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)。

人工示踪技术在岩溶地区水文地质勘察中的应用

人工示踪技术用来验证地下水流动的方向和追溯地下水的来源,在水文地质勘察、水利工程防渗、地质工程涌水处理和查明矿井涌水来源方面有广泛的应用.相比于国际上示踪试验的应用,国内虽然在仪器设备上不相上下,但是在应用的广泛程度上差距很大.近年来示踪剂的自动化监测技术的进步使示踪试验在一些新的领域开展,例如研究平原地区岩溶含水层的流场,以及与天然示踪剂联用进行岩溶水系统的水文过程研究.由示踪试验计算得到平原地区岩溶含水层中地下水的视流速在数量级上为10~102 m·d-1,而地下河中的视流速为102~104 m·d-1.尽管从富水性上显示平原地区岩溶含水层的地下水赋存比较均匀,但是示踪剂的运移被严格限制在主径流通道中,很难发生侧向的弥散.相比于地下河系统,平原地区含水层中缓慢的流速和很好的富水性结合会产生强烈的稀释作用,这是开展此类示踪试验需要注意的重点.为此建议在平原地区开展示踪试验的最远距离一般不宜超过1km.鉴于示踪试验的重要性和南方大量地下河急需妥善管理,建议在水文地质普查中大量采用.

典型岩溶峰丛洼地水土保持技术研究

岩溶峰丛洼地水土流失以地下漏失为主,水土流失过程特殊、复杂,非岩溶区原有的各项水土保持工程及生物措施不适宜该区。以广西平果县果化示范区为例,在系统分析典型峰丛洼地不同地貌部位、不同环境类型条件下水土流失的主要特点和过程的基础上,通过试验与示范,研发了适宜于峰丛洼地不同地貌部位的水土保持生物技术和工程技术,取得了较好的生态、经济、社会效益,可为我国西南岩溶区水土流失及石漠化的综合防治提供科技支撑。

岩溶区板栗树下旱季和雨季土壤CO_2浓度的研究

为了研究岩溶区种植板栗树以后土壤CO_2浓度的变化,以广西隆安县岩溶区板栗树下和相同地质条件下非板栗树下(草地)为研究对象,分别测定了旱季与雨季时10cm、20cm、40cm、60cm、80cm的土壤pH和CO_2浓度等,并且做了比较分析。结果表明:在相同的条件下板栗树下的土壤pH比非板栗树下的低且显弱酸性;雨季土壤pH比旱季土壤低;板栗树下的土壤CO2浓度比非板栗树高,而雨季比旱季CO2浓度高。土壤pH与土壤CO_2浓度相关性分析表明,土壤CO_2的浓度与土壤的pH成显著负相关关系,土壤CO_2浓度与降雨量、温度等有很大的关系。

梧州水文站和昭平水文站岩溶碳汇特点研究

以位于桂江中下游昭平水文站、西江上游梧州水文站为研究对象,总结梧州水文站、昭平水文站一个完整水文年岩溶碳汇特点,比较分析两个监测水点岩溶碳汇差异,为固碳增汇工程提供科学依据。(1)梧州站监测水点全年平均单位面积碳汇量1.31tCO2/km2,水中HCO-3浓度、Ca2+质量浓度全年动态变化相似,与流量呈负相关关系。汛期,HCO-3浓度、Ca2+质量浓度随流量增大而减小;非汛期,HCO-3浓度、Ca2+质量浓度随流量减小而增大。碳汇量动态变化曲线与流量变化曲线变化趋势基本相似;2011年5月单位面积碳汇量最大,同年9月单位面积碳汇量最小。(2)昭平站监测水点全年平均单位面积碳汇量0.86tCO2/km2,水中HCO-3浓度、Ca2+质量浓度全年动态变化相似,与流量没有明显相关关系。昭平站碳汇量动态变化曲线与流量变化曲线变化趋势相同,2012年3月单位面积碳汇量最大,2011年9月面积碳汇量最小。(3)两个监测水点碳汇量动态变化曲线与流量变化曲线变化趋势极为相似,可以证明流量为影响碳汇量的重要因素。

