李 維 杰王 建 力王 紅
(1.西南大學 地理科學學院,重慶 400715; 2.安順學院 資源與環(huán)境工程學院,貴州 安順 561000)
目前有關洞穴系統(tǒng)指示地表環(huán)境的研究,主要集中在洞穴次生碳酸鈣沉積物及洞穴滴水,洞穴滴水是洞穴沉積物的直接物質來源,指標選擇多為穩(wěn)定性氧[1-3]、碳同位素[4]與各種常量、微量元素[5-6],洞穴次生碳酸鈣沉積物中的元素及穩(wěn)定同位素作為氣候環(huán)境演變記錄的代用指標,能夠反映地表氣候環(huán)境變遷與其物質來源,通過分析滴水的水文地球化學特征與理化特征,對于研究洞穴沉積物形成機理有著重要的意義。
洞穴滴水沉積物記錄地表生態(tài)環(huán)境變遷的思想,源于近年來國內外學者對于全球氣候變化的研究。中國西南喀斯特地區(qū)石漠化嚴重、生態(tài)環(huán)境脆弱,可持續(xù)發(fā)展受到制約,如何全面有效地對石漠化生態(tài)環(huán)境及其治理效果進行監(jiān)測評價,是制定治理石漠化戰(zhàn)略所面臨的問題[7]。國外Rutlidge[8]等通過主成分分析法分析了澳大利亞 Cathedral 洞滴水元素的物質來源;Baldini[9]等通過長時間尺度與短時間尺度的監(jiān)測,對比分析了季節(jié)變化對愛爾蘭 Ballynamintra 洞滴水元素的影響。國內劉子琦[10]等針對貴州中西部不同等級石漠化洞穴次生碳酸鈣沉積物δ13C的對比研究發(fā)現,石漠化越強的地區(qū)洞穴沉積物δ13C值越偏重;李淵[11]等通過短時間尺度的降雨條件下對貴州石將軍洞的監(jiān)測,發(fā)現洞外環(huán)境變化控制洞內溫度與CO2體積分數變化,土壤稀薄導致滯后性較小。對地下洞穴滴水進行監(jiān)測,進而配合地表生態(tài)環(huán)境觀測,為石漠化綜合治理提供全面的觀測數據是十分必要的。
在2016年1~12月期間,選取氣候條件一致、石漠化等級不同的納朵洞主洞(潛在)及其附近一個小洞(中度)兩處洞穴進行了1 a的監(jiān)測,分析計算了不同石漠化背景下的洞穴內部環(huán)境及洞穴滴水的理化指標(溫度、pH值、CO2濃度、電導率EC、Ca2+與Mg2+等)及其特征,以探究洞穴滴水物理化學指標對地表不同等級石漠化(潛在石漠化和中度石漠化)環(huán)境的響應,為洞穴次生碳酸鈣沉積物記錄石漠化環(huán)境提供支撐,為研究石漠化的演變提供科學依據。
研究區(qū)位于貴州省關嶺縣響鑼村境內,研究洞穴納朵洞主洞(25°49′N,105°35′E) 距關嶺縣氣象站約13 km,洞體巖層為灰?guī)r或白云巖夾泥沙巖,屬三疊系永寧組,主洞洞口較大,洞口到洞內階梯式下降,坡度較大,洞穴中部通道狹窄,洞穴深部與外界交流較少,保持常年穩(wěn)定的洞穴環(huán)境,監(jiān)測洞廳的山體厚度約30~85 m,上覆土壤為黃壤,土壤層發(fā)育較厚,坡體陡峻,基巖裂隙發(fā)育較少,植被以草被和灌叢為主,屬于潛在石漠化等級(見圖1)。小洞與主洞相距0.6 km,地表破碎,以峰叢槽谷和丘陵洼地為主,洼地相對平坦,出露巖層以石灰?guī)r、砂頁巖為主,洞口寬敞,沿洞口往內通道上有大量大型崩塌碎石,洞內環(huán)境與外界交流較多,對外界環(huán)境響應較大,上覆植被以低結構灌叢為主,屬于中度石漠化等級(見圖2)。據關嶺縣氣象資料,該地區(qū)年平均降雨量為1 268 mm,年平均氣溫為16.2 ℃,屬中亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū),季風氣候顯著,雨季5~10月集中全年80%以上的降水量[12]。
