的最大日用水定额以及某个时段的水资源最大利用量三者是相互联系的变量,如何确定他们是一个水资源优化管理问题,利用专门为之设计的遗传算法可以对这个问题求解。以广西马山县古零镇弄拉表层岩溶泉为例,利用遗传算法对水资源进行优化管理,设计出满足水资源利用量最大化的最佳水窖容积和最大日用水定额。计算结果还表明水窖的初始存水量和用来优化计算的泉流量序列对优化的结果有很大的影响。以此建议在雨季修建水窖,并且水窖利用之前应该预先存入尽量多的水。此外还提供了水窖容积和日最大用水定额之间的定量关系,作为工程设计的参考。

岩溶农业区地下河流域硝酸盐污染来源——以重庆青木关岩溶区为例

于2010年6月—10月每月对青木关地下河水进行监测,利用15N同位素技术并结合水化学指标,分析地下河的水化学特征以及硝态氮来源的时空变化特征。结果表明,地下河出口丁家龙洞硝态氮质量浓度(5.08 mg/L)比入口天池2号点(0.842 mg/L)高6倍多。天池2号点处δ15N为-0.705%～+0.706%,主要受到人造化肥和天然土壤矿化的有机氮的影响,总体变化幅度不大,地下水受外界影响较小。出口丁家龙洞处的δ15N为-2.15%～+3.78%,平均值为+1.01%,总体值高,且变化幅度大。

桂林岩溶土壤和植被的稳定碳同位素组成及季节性变化特征

【目的】以桂林岩溶土壤为例,通过长期监测岩溶土壤及植被有机碳的δ13C值,研究其稳定碳同位素组成及季节性变化特征,为我国南方岩溶地区碳循环途径提供科学依据。【方法】选择3个试验点,定期采集土壤及优势种植被黄荆和檵木样品,测定有机碳含量和δ13C值。【结果】土壤有机碳的δ13C值具有明显的季节性变化特征,范围在-27.50‰～-17.92‰;优势种黄荆和檵木其各部位有机质的平均δ13C值范围为-28.23‰～-25.15‰,而土壤中有机碳的δ13C值范围为-22.32‰～-19.00‰;土壤有机碳的含量表现为洼地灌木丛>坡地灌木丛>洼地灌草丛,且都为表层土(0～5cm)>深层土(10～20cm)。【结论】土壤有机碳的δ13C值变幅较大,但坡地灌木丛、洼地灌木丛和洼地灌草丛三者的变化规律并不一致;总体上土壤δ13C值随土层深度的增加而逐渐减小,表明土壤有机碳的δ13C值明显高于当地植被有机碳的δ13C值。

酸雨对广西典型碳酸盐岩地区碳源效应研究

选取广西两个典型碳酸盐岩地区桂林(代表灰岩地区)与柳州(代表白云岩地区)作为研究区域,研究酸雨与岩石表面反应,并计算出由酸雨对碳酸盐岩的化学风化过程中形成CO2成为碳源的量。利用溶蚀试片溶蚀速率以及GIS技术得到研究区由酸雨产生的CO2源为41.066×108 g/a,其中桂林市区速率为33.349×108 g/a,柳州市区速率为7.717×108 g/a。单位面积源桂林与柳州分别为66.967×105 g/a.km2和42.777×105 g/a.km2,虽然低于两地的单位面积汇分别为273.891×105 g/a.km2与43.660×105 g/a.km2,但已不容忽略。柳州市区CO2源的释放速率比桂林市区慢的原因主要有二:桂林市区碳酸盐岩的代表面积为柳州市区2.77倍;由于柳州酸雨总体强度比桂林低,导致碳酸盐岩的溶蚀速率较低。

中国南方发现大型文石笋

中国南方大量石笋剖面研究表明,石笋矿物组成有方解石、文石、方解石-文石三种类型。石笋沉积纹(微)层结构构造特征大同小异,但是文石石笋的放射状纹(微)层构造更显著。文石石笋沉积生长的气候环境是滴水多而稳定,水温低、气温略高的冷、湿的洞穴气候条件。文石转变为方解石常保留文石的针状、柱状晶形,并存在于石笋沉积生长的始终。文石结构构造转化在常温或低温、常压或低压下自调整作用的成晶成岩环境进行,其强度取决于所在洞穴气候环境、滴水在石笋的渗流和石笋的含水度。转化作用不影响同位素分馏,石笋同时全面记录古气候环境信息。研究文石石笋对重建古气候环境、成岩成矿作用都有重要理论和实践意义。

洞穴石笋的δ^(13)C记录研究

分别采集贵州荔波董哥洞、荔浦丰鱼岩、桂林响水洞的石笋,研究三个洞穴分辨率达1000年、100年、10年级的石笋1δ3C记录。结果表明,石笋1δ3C值可以系统地记录地表岩溶作用过程与植被生态变化的历史。在冰期或干旱寒冷期,岩溶不发育,成壤条件差而缓慢,不利于植被生长,1δ3C值偏重,以C4植物(禾本科植物)为主。在温暖湿润期,岩溶发育好,成壤条件好而且速度快,利于植被生长,1δ3C值偏负或偏轻,以C3(木本植物)植物为主。晚全新世以来,人类活动持续不断地破坏森林植被,草类植被得以生长,石笋的1δ3C值急速上升、偏重,以C4植物为主,石漠化增强,水土流失严重。此后,升高的1δ3C值很难再回复到中全新世以前的水平。自然因素和人类活动因素等对生态环境的影响,均会导致植被变化,成倍放大1δ3C值,特别是人类活动对自然生态的影响更为严重。

