岩溶关键带及其碳循环研究进展

岩溶关键带的范畴包含了大气-(降水)-植被-土壤-裂隙-基岩-水组成的“碳-水-钙”循环强烈的表层岩溶带以及岩溶管道-洞穴-地下河-隔水层组成的巨大岩溶地下空间,岩溶关键带碳循环是岩溶地球系统科学研究的前沿方向。总结概括了岩溶地球系统科学发展至今的岩溶关键带范畴内碳循环及其对大气CO2源汇效应的研究成果,包括早期碳运移模型、当前主流的区域岩溶碳汇量的计算方法和结果以及“生物碳泵”的新发现等,讨论了当前岩溶碳循环研究框架过于单一或不一致以及碳周转时间尺度等问题,提出应对岩溶关键带碳输入、赋存以及碳输出的各个环节做出系统化监测,通过联网在线高分辨率监测站点的建设以及“3S”技术实现点位到区域的研究,使岩溶碳汇在全球碳循环模型中的重要性更具说服力。     

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)。     

广西典型岩溶区土壤水分含量空间自相关分析

以广西壮族自治区马山县为研究区,在野外调查、室内实验测试获取182个土壤水分含量数据的基础上,采用半方差函数和Moran’s I统计量对研究区域土壤水分含量的空间自相关关系、空间相关尺度和空间分布规律进行了研究。结果表明:(1)研究区域土壤水含量平均值为16.97%,受结构性因素和随机因素共同作用,土壤水分含量具有中等强度的空间异质性;(2)研究区域土壤水分含量Moran’s I指数为0.423,表明研究区内土壤水分含量存在空间自相关性,在0~21 km和31~34 km范围内土壤水分含量自相关性为正,在21.7~31 km和34~45 km范围内自相关性为负;(3)Lisa聚类图表明,土壤水分含量空间聚集区和空间孤立区相伴存在,其中“高—高”空间聚集主要分布在马山县东北部,“低—低”聚集区主要分布在东南部。“低—低”聚集区和“高—低”孤立区土壤水分含量缺乏风险大。      

南洞地下河月径流时间序列的混沌特征及预测

利用基于相空间重构技术、混沌识别与预测理论对1993-2013年南洞地下河月径流时间序列的非线性特征进行了分析,由所获得的延迟时间和最佳嵌入维数实现了月径流时间序列的相空间重构,运用饱和关联维数法和小数据量法计算出南洞地下河月径流时间序列的饱和关联维数和最大Lyapunov指数,并运用Volterra模型对南洞地下河月径流时间序列进行了多步预测研究。研究结果表明,南洞地下河月径流时间序列相空间重构的延迟时间和最佳嵌入维数分别为τ=5、m=8,饱和关联维数D和最大Lyapunov指数λ分别为4.63、0.748 9,从定性和定量的角度证明了南洞地下河月径流时间序列具有弱混沌特征。Volterra自适应滤波模型的预测结果能较好地表征南洞地下河月径流的变化趋势和规律,对18个月内的短期预测精度较高,模拟效果较好。      

广西弄拉峰丛洼地灌丛岩生优势种光合生理生态特征日变化研究

运用LI-6400测定弄拉峰丛洼地灌丛岩生优势种金银花、黄荆、红背山麻杆、裸花紫珠的光合生理生态特性,并比较它们的净光合作用速率、光合有效辐射等生理、生态指标日变化。结果表明,峰丛洼地灌丛群落生态环境因子日变化复杂,不同灌丛群落对小气候调控有差异。黄荆和红背山麻杆调控大气CO2浓度的能力最强。黄荆的平均净光合作用速率和平均蒸腾速率最大,红背山麻杆的水分利用效率和表观量子效率最高。金银花和裸花紫珠有明显的“午休”现象。生理因子受外界生态因子的制约,生态因子和蒸腾作用、气孔等生理因子共同作用影响光合生理作用,不同岩生优势种影响因子有差异。以逐步回归方式建立净光合作用速率和影响因子之间的回归方程模型,所有方程均有显著性意义和良好的预测性。      

表层岩溶带的岩溶动力学特征及其环境和资源意义

表层岩溶带处于四大圈层的交汇带,碳－ 水－ 钙循环活跃,溶蚀和沉积化学反应都比较迅速,岩溶动力作用强烈而且对环境变化具有敏感性。表层岩溶带快速的岩溶过程以及对环境变化的敏感性,赋存大量短时间尺度的环境变化信息,可提高地质过程在全球环境变化研究的地位; 表层岩溶带碳－ 水－ 钙循环的活跃和与环境岩溶动力条件的相关性,使得表层岩溶带对环境 Ｃ Ｏ２ 的变化具有调节作用,从而对碳循环的研究具有重要意义;表层岩溶带的发育使南方岩溶区具有浅层岩溶水循环与地下管道水循环耦合的二次岩溶水循环的结构特征,加强了岩溶水的调     