圖1 納朵洞主洞采樣點分布示意Fig.1 Sampling distribution in the main cave of Naduo
圖2 納朵洞附近小洞采樣點分布示意Fig.2 Sampling distribution in the small cave near Naduo
自2016年1~12月(部分指標缺12月數據),在納朵洞主洞內選取離洞口較遠、封閉條件好的5個滴水點( D2,D4,D7,D8,D9)以及小洞洞內3個滴水點(DX1,DX3,DX5)進行連續(xù)監(jiān)測。各觀測點水樣的電導率 EC和pH值、空氣溫度和CO2濃度現場監(jiān)測。用75 mL的聚乙烯塑料瓶來采集陽離子水樣,采樣前先用水樣潤洗3次,水樣中加入1∶1濃度的HNO3酸化,以保持離子活性。所有樣品瓶口密封,帶回實驗室于6 ℃避光條件下冷藏,以備分析測試使用。滴速用秒表計數測定,連續(xù)計數3次再取平均值,單位為滴·min-1。
用美國 HCAH 公司生產的HQ340d多參數水質分析儀現場測試水樣pH值和電導率EC,精度分別為0.01 pH單位、1 μS·cm-1,用?,擜R837溫濕度計測試空氣溫度,分辨率為0.1 ℃;用德國Testo 535紅外二氧化碳測量儀現場測試大氣CO2和洞穴空氣CO2濃度,測量范圍為0~9 999 ppm,測量精度為1 ppm。在西南大學地理科學學院地球化學與同位素實驗室和水化學實驗室用美國Perkin-Elmer公司生產的Optima2100DV電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測試Ca2+、Mg2+等,檢測限為0.001 mg/L,測量相對誤差≤2%。
大氣降水在滲入地表環(huán)境后,經過土壤層和下部基巖,由于吸收了土壤中不同形式的CO2而導致pH值降低,但對基巖的溶蝕作用又消耗了H+,引起pH值升高[13]。有研究者通過探討降雨對pH的稀釋作用得出,干旱與濕潤時期的洞穴滴水的pH值變化恰好相反,在干旱時期較高,而濕潤期pH值則偏低,原因在于濕潤期降雨量大稀釋作用明顯,從而表現出較低的pH值,冬季則相反[14]。
納朵洞主洞5個滴水點pH值變化趨勢基本一致,觀測點D2,D4,D7,D8,D9滴水的pH值均值分別為7.6,7.8,7.9,7.9,7.9,總體表現出旱季高、雨季低的變化特征;同時各個滴水點CO2濃度變化趨勢表現出雨季高、旱季低的特點(見圖3)。洞穴滴水中CO2主要來自大氣、土壤、地表植被以及微生物活動。主洞洞穴(潛在石漠化)土層深厚,植被覆蓋度高,頂部基巖堅硬致密,中部通道狹窄,內部各個滴水點受外界環(huán)境影響小,CO2濃度具有穩(wěn)定來源。隨著雨季的來臨,地面溫度升高,植被生長旺盛,生物活性強,大氣降水通過地表植被-土壤-基巖,經過水-土-巖的相互作用,洞穴滴水不斷吸收CO2含量,形成具有強侵蝕能力的洞穴水,pH值降低,旱季則相反。
圖3 納朵洞主洞與小洞CO2濃度、滴水的pH值、降水量季節(jié)變化特征Fig.3 Seasonal variation characteristics of CO2, pH and precipitation in small, and main cave of the Naduo cave
