贵州凉风洞洞穴滴水水文水化学过程分析

通过对贵州荔波凉风洞5个滴水点进行为期1年的动态监测,表明除大气降雨携带的较少物质成份外,凉风洞滴水中的物质主要来源于土壤,同时,示踪结果显示出凉风洞滴水对大气降雨的响应较快,滴水的物质组成直接源自于洞穴环境。洞穴滴水的化学组成中元素含量的变化主要由水运移过程中水-土、水-岩作用导致的方解石溶解-沉淀过程所控制,稀释作用、水来源的差异或者活塞流产生了一定的效果,但其影响较弱,表明凉风洞滴水点的次生沉积物可能记录了环境变化信息。但水在洞穴顶板内运移过程中发生的水文地球化学过程(岩石的溶解、方解石沉淀作用过程)以及洞穴滴水响应大气降雨的时间尺度、水动力过程、水流形式等因素,影响到凉风洞洞穴次生沉积物过去环境记录指标。因此,岩溶次生沉积物过去环境变化指标的解译应该有洞穴滴水水动力地球化学过程的结果作为支撑。这些过程的清晰化可以更好地为研究洞穴环境次生沉积记录的高分辨率、短时间尺度的过去变化提供依据。     

开放洞穴环境变化特征及其影响因素:以桂林凉风洞为例

通过对桂林凉风洞洞穴内、外温湿度、pCO2进行连续高频监测,发现洞穴温度受大气度温影响呈现出季节性变化规律。由于受到洞穴结构的阻隔作用影响,洞穴由外向里的温度变化幅度逐渐变小,并且响应的时间存在季节性差异。监测数据表明:洞穴内部温度的季节性变化幅度明显低于洞外气温变化幅度。比较洞内、外温度的时间序列发现,在季节尺度上洞穴温度升温阶段滞后时间长（与外部通风的气温流动交换慢）,降温阶段滞后时间短（与外部通风的气温流动交换快,呈现突变特征）,这可能与不同季节洞穴内部结构的“缓冲作用”的强弱变化有关。该洞穴空气中pCO2存在明显的夏季高、冬季低的季节性变化特征。并且外界大气环境季节性变化和洞穴上覆动植物的季节性活动,使得洞穴pCO2主控因素也存在季节性差异。      

桂林硝盐洞滴水水文和水化学动态变化特征

为认识裸露型岩溶包气带洞穴水文水化学动态变化特征,以桂林硝盐洞滴水为例,选取桂林硝盐洞3处滴水,对滴速、电导率、pH值、Ca2+、Mg2+、Sr2+进行监测,结果显示:(1)岩溶洞穴滴水的离子浓度与温度降水关系密切,高温多雨时节岩溶作用加快,洞穴滴水中Ca2+、Mg2+含量升高,同时强降雨会导致离子浓度产生很大波动;(2)滴水化学性质受到土壤、基岩顶板厚度、滴水量等的影响,土壤层越厚,滴水中Ca2+含量越高;(3)受“慢速补给”的滴水点,其滴水量与离子浓度呈正相关性,而受“快速补给”的滴水点,其滴水量与离子浓度呈负相关性;同时接受两种方式补给的滴水点,其滴水量和离子浓度变化剧烈,且呈良好的正相关性。      

桂林硝盐洞洞穴滴水示踪及气候环境意义研究

洞穴滴水对大气降水的滞留时间的研究是准确解译洞穴沉积物气候环境代用指标的重要内容。由于研究尺度和技术手段的差异,目前对滞留时间的研究重视程度仍不够。基于此引入水文地质领域成熟的示踪方法,对桂林丫吉硝盐洞滴水对大气降水响应时间进行了连续高分辨率的研究。利用野外自动化荧光仪和荧光示踪剂,实现了滴水的自动化示踪研究,节省了人力物力且提高了分辨率。通过两次示踪试验,确定了桂林丫吉硝盐洞滴水雨季对大气降水的响应时间小于48h,一些强降雨事件,滞留时间甚至小于4h。发现滴水的温度变化可以作为高分辨率监测时大气降水形成径流的示踪剂。对于桂林丫吉硝盐洞XY5常年性滴水点,雨季日降雨强度大于16.3mm就可以形成径流,并被监测到。XY5滴水点主要存在两个水源补给,常年的基流补给和大气降水的快速补给。这些认识对洞穴滴水监测和洞穴沉积物古气候环境重建有着很好的借鉴意义。     