塔河油田奥陶系岩溶储层垂向带发育特征及其识别标准

岩溶储层在垂向上的分带性是岩溶在垂向上发育不均匀的客观表现。根据现代岩溶理论,通过对大量测井资料的统计分析,按照岩溶缝洞系统发育强弱及地下水运动方式、岩溶作用方式,将岩溶储层垂向上划分为表层岩溶带、垂向渗滤溶蚀带、径流溶蚀带、潜流溶蚀带等四个岩溶发育带,并建立了塔河油田奥陶系岩溶储层垂向带划分的测井响应与岩溶成因组合指标体系。测井响应指标包括自然伽玛、电阻率、井径等;岩溶成因指标包括地下水径流方式、岩溶作用类型、充填特征和岩溶个体形态等。根据岩溶储层垂向带划分标准,对塔河油田奥陶系岩溶储层垂向带发育特征进行了统计分析,并对不同地貌区岩溶储层的垂向带发育特征进行分析。分析认为:表层岩溶带以大中型溶蚀孔洞为主,测井显示为高伽玛,低电阻;半充填(或未充填)时测井表现为低伽玛,低电阻;垂向渗滤溶蚀带以高角度溶缝和小型溶蚀孔洞为特征,测井显示为低伽玛,高电阻;径流溶蚀带多发育大型溶洞,测井显示为高伽玛,低电阻;潜流溶蚀带岩溶弱发育,测井显示为低伽玛,高电阻。

岩溶石漠化区不同植被恢复模式土壤无机磷形态特征及影响因素

为分析岩溶石漠化区不同植被恢复模式土壤无机磷的形态特征,评价植被恢复的土壤供磷潜力,阐明有机碳及钙素在无机磷形态转化中的作用,选取研究区内8种有代表性的样地,采用蒋柏藩无机磷分级方法对土壤无机磷形态特征及影响因素进行研究。结果表明:研究区土壤全磷与速效磷含量分别在0.25—1.35 g/kg、1.05—53.01 mg/kg范围,无机磷总量在123.94—934.61 mg/kg,耕地与退耕地以及各退耕地之间全磷、速效磷、各形态无机磷含量水平差异明显,各退耕地磷素含量水平介于耕地与次生马尾松林地之间,退耕地中桃林地、花椒林地磷素含量水平较高、樟树林地、柳杉林地、撂荒草地次之、撂荒灌丛地较低。各样地土壤无机磷占全磷比例在51.2%—72.4%,不同形态的无机磷含量表现为O-P>Fe-P>Ca-P>Al-P,其中Ca2-P、Al-P对速效磷的贡献率大,Fe-P、Ca8-P贡献较小,O-P、Ca10-P献率最小。不同活性土壤有机碳与不同形态钙素对各形态无机磷在总无机磷中比例的影响较大,p H、容重、粘粒含量、含水量等其它理化性质影响较小。

岩溶碳汇的主控因子——水循环

精确地计算岩溶碳汇量,有助于全球碳循环模型理论的进一步完善。因而在实际工作中,排泄量和HCO3-质量浓度是岩溶碳汇监测评价的主要指标。选取贵州茂兰国家级自然保护区的板寨河流域为研究对象,基于自动化在线监测技术,获取了该域排泄量及水化学指标的实时监测数据。对比分析暴雨期、无或弱降水期以及枯水期等不同降水条件下HCO3-质量浓度、流域排泄量及岩溶碳汇量的动态过程曲线,发现流域排泄量与岩溶碳汇量呈良好的正相关关系,而与HCO3-质量浓度则呈负相关。这说明相比地下水中HCO3-浓度,流域排泄量才是影响岩溶碳汇的主控因素,同时也说明水循环方式是影响岩溶碳汇的主控因子,即流域排泄量愈大,流域内岩溶作用对大气CO2形成的'汇'值愈大。

岩溶地下河污染物运移特征及自净能力——以广西里湖地下河为例

以广西里湖地下河为研究对象,通过观测地下河系统中污染物的运移行为来研究其自净过程。于不同季节沿着地下河的径流方向进行一个水文年的调查取样。结果发现地下河主要受到NO2-N、NH+4-N、COD和As、Cd、Hg等重金属的污染。污染物从地表进入岩溶含水层,到达地下河出口时部分污染物浓度衰减明显,说明一些离子有明显的自净能力。因地下河的结构和部分管道半充水状态、明暗流交替等水文地质条件,地下河的自净机制主要是物理过程的稀释作用和化学过程的氧化还原反应。通过对比地下河主要离子的衰减量和衰减速率,发现衰减比例最高的为铵态氮,最低为保守元素氯离子。根据衰减速率,将水中的离子和微量元素分为4种衰减特征类型:TFe、Al和Zn一旦进入岩溶含水层后全部衰减;K、Na、Mg、F、Cl、HPO4和TP在洞穴伏流段具有最高的衰减速率;来自生活和工业污染的NH4-N、CODCr、BOD5从上游至下游逐渐减少;Mn、Ba和Hg从明流转为伏流时衰减速率最快,但在洞穴伏流内存在二次悬浮。