小洞洞穴(中度石漠化)3個滴水點pH值變化趨勢基本一致,觀測點DX1,DX3,DX5滴水的pH值均值分別為8.3,8.2,8.2,明顯高于潛在石漠化的主洞,同時各個滴水點CO2濃度與主洞相比,濃度減少4~5倍且變化差異性明顯,反映了洞穴環(huán)境的不穩(wěn)定性以及CO2來源單一性(見圖3)。小洞洞穴土壤層稀薄,植被以低結構灌叢為主,洞穴內部通道寬闊,與外界環(huán)境交流活躍,CO2濃度與pH值主要取決于碳酸巖體的厚度、基巖裂隙與孔隙度以及洞穴水在巖體中的反應時間和滯留時間。雨季來臨時,洞穴頂部植被稀少,土壤受雨水沖刷,水土流失嚴重,土壤中CO2賦存稀少,致使雨季pH值升高,旱季土壤開始賦存雨季過后植被根部呼吸及生物呼吸的CO2,使得土壤中賦存的CO2量增大,加上干旱期降雨量少,水分在土壤中停留的時間長,能夠吸收較大的CO2量,致使pH值旱季降低。
總之,納朵洞小洞滴水的pH均值為8.2,主洞為7.8,說明石漠化程度高的洞穴滴水中pH值高于石漠化程度低的洞穴滴水,同時CO2濃度大幅降低,主要取決于石漠化地區(qū)巖層厚度、洞穴結構、植被土壤條件以及雨水在土壤和巖體中的滯留時間,并非完全取決于氣候條件。
電導率能夠反映水中離子的強度及其溶解態(tài)無機物質組成,水中各種離子的質量濃度越高,水的導電性就越強,反之則越弱[15]。納朵洞主洞(潛在石漠化)5個滴水點電導率變化趨勢基本一致,D2,D4,D7,D8,D9滴水的電導平均值分別為:229.9,248.3,225.5,239.5,214.83 μS/cm,標準偏差分別為22.60,19.14,31.40,29.19和24.12,反映洞穴滴水點受制于同一洞穴系統(tǒng)以及所含離子來源的一致性和穩(wěn)定性(見圖4)。隨著3月份降雨量增加,降水的稀釋作用逐漸體現,9月份進入旱季,降水量稀少,雨季殘留的“老水”在土壤與基巖中的滯留時間逐漸增加,水-土-巖充分反應,表現出雨季低、旱季高的特點,一定程度上表現出潛在石漠化地區(qū)洞穴地表植被覆蓋度高、上覆土壤與基巖深厚。同時隨著洞穴的深入,滴水點電導率逐漸降低,反映出滴水點上覆土壤與頂板厚度逐漸降低。主洞滴水溫度在季節(jié)上較穩(wěn)定,整體趨勢逐漸上升, 滴水點D2,D4,D7,D8,D9氣溫均溫分別為16.8,16.5,16.8,16.5,16.5 ℃,標準偏差分別為0.26,0.45,0.34,0.44,0.48,說明滴水點氣溫高于且接近于當地年平均氣溫為16.2 ℃,且各滴水點氣溫的變化范圍不大。這與洞穴的形態(tài)結構有關,主洞前廳高大寬闊,約48 m,洞口敞開,而滴水點全部位于后廳,前廳與后廳之間洞體狹窄細長,后廳氣流流通緩慢,與外界交流少,溫度變化恒定。
小洞洞穴(中度石漠化)3個滴水點DX1,DX3,DX5電導率的平均值分別為226.8,236.5,217.7 μS/cm,標準偏差分別為34.97, 30.06,48.28,小洞滴水的電導率相對主洞變化幅度較大。季節(jié)變化也存在差異性和不穩(wěn)定性,雨季變化幅度較大,而旱季趨于穩(wěn)定,同時隨著洞穴的深入,距離洞口較近的滴水點DX5對外界響應迅速,而距離較遠的滴水點DX1響應緩慢(見圖4)。反映出中度石漠化區(qū)洞穴地表植被覆蓋差、土壤層較薄、巖石裸露率高,滴水點理化特征較大程度上取決于洞穴基巖的厚度,越接近洞口上覆基巖越薄,季節(jié)性降雨迅速進入地下,從而導致靠近洞口的滴水點能較好地對外界變化作出反應。小洞的滴水溫度季節(jié)變化趨勢基本一致,滴水點DX1,DX3,DX5氣溫均溫分別為13.8,12.5,12.6 ℃,相比主洞氣溫明顯低于當地氣溫的年平均氣候,且各滴水點氣溫的變化范圍較大,主要與洞穴形態(tài)結構相關,小洞洞口寬敞,洞體通道寬大,洞內空氣與外界交流頻繁,溫度受洞外氣溫影響大。