重庆芙蓉洞洞穴水DIC-δ13C的变化特征及影响因素

为了研究芙蓉洞滴水和池水中溶解无机碳碳同位素(DIC-δ13C)的变化特征、影响因素及其气候环境指示意义,于2013年5月-2014年5月对芙蓉洞进行了洞穴监测.结果显示芙蓉洞山体土壤CO2浓度和洞内空气CO2浓度均表现出明显的季节变化特征,夏半年浓度偏高,冬半年浓度偏低,受温度和降水量的共同影响.芙蓉洞5个滴水点的DIC-δ13C平均值为-8.98‰,两个池水点的DIC-δ13C平均值为-6.98‰,池水的DIC-δ13C比滴水的重2‰.对应2013年7月的干旱气候,洞穴水DIC-δ13C在10月相应出现明显偏重值,偏轻的DIC-δ13C值则是对湿润气候的滞后响应.洞穴水的DIC-δ13C变化对地表气候的响应具有明显的滞后期.洞穴水DIC-δ13C主要受土壤CO2的影响,基岩溶解作用、包气带的开放性等因素也会对洞穴水DIC-δ13C造成一定的影响.研究结果表明在短时间尺度上,洞穴水DIC-δ13C变化响应了当地降水量以及地表湿润状况的变化.     

广西桂林凉风洞秋冬季滴水和沉积物氧同位素对极端降水的记录研究

近年来,全球环境变化导致的极端气候事件的发生频率剧增,引起了国内外学者的广泛关注。由于器测记录时间较短,因此需要通过精确连续记录古气候变化的石笋来解译极端气候事件的规律。本文针对桂林凉风洞2015年9月至2016年1月的大气降水、洞穴滴水和现代沉积物的氧同位素组成进行了高分辨率的监测。监测结果揭示了由于秋冬水汽源的改变,导致桂林地区大气降水δD、δ~(18)O同位素值显示逐渐偏正的季节性变化,并且建立了该区域大气降水线为:δD=8.8δ~(18)O+16.38。由于大气降水作为凉风洞水源补给唯一来源,使得洞穴滴水的δ~(18)O继承大气降水的δ~(18)O所蕴含的环境信息,进而记录在洞穴现代沉积物中。但是受到洞穴顶部岩溶表层带的平滑或者均一化的作用,使得洞穴滴水的δ~(18)O同位素值要偏正于大气降水的δ~(18)O同位素值。在极端降水信号输入岩溶表层带后由于存在不同的水文地球化学过程,从而导致洞穴沉积物对其极端降水事件的响应时间存在不同,并且在δ~(18)O同位素值也存在明显差异。因此,系统监测洞穴滴水、沉积物δ~(18)O同位素对外界环境信息的响应过程,能为量化或精确解译石笋δ~(18)O同位素记录所指代的古气候环境信息提供基础。     

桂林凉风洞洞穴系统垂向碳迁移特征及其影响因素

2017年11月至2018年11月,以桂林毛村凉风洞为研究对象,进行大气环境和洞穴环境野外监测,同时在洞穴上覆土壤30 cm和60 cm处开展试片溶蚀实验,并在洞穴内部进行试片溶蚀和滴水脱气监测,以测定垂向碳迁移主要过程中的CO2浓度和δ13C-CO2值。结果表明:（1）“大气—土壤—洞穴”垂向碳迁移系统能够与洞穴通风一起影响洞穴系统内部的CO2分布模式。洞口通风方向的转变取决于洞内温度与外界温度的差异,少雨的11月中旬到次年3月初通风方向为从洞外到洞内,此时垂向碳迁移能力弱,洞内CO2的分布由洞口通风主导;3月初至9月中旬,洞内外温差逐渐过渡并反转,洞口通风方向为从内向外,且降雨强度大,垂向碳迁移活跃并主导洞内CO2分布;（2）岩溶关键带土壤呼吸的强度决定了垂向碳迁移系统可迁移的碳量,洞内CO2分布的季节性变异本质上是外界环境在垂向碳迁移系统和洞穴模式上的响应;（3）洞穴上覆碳酸盐岩土下溶蚀实验表明土下溶蚀可削弱土壤碳源作用。土壤30 cm和60 cm处碳酸盐岩溶蚀速率分别为:0.48 mol?m-2?a-1和0.96 mol?m-2?a-1,而洞穴第一洞厅监测点的碳酸盐岩脱气速率为49.35 mol?m-2?a-1、第二洞厅内为9.07 mol?m-2?a-1,由垂向碳迁移系统运移到洞穴内部的溶解了土壤CO2的滴水脱气作用显著。      

