岩溶关键带水循环过程研究进展

岩溶关键带处于岩石、水、土壤、大气、生物五圈交汇地带。正确认识岩溶关键带的结构、功能及其水文循环过程是当前地球关键带与岩溶水科学研究的关键问题。剖析了岩溶关键带水循环过程与演变规律、水循环过程在岩溶关键带中的作用,探寻变化环境下岩溶关键带水循环过程演变的规律与驱动机制,总结不足与问题,提出未来研究的总体趋势和方向:岩溶关键带形成与演化和水循环过程相互作用机制;岩溶关键带水循环驱动的物质转化与能量迁移过程及其耦合;水循环过程在不同时空尺度上对全球变化与人类活动干扰的响应;多种观测与模拟手段的综合应用。     

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。     

万华岩表层岩溶带岩溶动力系统的特点研究

万华岩地区碳酸盐岩中普遍发育的非碳酸盐岩夹层,以及“土层+裂隙层”表层岩溶带双层结构对岩溶动力系统和水循环具有显著影响:非碳酸盐岩地段的地下水因其矿化度较低,CO2 含量较高,而具有较强的侵蚀、溶蚀能力,导致岩溶动力系统的物质和能量传输非常活跃,一个岩溶泉年溶蚀量(以CaCO3计)达2795.4kg;由于非碳酸盐岩夹层的普遍存在,不仅阻碍地下水向深循环,而且还有利于土壤、植被的发育。土壤、植被与地表岩溶裂隙网络对区内岩溶地下水还具有较好的调蓄作用,以致使区内有众多的小泉点在地表出露。      

中国西南岩溶关键带结构与物质循环特征

岩溶关键带调查研究的目标是揭示岩溶生态系统的动态平衡和演化机制,旨在为经济社会提供资源环境服务的可持续管理对策,指出在合理的人为活动下增强岩溶关键带韧性的办法及修复受损部位的有效途径。碳酸盐岩作为可溶岩,赋予了岩溶关键带在结构上及物质循环过程中的岩石圈-生物圈相互作用等方面的若干特殊性。该文以中国西南岩溶区为例,总结了诸多学者的研究成果,揭示了从桂林岩溶区到重庆武隆岩溶区,岩溶关键带发育厚度由几米逐渐增厚至1 000 m的区域差异; 岩溶关键带的垂向物质循环过程以土壤-表层岩溶带为中心环节,而在横向上则呈现“岛屿状”镶嵌分布特征,地表生态具脆弱性; 岩溶关键带碳循环过程包括岩溶碳循环和生态碳循环两部分,碳汇则由植物碳汇、土壤碳汇和岩溶碳汇组成,初步估算其碳汇通量为64.36 t/(km²·a)。     

基于探地雷达解译的喀斯特坡地表层岩溶带空间分布特征研究

表层岩溶带作为喀斯特关键带区别于其他区域地球关键带的近地表岩土结构标志层,对于水分和养分下渗、赋存、滞留、植被水分养分利用等方面具有重要作用,是岩石-土壤-植被系统中生物地球化学过程最为活跃的关键地带。描述和认识表层岩溶带对认知喀斯特关键带结构信息、研究水土物质循环过程、揭示表层与地下水资源利用规律等方面具有十分重要的理论和现实意义。本文利用探地雷达技术,探测黔中高原黔西县东南部喀斯特坡地,共计测线35条,测点799个,提取表层岩溶带发育厚度并分析空间分布特征,得到以下结论：喀斯特高原峰丛地貌区表层岩溶带发育较好,发育厚度集中在2~8m之间,最深可达18.8m。表层岩溶带发育空间分布异质性强,坡地表层岩溶带厚度发育异质性变化强于坝地。地面物质组成和表层岩溶带发育厚度关系密切,坡地石质化比例提高,表层岩溶带发育较深,地面物质组成可作为高原型喀斯特坡地反映表层岩溶带发育程度的综合代用性指标。本次研究还指示了喀斯特坡地土地石质化是表层岩溶带地质历史时期不断溶蚀发育演化、土壤地质历史持续漏失的结果。表层岩溶带的发育为水土漏失提供了空间基础,水土漏失也进一步加剧了岩土界面的水岩反应过程,促进了表层岩溶带的进一步发育以及地表土体下沉、基岩裸露、土地石质化景观的出现。

     