總之,納朵洞主洞及其附近小洞洞穴滴水的電導率,總體表現出雨季低、旱季高的特點;主洞觀測點年平均氣溫16.6 ℃,略高于當地年平均氣溫0.4 ℃,而小洞觀測點年平均氣溫為13.0 ℃,低于當地年平均氣溫為3.2 ℃,且各滴水點氣溫的變化幅度較大。相同氣候條件,不同等級石漠化地區(qū)洞穴地表植被覆蓋度、上覆土壤與基巖厚度、巖石裸露率以及洞穴形態(tài)結構較大程度上影響滴水點氣溫、滴水的電導率對外界環(huán)境的響應。中度石漠化地區(qū)洞穴溫度對外界地表環(huán)境響應迅速,滴水點氣溫、滴水的電導率變化幅度大,潛在石漠化地區(qū)洞穴溫度響應緩慢,滴水點氣溫、滴水的電導率變化幅度小。
滴水中的離子來源于降水攜帶的洞頂土壤元素中的離子以及降水對基巖溶解作用后攜帶的離子,因而主要受土巖溶解速率與巖溶元素遷移機制影響。雨季CO2體積分數多,導致巖溶能力增強,從而溶解遷移更多離子[16]。不同等級石漠化地區(qū)洞穴土壤厚度、植被覆蓋度、基巖孔隙度以及CO2體積分數存在差異,致使滴水點Ca2+與Mg2+質量濃度響應特征各不相同。
圖5 納朵洞與小洞Ca2+、Mg2+濃度變化特征Fig.5 Changes of Ca2+and Mg2+concentrations in the small caves and Naduo cave
納朵洞主洞(潛在石漠化)5個滴水點Ca2+質量濃度平均值變化范圍為38~75 mg/L,季節(jié)變化趨勢基本一致,表現出雨季離子濃度低、旱季濃度高的特點,且存在一定滯后性,Mg2+質量濃度平均值變化范圍為1.2~2.4 mg/L,表現出雨季離子濃度低且變化幅度大,旱季濃度高且變化平穩(wěn)的特點,同時隨著洞穴深入,滴水點頂板厚度逐漸降低,水分在土壤和巖石中滯留時間和反應時間縮短,不足以充分反應,離子濃度逐漸降低(見圖5)。洞穴滴水中Ca2+與Mg2+主要來自于大氣降水對碳酸鹽巖的溶解作用以及對土壤的淋濾作用,而其離子含量主要取決于大氣降水從土壤、微生物活動中攜帶的CO2含量,由于季節(jié)性變化,CO2含量雨季多于旱季,洞穴水溶解作用雨季強于旱季,因此離子質量濃度雨季高于旱季。而潛在石漠化地區(qū)植被以灌叢為主,土壤層相對稀薄,巖石孔隙度高,雨季來臨,地表增溫,植物生長旺盛,微生物活動強烈,土壤中賦存的CO2含量增加,降水到達地面沖刷地表,造成地表水土流失,攜帶CO2含量相對較少,在基巖中滯留時間和反應時間縮短,同時降水的稀釋作用,致使雨季離子濃度含量降低,旱季降水稀少,土壤與巖石裂隙中賦存的“老水”不斷參與水-土、水-巖反應,離子濃度升高,因先期沉積作用(PCP)以及方解石與白云巖溶解度差異,Ca2+質量濃度旱季降低,Mg2+質量濃度升高,Mg2+/Ca2+比值升高。
