洞穴滴水的水文地球化学过程及其石漠化环境响应——以贵州6个洞穴为例

摘要

洞穴次生沉积物在反映地表气候与生态环境方面已经取得了重要成果，洞穴滴水作为次生沉积物的主要物质来源，必定也携带了外部环境中的重要信息，而滴水的水文地球化学过程可能会对地表环境信息的解译产生不同程度的模糊或掩盖，因此，为了探讨滴水信息对地表石漠化环境的响应机制，结合国家“十二五”科技支撑计划重大课题“喀斯特高原峡谷石漠化综合治理技术与示范”与西南大学中央高校基本科研业务费专项“洞穴滴水元素时空变化特征及其石漠化效应”，以地球系统科学理论、喀斯特动力学理论、石漠化分布与演化规律为指导思想，于2014年7月至2015年6月对3个研究区处于不同等级石漠化地区的6个洞穴(贵州毕节朝营洞与韩家冲洞、安顺本寨洞与石将军洞和花江大消洞与荣发洞)展开为期1年的动态监测，使用德国WTW公司生产的Multi350i水质分析仪、德国Merck碱度计和硬度计与美国Optima-2100DV全谱直读型ICP-OES等仪器测定滴水的水温、电导率、pH及Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+等离子浓度，以这些指标为研究对象，探讨滴水各指标的时空变化特征与滴水的物质来源，重点研究滴水的水文地球化学过程与滴水信息对石漠化环境的响应特征，得出以下结论：
　　(1)大多数滴水点雨季滴速快且波动大，旱季滴速慢且波动小，滴率变幅总体上能反映干湿季节的变化，石将军洞滴水点越靠近洞穴内部滴率越趋于稳定，其他洞穴的滴水点空间变化规律不明显。季节变化、土壤厚度及岩石裂隙制约滴率大小，水温受到洞口开阔程度、洞穴结构等因素的复合影响，pH的季节变化特征并不一致，大多数洞穴滴水的电导率及元素在雨季较高，而旱季偏低，均受到不同季节控制下溶蚀作用差异的影响，各指标的空间变化规律均不明显，有必要结合不同时间尺度对滴水指标的变化规律做进一步研究。
　　(2)滴水中Mg、Sr、Ba等元素主要来源于土壤与围岩的混合，只是土壤与围岩所占比例各有差异，土壤对SJJ-W3、SJJ-W4等滴水Mg2+的贡献比围岩大，围岩是大部分滴水点元素的主要来源。各个洞穴滴水的水化学指标受到来自雨水稀释、方解石先期沉淀与活塞效应等复杂的水文地球化学过程的影响，其中，石将军洞、大消洞与荣发洞滴水受方解石沉淀作用更为明显，滴水物质来源及其水化学过程直接导致石漠化环境的模糊解译，如何合理地排除这些因素的干扰是后续工作中需要关注的。
　　(3)三个研究区潜在-轻度石漠化条件下的滴水滴率均小于中-强度石漠化，而电导率、pH与元素浓度等却不存在这种规律，石漠化差异更多体现在对指标变幅的控制上，方解石先期沉淀与活塞效应等水化学过程对元素特征响应石漠化环境有不同程度的掩盖。中-强度石漠化地区与无石漠化地区相比，滴水的电导率、pH与元素浓度波动均较小，并且表现出较低的电导率和Ca2+、Mg2+浓度与较高的pH和Mg/Ca。
　　(4)石漠化已治理区中-强度石漠化环境中，滴水的电导率与Ca2+浓度在夏季相对较高，而冬季较低，潜在-轻度石漠地区在夏季出现pH、Mg2+浓度与Mg/Ca的较高值。石漠化未治理区的滴率、pH在夏秋季节较高，而电导率和Ca2+则在冬季表现较高，其中潜在-轻度石漠化条件下Mg/Ca及其变幅小于中-强度石漠化地区，pH、电导率与元素浓度也高。季节变化对地表石漠化等级的短期波动有一定影响，需要对洞穴滴水各指标加强季节对比。
　　(5)滴水的滴率、电导率在前后两年均有不同程度的提升，而 pH主要呈降低趋势，反映石漠化治理和环境改善提高了土壤的水源涵养能力，强化了喀斯特作用。Ca2+、Mg2+浓度与 Mg/Ca基本呈下降趋势，其受到多种水文地球化学过程的制约，在地表生态环境年际记录研究中的意义不明显。石将军洞滴水pH在后一年内并没有体现出“雨季高，旱季低”的变化特征，与前期研究结果相反，有必要对滴水的年际记录特征做进一步观察。

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中文摘要

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前言

1选题背景

2立题依据

3研究的理论意义

4研究的现实意义

1 研究现状

1.1喀斯特石漠化研究

1.2洞穴滴水研究

1.3国内外研究进展与展望

2 研究设计

2.1研究目标与内容

2.2技术路线与方法

2.3研究区选择与代表性

2.4材料数据获取与可信度分析

3 滴水水文地球化学指标的时空变化特征

3.1滴率的时空变化

3.2滴水pH、EC、HCO3-、水温

3.3 Ca2+, Mg2+, Sr2+, Ba2+

3.4小结

4 滴水物质来源及水文地球化学过程

4.1滴水的物质来源

4.2滴水的水文地球化学过程

4.3小结

5 滴水信息的石漠化环境响应特征

5.1毕节研究区

5.2安顺研究区

5.3花江研究区

5.4与非石漠化地区洞穴滴水的比较

5.5小结

6 滴水对现代生态环境变化的记录

6.1季节记录特征

6.2年际记录特征

6.3小结

7 结论与讨论

7.1滴水物理化学指标的时空变化特征

7.2滴水的物质来源及其水文地球化学过程

7.3滴水信息对石漠化环境的响应特征

7.4滴水信息的现代生态环境记录

参考文献

附录

致谢

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