贵州纳朵洞洞穴水化学性质和δ~(13)C_(DIC)特征及其影响因素研究

文章对2013年4月至2014年5月期间贵州关岭纳朵洞四处滴水(D3、D4、D10、D11)和一处池水(DC)进行了动态监测,逐月采集洞穴水样品,分别测定样品的稳定碳同位素组成和水文地球化学参数,探讨了纳朵洞洞穴水化学性质、δ~(13)C_(DIC)值变化特征及其之间的相关性。结果表明:(1)洞穴水在监测期间相对方解石为过饱和水,且正在沉积碳酸盐,而在雨季洞穴水SIc降低,PCO_2升高;(2)洞穴水的溶解无机碳同位素值(δ~(13)C_(DIC))呈现显著的季节变化规律,夏季值偏轻,冬季偏重,可以较好的响应外界环境变化;(3)5个监测点洞穴水同期的δ~(13)C_(DIC)值存在较大差异,洞穴水δ~(13)C_(DIC)值分别与其相应的Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO~-_3、EC和SIc等水文地球化学指标之间存在较好的相关关系,受到不同程度土壤淋溶、基岩溶解以及前期方解石沉淀(PCP)的共同作用。因此,结合水文地球化学过程分析洞穴次生沉积物中碳同位素携带的环境信号,将提高对δ~(13)C解译的准确性。     

贵州纳朵洞洞穴滴水、现代沉积物δ18O特征及其环境意义

为了研究洞穴滴水及其对应的现代沉积物氧同位素的变化特征和对外界气候环境的指示意义,文章对贵州纳朵洞洞外大气降水、洞穴池水、6处滴水点及其对应的现代沉积物氧同位素进行了近2年的监测。结果显示纳朵洞外大气降水和洞穴池水δ18O值均呈现旱季偏重,雨季偏轻的季节特征,基本能反映洞穴所在区域的气候变化。而滴水沉积物δ18O值和滴水δ18O值自身存在协调同步的季节特征,但二者δ18O值与大气降水δ18 O值却呈现反向的季节变化,这可能是区域地形、岩溶表层带的调节和大气环流共同作用的结果。      

喀斯特洞穴滴水信息对地表环境响应研究进展

通过系统回顾国内外喀斯特洞穴滴水信息对地表环境响应的研究进展,结合全球气候变化、喀斯特环境演变与滴水理化指标的研究发展背景,把该领域的研究发展历程划分为萌芽期、缓慢发展期和高速增长期3个阶段。对滴水常规监测指标、稳定同位素及常/微量元素等指标的研究成果与认识进行了系统归纳,并对滴水响应外界大气、地表植被、洞穴上覆土壤以及洞顶基岩等4方面的研究进展进行总结。认为应当探究滴水的物质来源及其水文地球化学过程,加强对滴水信息环境指示的敏感性研究,深入认识滴水信息的环境响应机制,对洞穴系统综合环境要素开展监测等,同时指出运用滴水指标进行石漠化的相关研究比较薄弱,是未来研究的重点所在。     

湖北清江和尚洞洞穴温度对气候变化的响应

对湖北清江流域和尚洞内、洞外气温进行同步高频监测,发现洞穴温度响应洞外气温的变化,但由于受到洞穴的“缓冲作用” ,由外及里的温度变化幅度变小,时间滞后,且响应的快慢具有明显的季节性。2003- 2008年度监测的数据统计表明,在150m 洞深处,洞内日温度的变化幅度仅0. 2℃ ,明显低于洞外气温变化幅度( 6. 9℃ ) ;同样,洞内夏、冬季节温差变化( 6. 9℃ )也小于洞外( 31. 8℃ )。比较洞内外温度的时间序列,发现日尺度上,洞内气温滞后洞外0～ 2小时,而在季节尺度上则滞后10～ 40天,其中降温阶段滞后小,升温阶段滞后大。此外,一年四季中,洞内温度对外界气温变化的响应呈现慢( 2- 4月)→快( 5- 7月)→较快( 8- 10月)→较慢( 11- 1月)的特点,可能与不同季节下洞穴“缓冲作用”的强弱变化有关。      

