碳循环与全球岩溶

从地球系统科学来看,岩溶作用是在碳循环及与其相耦联的水循环、钙循环系统中碳酸盐岩的被溶蚀或沉积,而各种岩溶形态就是这个复杂的循环系统的运动在碳酸盐岩上留下的轨迹。岩溶地球化学及其一系列捕捉碳、水、钙循环的行踪的野外工作方法,为把地球系统科学的学术思想引入岩溶研究起了桥梁作用,揭示了许多重要的岩溶现象的形成机理及全球的分布规律。     

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。     

表层岩溶生态系统碳循环特征研究

本文以广西桂林丫吉试验场的实际观测资料为基础,应用同位素示踪方法,探索了整个系统中碳的输入、输出和转移问题,并分析了表层岩溶生态系统中泉水水化学、土壤 CO2浓度及近地表植被层空气中CO2浓度的变化特征。结果显示,泉水水化学主要组分的日变化不明显,而土壤中CO2浓度则明显受日气候变化的影响,两者存在明显的滞后关系。用碳同位素示踪方法,重点对桂林观测站表层生态系统各碳库间碳的转移过程进行了定量研究,认为在有土壤层和植被覆盖的表层岩溶生态系统中,参与岩溶作用的碳有一半以上来源于与生物作用有关的碳。     

碳循环与岩溶土壤改良———原理与综述

中国南方亚热带裸露岩溶区土壤瘠薄, 又称石山土壤。受地带性(亚热带)和地域性(岩溶)发育因素制约,与地中海等岩溶区土壤不同,表现出显著的多样性、复合性和破碎性特点。低产土壤占土壤总面积60 %以上,土壤改良任务艰巨。由于障碍因子及其组合种类众多,以及土壤斑块小型分散的特点,决定了石山土壤改良与多数不良自然条件国土单元不同,不能期望简单地通过某一两种单一机制的改良措施统一治理。当前石山土壤改良工作基本尚处于经验性创新阶段。作为石山土壤改良的一个方向,提出运用碳循环理论指导工作。希望借此把改良措施研制提高到实验创新水平。      

农业活动对表层岩溶泉水化学特征及溶解无机碳损失量的影响

以重庆市南川区不同农业活动强度下的3个表层岩溶泉为例,通过分析泉点水化学变化特征来估算不同泉点的DIC损失量（△DIC）和探讨农业活动对岩溶碳汇的影响。研究结果表明:柏树湾泉水温变幅较小,电导率、pH值相对兰花沟泉、后沟泉较低。由于农业活动的影响,兰花沟泉、后沟泉Ca2+ 浓度偏高,而HCO3-浓度偏低。NO3-、SO42-浓度也因农业活动干扰,表现出后沟泉、兰花沟泉远大于柏树湾泉。随农业活动强度的增加,△DIC也逐渐增大,表现为:柏树湾泉（1.64 mmol/L）＜兰花沟泉（4.28 mmol/L）＜后沟泉（4.36 mmol/L）。△DIC与(SO42-+NO3-)呈正相关,表明农业活动越强烈,DIC损失量越大,岩溶碳汇的损失也随之增大。      

中国南方表层岩溶系统的碳循环及其生态效应

表层岩溶系统因碳酸盐岩－水－CO²(气)三相的化学动态不平衡过程而产生特殊的碳循环环节,参加循环的碳包括碳酸盐岩中的碳、大气和土壤空气CO²部分。中国南方表层岩溶系统的碳循环非常活跃,并敏感地响应岩溶动力因素的变化,从而促进了地球化学过程和生物化学过程的结合,成为大气CO²汇的重要项。中国南方表层岩溶系统的碳循环通过驱动环境的元素迁移,促进土壤有机质的积累,并影响植物所需要的矿物质营养元素的全量和有效态,进而影响岩溶区的植物物种、特有性和作物的发育。     

北方半干旱区不同岩溶系统的碳循环研究

中国北方半干旱区存在丛山窄谷、冈山宽谷和孤山溶盆三种岩溶地貌。不同岩溶地貌区的碳酸盐岩溶蚀强度和碳循环强度不同。碳酸盐岩溶蚀量和ＣＯ２吸收量可以用化学热力学过程和化学动力学过程描述。      