小洞洞穴(中度石漠化)3個滴水點Ca2+質量濃度平均值變化范圍為30~53 mg/L,相比主洞(潛在石漠化)離子濃度相對減少,一定程度上反映該地區(qū)植被稀少,土壤層較薄,頂板厚度小,水-土-巖反應不充分,同時季節(jié)變化幅度較大,規(guī)律性還需進一步研究,Mg2+質量濃度平均值變化范圍為1.5~2.1 mg/L,季節(jié)變化存在差異性且不穩(wěn)定,總體上Ca2+與Mg2+質量濃度呈現雨季低、旱季高的特點(見圖5)。推測源于中度石漠化地區(qū)巖石裸露率高,土壤稀少,雨水沖刷地表,水-土反應較少,水流通過巖石裂隙與縫隙不斷溶解碳酸鹽巖,因此石漠化程度較高的地區(qū)滴水中離子濃度主要取決于頂板巖石厚度以及孔隙度。雨季降水量增加,因該地區(qū)植被與土壤稀少,直接參與水-巖反應,巖石孔隙度和節(jié)理發(fā)育不同,致使滴水點離子濃度存在差異性,旱季降水量減少,“老水”在巖石中的反應程度決定了滴水點離子濃度。
總之,不同等級石漠化地區(qū)洞穴滴水點Ca2+與Mg2+質量濃度對外界環(huán)境響應存在差異性,總體上離子濃度表現出雨季低、旱季高的特點,石漠化程度低的地區(qū)洞穴滴水離子濃度主要取決于地表植被覆蓋度、土壤以及碳酸鹽巖厚度,石漠化程度高的地區(qū)洞穴滴水離子濃度主要取決于頂板巖石厚度以及孔隙度。
不同等級石漠化地區(qū)洞穴地表植被覆蓋度、土壤層厚度、基巖厚度、人類參與程度、洞穴形態(tài)結構、巖石裂隙以及孔隙度存在差異,致使洞穴滴水對地表生態(tài)環(huán)境響應存在一定偏差和滯后性,石漠化等級越低,生態(tài)環(huán)境較好,滴水理化特征表現出一定規(guī)律性和穩(wěn)定性,石漠化等級越高,生態(tài)環(huán)境較差,滴水理化特征季節(jié)變化幅度較大,規(guī)律性不明顯,需要結合其他監(jiān)測數據進一步研究。同時石漠化等級程度不同的洞穴水分賦存主體也各不相同,石漠化等級較低的洞穴水分在下滲過程中,對水分起主要賦存作用的為上覆植被、土被與基巖,石漠化等級較高的洞穴地表植被、土被稀少,水分主要賦存在上覆基巖中。
氣候條件一致,不同等級石漠化洞穴地表植被覆蓋度、土壤層以及基巖厚度一定程度上影響CO2賦存量、電導率、pH值以及滴水中元素的遷移。雨季,石漠化程度較低的洞穴地表植被覆蓋度較高,土層深厚,微生物活動旺盛,土壤中CO2賦存量較大,產率高,水分在土壤中停留時間長,大量CO2被溶解進入水體,形成具有強侵蝕能力的洞穴水,不斷融解基巖,滴水中pH值相對偏低,元素含量逐漸增加,電導率也相應增大。旱季,地表植被稀少,微生物活動微弱,土壤中CO2賦存量較小,產率低,地表水對土壤和基巖的溶解以及淋溶作用下降,滴水中pH值相對偏高,元素含量與電導率逐漸增大。而石漠化程度較高的洞穴雨季地表植被稀疏,土壤層較薄,CO2賦存量小,雨水在土壤中停留時間較短,吸收的CO2含量較少,而基巖深厚,水分在巖石中下滲的停留時間和反應時間較長,致使pH值較高。旱季,少量土壤開始賦存雨季過后植被以及微生物呼吸的CO2,降水稀少,水分在土壤中停留時間長,吸收較大的CO2量,致使pH值較低。
洞穴形態(tài)結構的差異性一定程度上影響滴水溫度、空氣流通性以及對外界環(huán)境的響應程度。納朵洞主洞前廳高大寬闊,洞口敞開,空氣流通性強,前廳與后廳之間洞體狹窄細長,后廳氣流流通緩慢,與外界交流少,溫度變化恒定,存在一定規(guī)律性,同時距離洞口較近的滴水點能較好地對地表溫度變化作出反應;電導率、pH等特征在靠近洞口的位置變化迅速,變率較大。小洞洞穴洞口寬敞,洞體通道寬大,洞內空氣與外界交流頻繁,溫度受洞外氣溫影響大,同時滴水點監(jiān)測指標季節(jié)變化幅度大,規(guī)律性差,隨著洞穴的深入,滴水點監(jiān)測指標趨于穩(wěn)定,且變化幅度小。