广西弄拉白云岩环境元素的岩溶地球化学迁移

广西弄拉是典型的岩溶峰丛山区,主要的岩石是泥盆系东岗岭组泥硅质白云岩,不但富含Ｃａ、Ｍｇ碳酸盐成分,而且Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｋ等常量元素和Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｏ等微量元素的背景值也较高。在岩溶地球化学过程中,岩石的碳酸盐成分迅速溶解并以很高的浓度正向迁移,岩溶泉水的暂时硬度一般为１３～１５德国度,郁闭森林下的最高值可达１８．９德国度;并伴随岩石的溶解,难溶的Ｆｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐ、Ｍｎ元素在岩溶水中也有一定的含量。岩溶泉水在地表流动中,ＣＯ２逸出,元素发生随碳酸钙沉淀的反向迁移。白云岩的岩石－土壤的元素迁移不同于灰岩地区,其土壤剖面Ｂ层以下,主要岩石组分和微量元素含量具有随深度而增加的一般规律性,反映了原地残积和逐步淋溶风化的特征。弄拉环境元素的岩溶地球化学迁移与岩石的地球化学背景密切相关。      

中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇的分区计算

根据中国岩溶碳汇计算的需要,将我国岩溶地区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,各区的岩溶面积分别为56.48万km2、32.58万km2、55.60万km2和200.1万km2。各区岩溶水的径流模数和岩溶作用强度存在差异,南方岩溶区比其他区的岩溶作用强度明显大得多。以取得的调查监测和统计资料为依据,对4种类型区和中国的岩溶碳汇量进行了重新计算,南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区岩溶碳汇量分别为1909.9万tCO2/a、600.5万tCO2/a、580.1万tCO2/a、608.6万tCO2/a,由此获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a。该结果比前人的研究更全面地反映了当前我国岩溶地区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇量。      

湖南大龙洞流域不同岩性不同土地利用类型条件下碳酸盐岩试片的溶蚀速率

选择湖南大龙洞流域寒武系中统熬溪组上段(∈2a3)白云岩、寒武系上统比条组下段(∈3b1)和奥陶系中统牯牛潭组(O2g)灰岩进行野外溶蚀试验,并测试林地和草地类型土壤剖面20cm、50cm深度土壤CO2浓度和有机质含量,以探讨林地、草地土地利用类型条件下试片溶蚀速率的差异特征。结果表明:(1)O2g、∈3b1和∈2a33种试片溶蚀速率在林地和草地土下20cm、50cm深度差异明显,∈3b1g灰岩林地土下20cm试片的溶蚀速率最大,达357.93mg/(m2?d);(2)试片溶蚀速率受岩性影响明显,CaO含量高,溶蚀速率大,O2g、∈3b1灰岩中CaO含量分别为35.38%、47.45%,较∈2a3白云岩的含量32.64%高,因而其溶蚀速率也较∈2a3的大;(3)埋放于林地土壤的试片其溶蚀速率大于草地,表明土地类型对溶蚀速率有较大的影响,植被从草地向林地的正向演替有利于岩溶作用的进行。      

广西不同石漠化程度下典型植物水分来源分析

以广西岩溶地区不同石漠化程度下的典型优势灌木为研究对象,利用氢氧和碳稳定同位素技术,结合叶片水势和土壤水势等,分析广西石漠化地区典型植物的水分利用来源。实验结果表明：随着石漠化的加剧,植物叶片水势和d¹³C值呈降低的趋势,但并没有呈直线下降,且不同石漠化程度下植物的水势和碳同位素差异性均不显著。在轻度和中度石漠化环境下,灌木主要以吸收土壤水（＞70%）为主;重度石漠化环境下,黄荆以夏季早期降雨储存在裂隙孔隙中的水（71.1%）为主要水源,而红背山麻杆则主要吸收土壤水（57.6%）和夏季早期降雨储存在裂隙孔隙中的水（42.4%）。土壤水是石漠化地区植物水分利用的重要来源,在重度石漠化环境下,植物对岩溶裂隙水的利用比例增大。为适应石漠化地区水分不足的现象,植物具有相似的水分利用策略：保持比较低的水势,较高的水分利用效率。植物对不同水源的利用存在转移以适应石漠化环境的加剧。