岩溶区典型石灰土Cd形态指示意义及风险评价——以桂林毛村为例

为了了解岩溶区石灰土中重金属Cd形态分配特征及富集情况,在桂林毛村采集了3种处于不同发育阶段的黑色、棕色和红色石灰土进行研究。通过原子光谱仪测试了Cd质量分数,运用改进的Tessier分析法测定了3种石灰土中Cd的可交换态(EXC)、碳酸盐结合态(CAB)、铁锰氧化物结合态(OXI)、有机结合态(ORG)、残渣态(RES)5种形态,并对其指示意义及风险进行了分析与评价,结果表明,3种石灰土中Cd质量分数从大到小依次为早期黑色石灰土、中期棕色石灰土、晚期红色石灰土。形态测试结果表明:黑色石灰土和棕色石灰土中Cd形态以铁锰氧化态和残渣态为主,占土壤Cd质量分数的63%以上,且5种形态质量分数从大到小顺序均为铁锰氧化态、残渣态、可交换态、碳酸盐结合态、有机结合态;红色石灰土Cd形态以残渣态为主,占土壤Cd质量分数的76%,形态分配特征从大到小为残渣态、铁锰氧化态、可交换态、碳酸盐结合态、有机结合态。Cd稳定度和富集程度评价结果表明:在黑色石灰土、棕色石灰土和红色石灰土中Cd稳定度逐渐减小,环境二次释放风险逐渐降低;富集程度从大到小依次为黑色石灰土、棕色石灰土、红色石灰土,其中Cd在黑色石灰土中呈显著富集状态,在棕色石灰土中呈中度富集状态,在红色石灰土中呈轻微富集状态。潜在生态风险评价和健康风险评价结果表明,由早期黑色石灰土到中期棕色石灰土和晚期红色石灰土,土壤中Cd的生态风险和健康风险均逐渐降低。研究结果可为岩溶区土壤重金属Cd污染修复与治理提供基础数据。

岩溶区不同植被类型下的土壤氮同位素分异特征

利用氮同位素自然丰度(δ15N)法研究了重庆青木关岩溶区不同植被类型下的土壤氮同位素分异特征及其影响因素。研究结果表明区内土壤1δ5N受不同的植被、地质和土地利用等影响而具有明显的横向和垂向分异特征,具体表现为:0—20 cm层土壤1δ5N与植物体1δ5N具有显著相关性,该层土壤1δ5N大小为草地土(4.79‰)>退耕还林土(4.77‰)>稻田土(4.28‰)>旱地土(4.25‰)>灌丛土(3.82‰)>针叶林土(3.81‰)>砂岩区针叶林土(3.40‰);20—40 cm层土壤δ15N大小为砂岩区针叶林土(5.21‰)>退耕还林土(5.10‰)>草地土(5.01‰)>稻田土(4.88‰)>灌丛土(4.70‰)>旱地土(4.55‰)>针叶林土(4.26‰);40 cm以下土壤1δ5N差异较小,灌丛最高,旱地最低。总体上,砂岩区林地土壤除表层贫化15N外,其余各层均富集15N,且分异较小。而岩溶区土壤δ15N具有明显的垂直变异特征,特别是灌丛林,表现为40 cm以上的土壤贫化15N,且变化较大,其中0—10 cm土壤δ15N受植物凋落物影响而较低,10—20 cm土壤δ15N受微生物作用影响稍显偏高,20—30 cm土壤δ15N随微生物活动减弱而有所降低;40 cm以下土壤矿化程度较大而富集15N,且变化较小。除受植被类型影响外,岩溶区土壤1δ5N还受其偏碱、富钙、高粘粒含量的物理化学特性以及农业施肥活动等因素共同影响。