目前,石漠化進程加快較大程度上歸因于人類參與,通過長時間耕作,破壞地表植被,土壤肥力下降,降雨對地表土壤的沖刷強度增大,土壤吸水膨脹瓦解、孔隙度增大,造成土壤與植被進一步退化,水土流失加劇,致使土壤生物能力減弱[17]。小洞洞穴滴水pH值表現出雨季高、旱季低的反?,F象,主要取決于地表植被覆蓋度、洞穴系統(tǒng)、土壤以及基巖厚度,而研究洞穴上方為連片破碎耕地,土地的使用率頻繁,土地的負荷量較大,農民使用化學肥料較一般地區(qū)要多,一定程度上可能受到化學肥料的污染。每年10月到次年3月份是當地作物收獲的季節(jié),農民大量使用磷肥和氮肥,下滲水中酸性液體增多,因此pH值降低;而4月份至10月份,農業(yè)活動不頻繁,化肥使用少,下滲水攜帶的酸性液體較小,因此pH值較高,但其具體的影響機制需要進一步研究。
巖石孔隙度一定程度上制約水分在巖石中的運移路徑、停留時間以及反應時間,從而影響滴水中元素濃度以及電導率。石漠化程度不同,巖石孔隙度以及裂隙也存在差異,巖體孔隙度越高,水分在基巖中的停留時間以及反應時間越短,致使滴水中元素濃度下降,電導率相應減少,且滴水對外界環(huán)境響應加快,變化幅度增大??紫抖仍降?,水分在基巖中的停留時間以及反應時間越長,致使滴水中元素濃度增加,電導率相應增大,滴水對外界環(huán)境響應減緩,變化幅度減小。同時各個滴水點在巖體中的運移路徑有所不同,導致對外界環(huán)境的響應存在一定差異。
(1) 納朵洞主洞(潛在石漠化)及其附近小洞(中度石漠化)洞穴滴水的pH均值分別為7.8,8.2,說明石漠化程度高的洞穴滴水的pH值高于石漠化程度低的洞穴滴水的pH值,同時CO2濃度大幅降低,主要取決于石漠化地區(qū)巖層厚度、洞穴結構、植被土壤條件以及雨水在土壤和巖體中的滯留時間,并非完全取決于氣候條件。
(2) 納朵洞主洞及其附近小洞洞穴滴水的電導率,總體表現出雨季低、旱季高的特點;主洞觀測點年平均氣溫16.6 ℃,略高于當地年平均氣溫0.4 ℃,而小洞觀測點年平均氣溫13.0 ℃,低于當地年平均氣溫3.2 ℃,且各滴水點氣溫的變化幅度較大。相同氣候條件,不同等級石漠化洞穴地表植被覆蓋度、上覆土壤與基巖厚度、巖石裸露率以及洞穴形態(tài)結構等較大程度上影響洞穴滴水點的氣溫和滴水的電導率對外界環(huán)境的響應。中度石漠化地區(qū)洞穴溫度對外界地表環(huán)境響應迅速,滴水點的氣溫、滴水的電導率變化幅度大,潛在石漠化地區(qū)洞穴溫度對外界地表環(huán)境響應緩慢,滴水點的氣溫、滴水的電導率變化幅度小。
(3) 不同等級石漠化洞穴滴水點Ca2+與Mg2+濃度對外界環(huán)境響應存在差異性。納朵洞主洞(潛在石漠化)5個滴水點Ca2+與Mg2+質量濃度平均值變化范圍為38~75 mg/L和1.2~2.4 mg/L,而小洞洞穴(中度石漠化)3個滴水點Ca2+與Mg2+質量濃度平均值變化范圍為30~53 mg/L和1.5~2.1 mg/L,相比主洞(潛在石漠化)Ca2+離子濃度相對減少。一定程度上反映該地區(qū)植被稀少,土壤層較薄,頂板厚度小,水-土-巖反應不充分,同時季節(jié)變化幅度較大。石漠化程度低的地區(qū)洞穴滴水離子濃度主要取決于地表植被覆蓋度、土壤以及碳酸鹽巖厚度,石漠化程度高的地區(qū)洞穴滴水離子濃度主要取決于頂板巖石厚度以及孔隙度。總體上Ca2+與Mg2+離子濃度表現出雨季低、旱季高的特點。
(4) 石漠化等級程度不同的洞穴水分賦存主體也各不相同,石漠化等級較低的洞穴水分在下滲過程中,對水分起主要賦存作用的為上覆植被、土被與基巖,石漠化等級較高的洞穴地表植被、土被稀少,水分主要賦存在上覆基巖中。