基于文献计量分析的岩溶区植被恢复研究现状与热点

文章检索1985-2021年间Web of Science核心合集数据库(简称WoS)和CNKI中国期刊全文数据库中有关岩溶区植被恢复的相关文献信息,通过国内外发文趋势、高频关键词分析、关键词共现和聚类分析及主题时间演变分析等,探讨有关岩溶植被恢复研究的热点与趋势。结果表明：在1985-2021年间WoS和CNKI数据库分别收录相关文献319和351篇,37年间的发文量呈现波动性上升的趋势,整体分为三个阶段：第一阶段（2005年以前）,该阶段为研究的启蒙阶段,发文量较少;第二阶段（2005-2015年）,随着国内外学者对岩溶地区生态重建研究的重视,该阶段文献数量有显著增加;第三阶段（2015-2021年）,为快速发展阶段,国际上发文量呈现直线性上升,国内发文量呈现波动式上升,而国内研究增长速率明显高于国际研究。石漠化、植被演替、土壤养分、物种多样性等为文献的高频关键词,是国内外研究的共同关注点,其中,植被演替规律、土壤中养分及物种多样性是岩溶石漠化地区的核心问题。国际上对岩溶植被恢复研究更加关注生态系统服务功能、气候变化等,而国内前期主要倾向于岩溶石漠化地区植被恢复研究,后期主要是关注植被恢复对土壤性质变化及植物群落构成的影响。近年来,岩溶生态系统服务功能、岩溶植被恢复的环境效益、岩溶碳汇、岩溶关键带等逐步成为当前岩溶植被恢复研究领域的新型热点问题。为促进岩溶植被恢复研究的发展,建议加强国内与国际间的合作,通过野外布设观测点,长期观测和对比分析不同区域岩溶植被恢复的动态。通过研究岩溶植被系统恢复的技术、模式及评价方法等,进一步揭示基于山水林田湖草生命共同体及乡村产业视角下的岩溶生态系统的构建、植被多样性的多尺度格局。     

广西弄拉表层岩溶动力系统水循环碳汇效应研究

基于对广西弄拉表层岩溶泉水文动态自动化监测研究,发现在良好的森林植被覆盖条件下,泉域内水资源的排泄方式在不同季节差异较大。丰水期主要以泉口径流排泄为主,而枯水期则以泉域内生态需水消耗为主。4至8月降水量占全年总量的66.24%,泉口水资源输出量却高达全年总量的90.89%。与之相对应,碳输出量占全年总量的90.46%。上述数据说明岩溶碳汇过程主要发生在径流系数较高的丰水季节。在碳汇方式上,碳汇过程明显受到雨水稀释效应、CO2效应及水岩相互作用的控制。在降水初期,受到雨水的混合稀释,HCO3-浓度明显下降。期间受到CO2效应及水岩相互作用的影响,使HCO3-浓度波动较大。但随着流量的衰减,水岩相互作用重新又占主导地位,HCO3-浓度动态变化趋于平稳。根据近十年来的监测结果表明,在次生森林植被覆盖条件恢复下,岩溶动力系统中的Ca2+、Mg2+和HCO3-离子浓度均明显增高。以HCO3-浓度增长最为明显,2003—2005年平均值为356.55 mg/L,而2012年上升为432.97 mg/L,其差值76.42 mg/L,十年间增幅达21.4%。     

岩溶关键带水文地球化学研究进展

岩溶关键带处于岩石、水、土壤、大气、生物五圈交汇地带。正确认识岩溶关键带的结构、特点及其水文地球化学过程是当前地球关键带与岩溶水科学研究的重点问题。本文基于对国内外相关研究成果的归纳整理,剖析了岩溶关键带水文地球化学内涵、岩溶关键带水动力垂向分带、岩溶关键带框架下的水文地球化学过程与机制, 探寻变化环境下岩溶关键带水文地球化学过程演变的规律与驱动机制。指出了当前研究中存在的薄弱环节:目前工作仅停留在传统岩溶地下水科学工作范畴,未从岩溶关键带框架体系的角度考虑植物冠层至岩溶含水层之间水文地球化学过程及其耦合关系,未考虑新污染物持续输入、地球大数据科学工程深入实施、全球碳排放路径逐渐改变等时代因素对岩溶水文地球化学研究的潜在影响。进一步的研究可以从以下方面开展:基于岩溶关键带框架体系的新污染物水文地球化学研究,基于大数据框架体系的岩溶水文地球化学研究,“双碳战略”下的岩溶水文地球化学研究,岩溶关键带水文地球化学驱动的物质转化与能量迁移过程及其耦合以及高分辨率监测、评估与模拟手段的综合应用。     