岩溶作用与碳循环”研究进展

IGCP 379项“岩溶作用与碳循环”是中国建议并组织实施的,于1995～1999年执行。作者对1995年以来项目的实施情况及其研究进展作了总结,并对每一科学目标的研究进展进行了综述:①表层岩溶系统碳循环与大气CO2源汇的主要进展有3方面:扩展了研究地区;揭示了表层岩溶系统碳循环的运行机制;对表层岩溶作用回收大气CO2量进行了估算。②深部CO2释放问题的主要进展有:发现了更多的深部CO2释放带;揭示了深部CO2气体来源问题;对西藏地区CO2源汇问题进行了深入的探讨。③以岩溶记录重建环境变化过程的主要进展有:研究时空范围不断扩大;采取多种新技术、新方法获取更多古环境信息;不断提高研究分辨率。     

麻驾高速公路岩溶勘察研究

麻尾至驾欧高速公路是西部交通建设科技项目“岩溶地区公路修筑成套技术研究”的依托工程．本文根据麻驾高速公路岩溶工程地质特征及工程地质问题,研究岩溶地区的工程地质分类及处治原则,采用定性与定量相结合的方法,将岩溶地区公路建设中“发现岩溶、评价岩溶、利用资源、处治病害、保护环境”等关键技术应用于本项目中,对岩溶地区高速公路建设具有重要的参考和指导作用。     

微型生物在岩溶碳循环中的作用研究回顾与展望

全球气候变化问题使岩溶系统碳循环的研究倍受关注,有关微型生物及其碳酸酐酶在岩溶系统碳循环中的作用的认识也在不断深入。文章回顾了微型生物及其碳酸酐酶在碳酸盐岩风化以及碳酸盐岩沉积过程中的作用过程及作用机制,指出未来的研究需结合不同岩溶生态环境,量化微型生物及其碳酸酐酶对岩溶生态系统碳增汇的影响,为深入研究微型生物及其碳酸酐酶对岩溶碳汇的贡献、增加岩溶生态系统碳汇的能力、助力实现碳中和提供参考。     

岩溶塌陷发育机理模式研究

岩溶塌陷是我国岩溶区常见的地质灾害.目前,关于岩溶塌陷发育机理模式主要以力学分析为主.文章以岩溶塌陷过程为基础,探讨分析岩溶塌陷发育机理模式.依据地下水埋藏条件,土体分为包气带非饱和土体、潜水层饱和土体及承压水层承压性土体.根据"水-土"相互作用,在包气带、潜水层和承压水层分别建立崩解作用、潜蚀作用和水力裂隙作用三种岩溶塌陷发育机理模式.     

岩溶作用时间尺度与碳汇稳定性

从碳酸盐溶蚀快速动力学过程、岩溶动力系统的开放性、环境敏感性和生物参与性等方面分析了岩溶作用过程的时间尺度及其碳汇稳定性,指出岩溶碳循环是一种兼具不同时间尺度的特殊地质作用过程,因水生植物和土地利用变化的影响,碳汇效应显著且相对稳定,仍对现今大气CO2减排有重要意义。为更好地估算岩溶碳汇潜力,在加强高精度自动化监测的同时,需要考虑外源水、水生植物及土地利用变化等因素。     

桂江流域岩溶碳汇特征

为研究岩溶区碳汇动态变化特征,使用德国Merck公司生产的碱度计每月定期对桂江流域14个岩溶大泉和16条地下河出口水中HCO3-含量进行了现场测定。结果表明桂江流域枯水期(11月至次年2月)地下水中HCO3-含量平均为223.62mg/L,平水期(3月、9月)为222.11mg/L,丰水期(4月至8月)为210.19mg/L,枯水期和平水期的HCO3-平均含量比丰水期高13.43mg/L和11.92mg/L。尽管丰水期的HCO3-平均含量不及枯水期和平水期,但其平均流量最大,是平水期的2倍,枯水期的2.8倍,因此其岩溶碳汇量也最大,是平水期的4.7倍,是枯水期的2.7倍。在碳汇构成上,丰水期的岩溶碳汇量占年总碳汇量的63.13%,而平水期和枯水期只分别占年总碳汇量的13.35%和23.51%。      