贵州织金洞洞穴CO2的来源及其空间分布特征

为探索喀斯特高原峡谷地区高位旱洞内CO2来源及其空间分布特征,于2015年1月至2015年7月按月实施定位监测,对贵州织金洞洞穴CO2浓度和洞穴水、土壤CO2浓度和土壤水以及大气降水、山顶泉水进行监测。结果表明:（1）织金洞上覆土壤CO2浓度是大气CO2浓度的11~17倍,是洞穴CO2的4~7倍。织金洞洞内CO2的来源,横向上主要来自于气流的交换、游客的呼吸作用;垂直方向上主要来自于洞穴上方延伸入基岩中植物根系的呼吸作用,洞穴上覆基岩溶隙、溶管中进入洞穴内的大气CO2,地下河水脱气以及洞穴滴水碳酸钙的沉积释放的CO2。（2）织金洞为多进口洞,CO2浓度插值空间分布呈现两端低中间高的空间分布特征,同时在1 200×10-6~1 400×10-6高值区范围内出现800×10-6~1 000×10-6低值区特征。整体上,洞穴CO2随着进、出洞口两端海拔向洞内升高而呈上升趋势,在洞穴中部灵霄殿达到最大值。（3）洞内水和洞外土壤水均为HCO3--Ca2+型水,大气降水、山顶泉水为SO42--Ca2+型水。在垂直迁移过程中,大气降水-山顶泉水-土壤水-洞穴水不同部位水中各化学成分（硬度、Ca2+/Mg2+、HCO3-/SO42-、PCO2、SIc）各不相同。      

基于岩溶洞穴旅游活动中洞穴环境因子的研究

随着人们生活水平的不断提高,岩溶洞穴旅游活动日益频繁,使得对洞穴环境的综合研究以及洞穴旅游管理变得尤为重要。通过调研国内外岩溶洞穴旅游管理的现状,结合岩溶洞穴环境的研究成果,综合分析岩溶洞穴环境因子,如温度、相对湿度、洞穴CO2浓度等,对岩溶景观的影响,探讨溶洞环境的自净能力以及景观保护与修复措施等问题;针对目前岩溶洞穴旅游开发的有限空间与无序客流的矛盾,提出了合理调控洞穴旅游客流量,增强洞穴旅游景观资源保护意识,从地学、旅游、环境以及健康等角度评估和开发洞穴,使旅游活动对环境因子的影响限制在可控范围,实现洞穴旅游的可持续发展。     

山东沂源九天洞洞穴环境变化监测分析

为改善九天洞洞穴环境质量及保护洞穴景观提供科学依据,2006年5月1—5日和2006年7月28—30日曾两度对该洞的洞穴空气温度、湿度、CO2浓度和游客量的变化进行实地监测。结果表明,九天洞CO2浓度受游客数量影响,具有明显累积效应,其中灵霄玉塔（测点11）CO2浓度最高,日平均值为11250ppm;CO2浓度之高,国内外颇为罕见;而洞穴温度兼受洞穴滴水及洞穴形态的影响,具有一定的变化幅度;洞穴湿度除了受天气影响外,游客呼吸对封闭洞段湿度增大也有一定的贡献作用。      

贵州麻黄洞空气CO2与上覆土壤空气CO2相关性研究

CO₂作为岩溶作用的驱动力,在岩溶作用中起着关键作用。岩溶区特有的地上地下二元结构表明,洞穴系统作为地下空间的窗口,对其CO₂及δ¹³C_CO2研究是十分必要的。本研究对贵州绥阳麻黄洞上覆土壤空气CO₂、洞穴内部和外部大气参数以及CO₂浓度和δ¹³C_CO2进行了为期12个月的监测,监测结果表明:（1）麻黄洞洞穴空气和上覆土壤空气CO₂与δ¹³C_CO2均呈现出明显的时空变化规律,表现出雨季CO₂浓度高、δ¹³C_CO2偏轻,旱季CO₂浓度低、δ¹³C_CO2偏重的特征。（2）土壤CO₂是内源性CO...     

试验模拟包气带CO2变化及对水化学的影响

包气带作为参与碳循环的重要场所,CO2起到重要作用。利用土柱模拟不同条件下包气带CO2含量变化及水化学成分变化。研究发现:不同条件下土柱内CO2存在明显差异,均随着深度增加CO2含量增加;CO2含量植被组大于无植被组。随着降水不断入渗包气带,CO2含量不断增加。植被存在时,增加幅度略大于无植被组,且降水后期杀菌组包气带CO2增加幅度达一百倍。降水后pH值降低,Ca^2+、Mg^2+离子浓度增大,NO3^-、Cl^-、SO42-离子含量也出现一定程度的增加。植被、微生物和降水均可影响包气带中CO2含量,且包气带CO2在降水与地下水转化过程中起到重要作用。     