贵州荔波1200年来石笋高分辨率的古气候环境记录

通过笔者对荔波龙泉洞L2石笋进行高精度的ICP-MS-230Th测年和碳、氧同位素分析,建立了荔波地区1200aBP来高分辨率的古气候变化的时间序列。研究结果表明,荔波地区1200aBP以来石笋记录的季风气候经历了1200～1100aBP(暖)、1100～940aBP(冷)、940～840aBP(暖)、840～700aBP(冷)、700～450aBP(暖)、450～300aBP(冷)、300～200aBP(暖)以及200～70aBP(冷)等8个阶段百年尺度的干湿、冷暖波动,并在这些百年尺度的波动上又叠加了一系列数十年尺度的气候变化。石笋记录揭示了1200a以来东亚季风气候的不稳定性,呈百年尺度(Gleissberg)的周期性变化。这些气候变化事件,与冰芯记录极为相似,反映低纬度地区百年尺度石笋记录的季风气候变化与高纬度及北极地区的气候变化具有极好的相关性,反映百年尺度石笋记录的季风降水主要受太阳辐射驱动、控制,而东亚季风的降水事件(或干旱事件)与太阳的辐射强度密切相关。石笋记录的百年尺度季风降水事件对于认识现代气候系统变化以及对未来十年—百年尺度的气候预测和演化的驱动机制,具有重要的科学意义。

洞穴次生化学碳酸盐沉积物-石笋的气候替代指标的意义与不确定性因素

洞穴次生化学碳酸盐(CaCO3)沉积物-石笋、钙华和流石,是一个具有丰富的陆地古气候信息的档案库。洞穴碳酸盐(CaCO3)-石笋古环境重建常用的代用指标有碳、氧稳定同位素、生长速度、纹层厚度和灰度、有机质荧光、微量元素等,利用多种替代指标的环境解译,增加了古气候环境重建的可靠性。本文从测年方法和石笋年代学的研究入手,对石笋的生长速度,沉积速率、纹层厚度、稳定同位素、微量元素等各代用指标指代的气候意义进行了简述,同时,也对洞穴次生化学碳酸盐(CaCO3)沉积物-石笋中各单一代用指标存在的不确定性影响因素进行了探讨。因此,我们认为洞穴动态监测可为洞穴碳酸盐(CaCO3)沉积物的各替代指标的解译提供可靠的依据,充分利用现代洞穴监测的碳酸盐(CaCO3)沉积物的各替代指标,并与现代器测气象资料进行相互对比、并用以校正,是精确或定量解释石笋气候替代指标的关键。

桂林甑皮岩洞穴的形成、演化及古人类文化遗址堆积浅议

研究发现甑皮岩(洞穴)新石器时代遗址文化层堆积不仅具有重要的古人类活动-史前文化研究价值,而且具有旅游观赏价值,是重要的史前文化遗产,是揭示和反映中华远古文明的典型代表。据洞穴石笋、钙华测年及年溶蚀率推测,桂林甑皮岩洞穴形成年代大约是在晚更新世时期。而据文化堆积层中的陶片、古动物化石测年、炭灰和孢粉记录表明,文化层从距今12500年左右开始沉积,并于7600年结束,延续时间长达5000年。该遗址在史前考古中占有重要地位,为华南地区史前文化的发展序列和探求桂林历史文化的渊源提供了极为重要的考古依据。

峰丛洼地岩溶泉流量和水化学变化过程中地面径流的作用

峰丛洼地地区分布大量封闭洼地，暴雨过程中洼地内产生的地面径流通过落水洞进入岩溶管道，最终组成岩溶泉的一部分。本文选取典型的峰丛洼地地貌区——桂林丫吉试验场为研究区，通过修建径流小区监测地面径流量，结合示踪试验等手段探讨暴雨期间岩溶泉S31流量和水化学变化过程中这部分地面径流的作用。2010年径流小区监测结果显示当日降雨量大于64．4mm／d时研究区才产生地面径流，地面径流系数在O．48％-0．71％之间。选取5月19日降雨径流过程进行水均衡分析和离子质量守恒计算。S31泉域水均衡分析显示地面径流仅占S31泉总流量0．65％，不能显著影响S31泉流量变化。离子质量守恒模型结果表明暴雨期间S31泉电导率变化主要由裂隙水造成，虽然地面径流含有大量雨水，但对S31泉电导率影响有限。因地面径流的产生条件高和比例小，在适当降雨条件下可以忽略岩溶泉流量和水化学变化中地面径流的作用。

重庆金佛山石笋的同位素年龄和古气候信息

对采自重庆金佛山梁天湾洞穴的一根长达295mm的石笋进行了高精度的TIMS-U系定年和碳氧稳定同位素测试分析,初步建立了末次冰期晚期(31.90～15.21 ka B.P.)以来长江中游地区较高分辨率的古气候变化序列.石笋大约从31.90kaB.P.开始沉积,至15.21kaB.P.沉积结束,属于末次冰期晚期的产物,其平均沉积速率为1.77mm/100a.从石笋的氧同位素曲线中明显地检出了Heinrich事件,并且氧同位素曲线与周边地区的石笋记录有着良好的对比关系.