术语“Karst”的起源和演化

对于术语＂karst＂的起源和演化,不少文献（包括手册、教科书、字典等）仍有不准确、不一致甚至错误的论述。鉴于此,本文不仅重述了众所周知的关于＂karst＂起源的事实,而且介绍了＂karst＂起源和演化的最新语言学研究结果。＂karst＂是由喀尔斯（Kras）高地的名称演化而来的。喀尔斯位于亚得里亚海的里雅斯特湾（Gulf of Trieste）达尔马提亚（Dal matia）海岸地区,其大部分属于斯洛文尼亚。喀尔斯是一处海拔150~450 m,覆盖面积550 km2（长约40 km,宽约13 km）的碳酸盐岩高地。斯洛文尼亚语、意大利语和德语分别称之为Kras、Carso和Karst。喀尔斯高地表面大致平坦,但从局部看,喀斯特洼地遍布,各种典型的喀斯特地貌形态随处可见,包括坡立谷、大小溶斗（包括大的塌陷溶斗）、喀斯特干谷和溶洞。这些形态规模较小,起伏平缓。喀尔斯高地的名称起源于前罗马时期,其古典拉丁语名称（也是目前已知最早的名称）为Carsus。该词的词根＊kar（u）s-是由意思为＂石头或岩石＂的词根＊kar-演化而来。从欧洲众多文献中可以发现有许多名词来自前印欧语系的词根kar（r）a/gar（r）a。这些词根最初意思指石头或岩石,而后发展为石头筑成的遮盖物——一间房屋,一座城堡,甚至一个村落,这些词根还演化成喀斯特相关术语。由Carsus的宾格形式Carsum演变成现代意大利语名称Carso;同样的宾格依据前斯洛文尼亚语言规则（即r或l出现在元音和辅音字母之间时,须将其移至元音字母之前。）演变成Kras;德语Karst则是由意大利语Carso依据德语变化规则（以s结束的单词末尾须添加t）演变而来。由此可见,Kras、Karst和Carso均源于古拉丁文Carsus,该词含有词根＊kar（u）s-。印刷技术的改进和新大陆的发现,带动了地图和地图集的出版。喀尔斯高地的名称不仅出现在地方性地图上,而且被大尺度区域性地图所标示出来,德文Karst甚至被用作区域地图的标题,足见喀尔斯高地的重要性。喀尔斯高地之所以比其它更大的地区重要且较早为人们所认识,与历史的地缘政治形势有关。16至19世纪,地中海东海岸大多由威尼斯共和国管辖,的里雅斯特港口和内陆地区则隶属于奥地利和土耳其帝国。对于奥地利帝国的公民,大部分中欧人和小部分东欧人来说,通向地中海唯一可行的途径就是从维也纳穿过卢布尔雅那市（Lju-bljana）,经喀尔斯高地,至的里雅斯特镇。1719年,当的里雅斯特港宣布成为自由港后,这条道路变得更为重要。与此同时,喀尔斯高地不寻常的地貌和恶劣的自然环境给途经的旅行者和学者留下了深刻的印象。在他们的旅行记录中对Kras有近乎相同的描述：＂碳酸盐岩裸露,岩洞繁多,没有水和土壤,夏暑冬寒,冬季强烈的冷风暴有时让高地无法通行......＂。此后,当描述其他喀斯特地区时,作者们往往会将其与Kras（Karst）相类比。1830年F.J.H.Hohenwart在《Postojna岩洞导游手册》中,第一次确切地写道＂喀斯特地貌不仅存在于Karst高地,它从Friuli平原一直延伸至希腊岛……＂。十九世纪上半叶,地质、地理和水文学者开始了对喀尔斯高地的详细研究,出版了喀斯特地质地貌方面的著作,并开始使用一些喀斯特术语。自1830年起,由于这些记述性的文字和专业著作大多用德语撰写,德语名称Karst逐渐为更多地区的人们所了解。19世纪末20世纪初,可以说＂karst＂已经成为国际科技术语。对＂karst＂加入国际术语行列影响最大的可能是毕业于维也纳大学的Jovan Cviji′c教授,他是最重要的学者之一,也是著名地形学教授A.Penck的学生。他最重要的喀斯特著作＂Das Karstphanomen＂（The phenomenon of Karst）的书名中就使用了＂karst＂。＂karst＂就这样由一个地名逐渐演变为学术名词,然后成为国际科技术语。     

岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响

有资料显示陆地碳酸盐岩风化消耗大气CO2的碳通量与世界森林碳汇通量量级相当。但农业地区过量施用氮肥形成的硝酸对碳酸盐岩的溶解会减弱岩溶碳汇效应,其量可达到7%~38%,而适量施用氮肥在增加农作物产量的同时,能降低土壤C/N比,增加土壤微生物活性,促进有机物料分解,从而提高土壤CO2浓度,提高土下碳酸盐岩的溶解速率。因此,要从两方面分析岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇效应的影响。同时,岩溶区碳酸盐岩风化形成的土壤具有较高的pH值及盐基饱和度,对H+有较强的缓冲作用,可能是导致自然条件下,河流中溶解无机碳(DIC)与水体中钙、镁等离子并不守恒的原因之一,因此,运用端元法可能过高估算了硝酸对碳酸盐岩的溶解量。岩溶区土壤环境中硝化作用产生的硝酸到底多少能对碳酸盐岩产生溶蚀,并影响到岩溶碳汇效应还有待研究。应结合土壤本身的特性及河流生物地球化学过程,综合研究不同施氮水平、土壤硝化产酸及其影响下的土下碳酸盐岩溶解及碳汇效应过程,客观评价岩溶区土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响,并寻求适宜氮肥施用量及促进岩溶碳循环,提高岩溶碳汇效应的技术方法。      

孔间电磁波CT探测揭示水库坝基岩溶形态特征——以广西靖西大龙潭水库帷幕灌浆为例

广西靖西大龙潭水库枢纽,为浆砌石重力坝,坝轴线长249 工程于1963年竣工蓄水,同年坝基大量漏水,库内出现多处漏水漩涡,水从坝下穿流而过在下游涌出,当水库泄空后,发现库内有岩溶塌陷(落水洞)多处.以往采用常规的勘探方法仅能了解单个钻孔竖直方向的地质情况,不利于查清坝基横向连续发育的破碎带和溶洞空间分布.孔间电磁波CT探测技术与钻探相结合,正好可以弥补这方面的不足.孔间电磁波CT探测在大龙潭水库坝基的岩溶探测结果说明,这种方法可行有效,溶洞和破碎带探测结果还经过灌浆钻孔的验证.     

岩溶地区隧道裂隙水突出力学机制研究

岩溶地下水是诱发隧道发生突（涌）水地质灾害的主导因素之一,岩溶裂隙水对隧道围岩的危害越来越成为岩溶地区隧道建设中的热点研究问题之一。基于目前岩溶裂隙水突出机制研究现状,运用岩溶地质学、工程水力学和断裂力学相关理论分析岩溶地区隧道水岩相互作用机制,探讨了水岩相互作用对岩溶地区隧道施工发生突（涌）水的影响,揭示岩溶地区隧道裂隙水突出前后过程的力学机制。研究表明：岩溶隧道裂隙水突出是裂隙岩体在岩溶水及水压的持续作用下受施工外力干扰发生劈裂的结果,岩溶水和水压在裂隙岩体突水破坏过程中的力学作用主要体现在4个方面,即突水蓄势期岩溶水对裂隙岩体的软化溶蚀作用、水压对裂隙岩体的劈裂作用,突水失稳期水流的冲刷扩径作用、水压对突水量的动力控制作用。基于上述分析,以断裂力学、弹塑性力学理论为基础,提出岩溶隧道岩溶裂隙水突出的最小岩石防突厚度概念,推导了其半解析解表达式,并为工程实例所验证,其结果可为高风险岩溶地区隧道突水理论与防治措施提供参考。     

塔中北斜坡碳酸盐岩岩溶储层油气差异富集特征

塔中北斜坡下奥陶统岩溶储层基本为低孔低渗储层,主要的储集空间为溶蚀孔、洞和断裂活动产生的裂缝。储层呈现“横向连片,纵向分层”特点,优质储层主要呈层状叠合分布在不整合面下0~200m范围内的垂直渗流带和水平潜流带。岩溶储层具有大面积、多储集段含油气的特点,平面上整体表现为“西油东气,内油外气”的分布特征。鹰山组直接盖层良3—5段致密灰岩平面上具有“东厚西薄,北厚南薄”的分布特点,剖面上呈现“块状分布,横向相连,纵向叠置”的展布特征。鹰山组内部多套高阻层相互叠置,与下伏含油气层构成良好的配置关系,形成一套或多套储盖组合,控制油气的分层聚集。塔中北斜坡发育着一系列NE向左行走滑断裂,以之为边界,可以分为若干个构造区块。区块内油气水正常分异,相对高的部位聚集油气、低部位出水。块体内部油气多富集在距主干走滑断裂0.5~4.0km范围内。