岩溶IGCP国际合作30年与岩溶关键带研究展望

全球岩溶类型多样,对环境变化敏感,资源与环境问题突出,是地球关键带监测与研究的重点,IGCP661项目的执行为岩溶区关键带类型划分与监测对比研究提供了契机和国际合作平台。近30年岩溶IGCP执行始终强调岩溶系统与人类活动环境的相互作用,其轨迹实际上与地球系统科学到地球关键带理念是一脉相承的。IGCP299提出了岩溶形态组合概念,揭示各种岩溶形态与其形成环境之间的因果关系。岩溶动力系统(IGCP379), 岩溶生态系统(IGCP448)概念的提出有助于我们更好地理解岩溶系统的整体功能,及系统内水、生物地球化学过程、人类活动的相互作用,进而形成了一整套岩溶动力学研究方法体系。开辟了岩溶记录与全球变化、碳循环与应对气候变化、石漠化形成演变与生态修复等研究新领域,并取得了丰硕的研究成果,有力地推动了现代岩溶学的发展。      

Advance of Karst Critical Zone and Its Carbon Cycle

The category of karst critical zone includes surface karst zones with strong carbon-water-calcium cycle composed of atmosphere-precipitation-vegetation-soil-fissure-bedrock-water and huge karst underground space composed of karst pipeline/fissure-cave-underground river-aquifer, which is the frontier direction of karst earth system science research. This paper summarized the research results of carbon cycle and its effect on atmospheric CO₂ source and sink from the scientific development of karst earth system up to now, including the early carbon migration model,the calculation methods and results of current mainstream regional carbon sink and the new discovery of bio-carbon pump, etc. It discussed the problems that the current research frameworks of karst carbon cycle are too single or inconsistent and time scales of carbon turnover are not the same. It was proposed that systematic monitoring of carbon input, storage and output in karst critical zone should be carried out. The importance of karst carbon sinks in the global carbon cycle model should be more convincing through the construction of online high-resolution monitoring sites and the "3S" technology to achieve point-to-area research.     

我国南方岩溶山区石漠化基本问题研究进展

通过参考国内研究的相关文献,运用比较分析方法,从岩溶石漠化概念的内涵、分布格局和量化分级、成因分析和演化过程、综合治理和效益评价等基本问题回顾了我国南方岩溶山区石漠化研究进展:岩溶石漠化的概念和成因已取得了较为一致的认识;石漠化等级评价指标相差甚远,需要建立统一调查研究方法、分级标准和评价指标体系;已探索出了一些较好的治理模式和方法,但治理建设仍然存在很大困难;目前没有成熟的石漠化治理效益评价体系和方法,严重影响了石漠化治理措施的修订和完善。指出了我国岩溶石漠化问题研究应从如下几方面加强:不断创新岩溶石漠化的研究方法;把握岩溶石漠化与人类活动相互作用关系;深入开展岩溶石漠化过程模拟与调控研究;推广和完善岩溶石漠化综合治理技术和模式;重视地球系统科学在岩溶石漠化研究中的运用。在岩溶石漠化与人类活动相互作用关系方面,特别要注意加强石漠化地区土地的生产力和人口承载力的定量研究;实施岩溶山区人类经济活动影响预报和经济社会后果预报,建立岩溶山区生态安全监控预警系统;加强不同时空尺度下岩溶石漠化人文驱动机制研究;确定自然因素和人文作用对石漠化过程的正负面影响和各自的贡献率,建立相应的概念模型和数学模型等。      

西南岩溶地区植被喀斯特效应

西南岩溶地区是我国主要岩溶带之一，也是世界岩溶研究重点地区，区内因人口众多，植被破坏严重，部分地区因人为作用已经产生一系列的环境问题，本文从岩溶地区植被演替规律出发，针对不同植被生态条件，通过对比不同表层岩溶泉的水化学特征和表层土壤空气CO2（g)（表示呀以气相形式存在）的含量，分析了植被在岩溶区，特别在表层岩溶带的喀斯特效应，由此，一方面可以推动岩溶研究的进一步发展；另一方面可以提高人们的岩溶环境保护意识，从而为西南地区生态恢复提供基础资料。     