岩溶区不同植被下土壤水溶解无机碳含量及其稳定碳同位素组成特征

自2010年7月至2011年7月对重庆青木关岩溶区典型植被下的土壤水进行了月动态取样,分析了土壤水溶解无机碳含量(DIC浓度)及其稳定碳同位素组成(δ13CDIC值)的时空变化特征,以揭示岩溶土壤系统碳酸盐岩溶蚀作用及其碳汇效应。研究结果表明:草地和针叶林地土壤水的DIC浓度和δ13CDIC值相对较低,分别为59.12 mg/L和-17.22‰,31.47 mg/L和-16.37‰;而旱地、灌丛地、退耕还林地土壤水具有较高的DIC浓度和δ13CDIC值,分别达153.88 mg/L和-12.2‰,221.82 mg/L和-11.9‰,97.30 mg/L和-11.23‰,其中灌丛和退耕还林地的δ13CDIC值与DIC浓度呈正比,且雨季较旱季偏高约4‰—5‰。根据δ13CDIC值,结合各植被类型下土壤水DIC浓度与其相应的土壤碳酸盐含量呈正相关,判断旱地、灌丛地、退耕还林地等岩溶土壤水中的DIC主要来自土壤中碳酸盐岩矿物的碳酸溶蚀,即岩溶土壤中存在着碳酸盐岩碳酸溶蚀作用,从而在一定程度上减少了土壤系统向大气排放的CO2量。

高分辨率实时监测技术在岩溶碳汇估算中的应用——以板寨地下河监测站为例

岩溶作用对大气CO2起到汇的作用,其量级的大小受岩溶水的排泄量及由岩溶作用产生的无机碳浓度两方面的影响。基于贵州茂兰国家级自然保护区板寨地下河监测站的监测数据,对岩溶碳汇过程及其影响因子进行了分析。结果表明,板寨地下河流域岩溶年碳汇量约为353tC,不同时间尺度的岩溶碳汇强度与流域的排泄量之间均存在良好的线性关系。因此,能否准确监测岩溶地下河的排泄量是岩溶碳汇估算的关键。由于岩溶区水循环季节变化幅度较大,具有实时监测功能的监测站在岩溶碳汇评估中显得十分必要。

西南地区典型岩溶地下水系统污染模式

岩溶地下水资源是西南地区社会和经济发展的重要保障,随着城市化进程的不断加快,西南地区岩溶地下水污染问题也日益凸显,直接威胁当地群众的健康安全,已成为社会热点。以西南地区典型岩溶地下水系统污染实例为研究对象,通过分析每个岩溶地下水系统污染实例的水文地质条件、污染源特征、污染物迁移规律及污染危害等方面,归纳总结西南地区典型岩溶地下水系统污染模式,分为四种:间歇型入渗污染、持续型入渗污染、灌入型污染和越流型入渗污染。该项研究便于识别污染物的运移特征及规律、掌握污染范围和污染程度,为西南岩溶地区地下水污染物的防治工作提供重要的借鉴意义。

夏季降水对岩溶表层带土壤呼吸作用的影响

【目的】研究夏季降水对广西桂林岩溶表层带土壤呼吸的影响,为揭示岩溶地区碳循环机理提供参考依据。【方法】采用静态暗箱—气相色谱法,对比夏季降水前后两个时间段的土壤呼吸通量变化特征,统计分析了该阶段土壤质量含水率和土壤温度的变化,同时对比分析降水完成后土壤呼吸作用恢复过程。【结果】夏季降水导致洼地和坡地20cm处土壤质量含水率增加,土壤温度下降;对20 cm处土壤呼吸作用存在明显的抑制作用,另外,下午坡地20 cm处土壤呼吸作用相对洼地同深度的土壤呼吸作用恢复更加迅速。对0 cm处土壤呼吸作用影响不明显。【结论】夏季不同强度降水事件对不同深度土壤呼吸影响不同,而土壤呼吸作用降低是土壤质量含水率增加和土壤温度降低协同抑制的结果。

塔里木盆地麦盖提斜坡群古三维区奥陶系碳酸盐岩古岩溶储层特征

和田河气田、玉北1井油藏的发现证实了和田古隆起作为塔里木盆地三大古隆起之一有着广阔的勘探前景,但研究程度较低。基于地震、钻井、岩心、薄片等资料综合分析,对麦盖提斜坡群古三维区奥陶系碳酸盐岩古地貌、古水系及岩溶储层发育规律进行了研究;结合古岩溶缝洞系统充填方解石碳氧同位素特征,对古岩溶储层发育及充填期次进行了分析。结果表明:后期溶蚀孔、溶洞和溶蚀裂缝是该区主要储集空间;充填方解石δ13C和δ18 O的变化范围较大,δ13 CPDB为-10.22‰~3.06‰,平均值为-0.89‰,δ18 OPDB为-15.53‰^-6.21‰,平均值为-9.72‰;可划分为古风化壳裸露岩溶期、埋藏岩溶期和较晚岩溶作用期3期不同的古岩溶作用期次。