桂林水南洞洞穴沉积物的古地磁记录及其古环境意义

通过对桂林水南洞2.5m厚的洞穴沉积物剖面的古地磁初步研究,其结果及地质证据表明该沉积剖面形成期可能与贾拉米洛正向期对应。根据磁化率、磁性矿物的特征和沉积学特征,对该地区这一地质时期的古环境变化提出以下认识:1.第三暖湿期,以钙华沉积为特征;2.第二干冷期,以含有少量钙质的黄褐色粘土为特征,并以含有高矫顽磁性矿物和低磁化率为特征;3.第二暖湿期,以互层的红褐色粘土、含高含量钙质的粘土或钙华为特征,并以含有低矫顽磁性矿物和高磁化率为特征;4.第一干冷期,以褐灰色粘土为特征,并以含有高矫顽磁性矿物和低磁化率为特征;5.第一暖湿期,以地下河沉积相(砂卵石为主)为特征。      

重庆芙蓉洞上覆基岩、土壤元素分布特征及其对洞穴滴水水化学影响

通过对重庆芙蓉洞上覆基岩和土壤中元素分布特征以及表层岩溶泉水、土壤渗透水和洞穴滴水水化学特征的系统监测,发现Ca2+、Mg2+、Sr2+和SO42-在表层岩溶系统的基岩、土壤、水(土壤渗透水和洞穴滴水)三大载体的运移过程中发生了明显分异。Ca2+、Mg2+和Sr2+在基岩中平均质量比分别为239949ppm、129607ppm和123ppm,在土壤中分别为37458ppm、28360ppm和49ppm,土壤渗透水中分别为25.55mg/L、11.04mg/L和0.026mg/L,而在洞穴滴水中分别为64.37mg/L、37.87mg/L和0.044mg/L。Ca、Mg和Sr在土壤剖面中表现出明显的淋溶和淀积作用,其元素含量高低直接影响土壤渗透水元素含量;基岩的元素含量主导了土壤各层位、土壤渗透水及滴水中元素含量。不同滴水点的水其运移的路径、时间和环境条件不同,因此在利用洞穴次生化学沉积物元素地球化学特征来反映洞外环境变化时,需综合考虑各元素在岩-土-水中的分布迁移特征及其与环境因素的相互关系。      

用树轮δ13C重建1685年以来的大气CO2浓度变化趋势

对采自浙江西天目山地区的3株柳杉树盘,交叉定年后,测定了3株树轮δ13C的年序列,分析了3株树轮δ13C序列中所含的共同环境变化信息。用二项式拟合法去除气候因素引起的3个δ13C序列的高频变化,得到3个低频变化序列。分析了theLowDome冰芯记录的大气CO2浓度与树轮δ13C序列低频变化趋势的关系,建立了相应的转移函数,重建了天目山地区1685年以来大气CO2浓度变化。结果表明:用3株树轮δ13C序列重建的结果有较好的一致性,并与南极冰芯的记录及前人研究结果有很好的吻合。这一结果表明用同一地区不同树木个体的树轮δ13C序列的低频变化序列可以重建出基本一致的大气CO2浓度变化历史。     

桂林洞穴滴水与现代碳酸钙δ18O记录的环境意义--以桂林七星岩NO.15支洞为例

现代洞穴动态监测的一个先决条件就是为洞穴碳酸盐(CaCO₃)沉积物-石笋的各种替代指标的解译提供可靠的依据,充分利用现代碳酸盐(CaCO₃)沉积物的各种替代指标,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.
经对桂林七星岩15号支洞的5个滴水点进行了长达四个水文年(2008~2011年)的大气降水、洞穴滴水、现代碳酸盐沉积物的动态监测和研究,并探讨了洞穴滴水和现代碳酸盐(CaCO₃)的δ18O与降水δ18O的相关关系.研究表明,洞穴滴水和现代碳酸盐(CaCO₃)的年平均δ18O值非常接近降水的δ18O平均值,并具有与地表降水δ18O相同的变化趋势,反映了洞穴滴水和现代碳酸盐(CaCO₃)的δ18O主要来自大气降水的δ18O,即明显受控于降水的δ18O.在4个水文年中,现代洞穴次生化学碳酸盐(CaCO₃)沉积物的δ18O值与滴水的δ18O值记录的年内(或年际)变化或多年的变化趋势基本相同,表现出明显的四高峰(δ18O低值区)四低谷(δ18O高值区)的波动变化特征,具有明显的年际、季节性变化规律,显示具有雨热同季的特点.研究结果表明洞穴滴水和洞穴现代碳酸盐(CaCO₃)沉积物的δ18O可以记录当地或洞穴上方的气候变化信号,即现代碳酸盐(CaCO₃)沉积物的δ18O主要作为夏季风强度或降雨量的替代指标.