西南岩溶石山区地下水开发在石漠化防治中的地位

石漠化的形成和发展与缺水密切相关,水资源开发利用是石漠化防治的首要问题。本文分析了石漠化形成和发展实质、岩溶石山区水资源的空间分布和开发利用条件,从理论上论述了岩溶地下水开发与石漠化治理的关系,并以实例论证了岩溶地下水开发对石漠化防治的效果。指出岩溶地下水的开发利用在岩溶石山地区石漠化防治中具有重要的地位。     

湖南洛塔饱水岩溶带地下水动态分析

湖南洛塔为一典型的溶丘洼地型岩溶区.本文利用近几年水环境监测资料,进行饱水岩溶带地下水的动态研究,认为影响岩溶地下水动态变化特征与降水、生态环境和土地覆盖程度等因素相关.降雨强度与地下水动态变化量呈正相关关系;植被、土壤的覆盖程度与地下水的动态变化幅度、降雨动态滞后时效性呈正相关关系.     

岩溶地区水文地质环境地质综合调查工程进展

近年来,由中国地质调查局组织实施的“岩溶地区水文地质环境地质综合调查”工程,按阶段任务目标,基本查明了我国南方岩溶区岩溶地下水资源赋存分布规律和开发利用潜力,发现了石漠化、地下水污染、内涝灾害等环境地质问题,揭示了岩溶作用对油气资源、矿产资源、岩溶旅游资源、碳循环和环境地质问题的控制机制,启动了“全球岩溶动力系统资源环境效应”国际大科学计划,在岩溶动力学理论、岩溶石笋高分辨率测年、岩溶人工增汇和岩溶地下水探测等方面实现了重大科技创新。建立的不同类型区岩溶地下水富水模式、成井模式、有效开发利用模式以及石漠化区综合治理模式,经实践表明具有推广应用价值,可为岩溶水资源可持续开发利用、石漠化综合治理、地下水污染防治和岩溶贫困区脱贫攻坚提供技术支撑。     

黔东北高原斜坡地区4种岩溶地下水系统模式及特点——基于地貌和蓄水构造特征

受深切河谷地貌控制,黔东北大部分地区岩溶地下水深埋且排泄于河谷岸边,以快速的管道裂隙流为主,给地下水资源勘探开发带来了极大的困难,局部地区受蓄水构造控制形成勘探有利的地下水富集区。笔者基于地貌和蓄水构造将研究区岩溶地下水系统归纳总结为深切河谷型、向斜山地型、单斜夹层型和背斜槽谷型4类模式。深切河谷型岩溶地下水系统地下水水力坡度大,地下水以快速的管道流为主,排泄点低,开发利用方式建议直接在地下河出口或天窗中抽提地下水,经济效益明显地区可堵洞成库进行综合利用;向斜山地型岩溶地下水系统发育高位岩溶泉或地下河出口,排泄点高,适合直接引水利用;单斜夹层型岩溶地下水系统在岩性接触带出露一系列接触泉,排泄分散,开发利用方式建议直接利用或抽提岩溶泉水,受夹层隔水顶底板影响局部地区可钻井取水;背斜核部出露寒武系白云岩地层,导致背斜槽谷型岩溶地下水系统含水岩层均匀厚度大,分布大量非全排型岩溶泉,地下水开发适合抽提泉水或钻井抽取地下水。     

岩溶峰丛洼地水土漏失及防治研究

中国地质科学院岩溶地质研究所岩溶生态研究团队在国家科技支撑计划和广西科技攻关项目联合资助下,自21世纪以来一直从事西南岩溶山区水土漏失创新性研究。2013年取得了一系列进展,阐明了水土漏失的概念、过程和数学模型;运用野外监测和先进的同位素技术,首次系统揭示了岩溶峰丛洼地不同地貌部位和不同生态环境的水土漏失定量差异和原因,建立了适宜岩溶区特点的水土流失强度分级标准和土壤侵蚀回归模型,创建了生物措施与工程措施有机结合的岩溶峰丛洼地水土保持模式和技术规程,开辟了岩溶石漠化环境生态效益与经济效益俱佳的火龙果生态产业,为西南岩溶地区石漠化综合治理和水土保持提供了技术支撑和示范样板。