南川市三泉镇岩溶区农田生态系统有机碳密度

通过在重庆南川市三泉镇岩溶区选取样地进行植被样方观测、植被与土壤样品采集与实验分析,进而计算和讨论该区不同土地利用方式下农田生态系统植被碳密度、土壤有机碳密度和农田生态系统总有机碳密度。结果表明不同土地利用下农田生态系统无论是植被有机碳密度,土壤有机碳密度,还是整个农田生态系统有机碳密度都存在十分明显的差异。在4种农田生态系统土地利用类型中,冬水田的有机碳密度最高,两季田次之,旱地和菜地有机碳密度最低。而且土壤有机碳在农田生态系统有机碳密度的组成中占主导地位(占90%以上)。因此,进一步发展生态农业,搞好生态环境建设,维持农田生态系统土壤有机碳储量的稳定是该区土地合理利用和农田生态系统碳减排的首要任务。同时通过改进耕作制度和措施,提高农业生产水平;不断探索农作物秸杆的综合利用,增加农田生态系统有机碳的滞留时间等措施也是农田生态系统碳减排的有效途径之一。

塔里木盆地轮古东地区前石炭纪古岩溶微地貌及岩溶发育模式

以现代岩溶理论为指导,应用"印模与残厚组合法"恢复岩溶古地貌,在4种二级地貌类型(岩溶高地、岩溶陡坡地、岩溶缓坡地和岩溶盆地)划分的基础上,将塔里木盆地轮古东地区前石炭纪古岩溶地貌进一步划分为峰丛洼地、丘峰谷地、溶丘洼地、峰丛垄脊沟谷、峰丘洼地、丘丛垄脊沟谷、岩溶谷地、溶丘平原等8种三级地貌类型。并在垂向岩溶分带研究的基础上,明确了不同古岩溶地貌条件下的岩溶发育特征及充填机制。研究认为:岩溶高地为区域补给区,发育溶蚀裂缝和溶洞系统;岩溶陡坡地为补给-径流区,以高角度溶蚀裂缝为主;岩溶缓坡地为地下水径流区,发育暗河管道系统;岩溶盆地为排泄区,岩溶缝洞充填程度高。

典型岩溶泉流域不同土地利用方式土壤营养元素形态及其影响因素

对金佛山典型岩溶泉流域不同土地利用下土壤分层取样,并现场测试土壤水分,室内测试分析其营养元素形态含量,论述了土壤营养元素形态含量差异、分布特征以及影响它们分布的因素。结果表明,不同土地利用之间土壤主要元素全量及其有效态含量差异明显,反映了岩溶区土壤的空间异质性。钙含量最高为水房泉林地,镁含量最高为碧潭泉草地,受岩性的控制。无论是全量还是有效态,Ca含量在下层的含量明显高于表层,说明对岩溶区土壤Ca而言,淋溶作用似乎强于生物作用。高钙或高镁似乎对铜锌锰有效态有抑制作用,低钙和低镁土壤可以保持较高含量的铜锌锰有效态含量。在原始林地条件下,土壤可保持较高的有机碳(质)含量,钙的流失可能是土壤有机碳含量下降的主要因素。随着植被的退化,从林地、灌草丛到耕地,土壤养分含量减小,即人类活动程度的增加,土壤养分逐渐流失。土壤剖面上养分含量从林灌、草地到耕地,减小幅度有逐渐增大趋势,也就是说植被破坏的结果可导致土壤养分的快速流失。

茂兰原生森林区岩溶流域水循环碳汇效应

岩溶作用过程积极的参与着碳循环,但在全球碳循环研究中并未对其加以重视。以自动化监测技术为手段,对处于茂兰原生森林区板寨地下河流域进行了一个水文年的实时监测,发现该流域水循环岩溶碳汇值高达353.16tC/a,折合11.8tC/(km2·a)。在此过程中,水循环方式是影响岩溶碳汇的主要因子,潮湿多雨、蒸发量小的天气有利于流域产流,从而可增强碳汇。基于前期森林调查数据,计算得该流域森林植被光合作用碳汇值为454.14tC/a,相当于该区岩溶碳汇的1.3倍。由于光合作用碳汇远大于森林植被的净碳汇,且该区代表了亚热带岩溶区森林顶级生态系统及亚热带岩溶区森林碳汇的最高水平。这说明在亚热带岩溶区,水循环碳汇量与森林植被净碳汇量同等重要,甚至更重要。