喀斯特石漠化地区洞穴滴水元素特征分析

摘要

洞穴滴水元素作为一种环境替代指标，旨在反映地表气候环境与物质来源，以及在重建古环境古气候方面有着重要作用，已受到国内外学者的广泛认可。目前，有关石漠化地下环境的研究相对较少，利用洞穴滴水元素探寻石漠化地表环境信息具有较大的研究潜力。本研究以贵州3个典型石漠化地区6个地表不同石漠化等级洞穴(安顺地区玄母洞和石将军洞、毕节地区朝营洞和韩家冲洞、花江地区大消洞和荣发洞)为例，通过对6个洞穴的滴水进行了为期1年的月动态监测，以及针对石将军洞滴水进行了2次降雨响应监测；分析了洞穴上覆土壤、基岩对滴水元素特征的影响，讨论了滴水元素的季节变化特征及其环境意义，重点探讨了洞穴滴水元素的降雨响应特征及其水文地球化学过程，首次揭示了洞穴滴水的石漠化环境效应，以期为石漠化环境监测研究提供科学依据。研究结论如下：
　　(1)石漠化地区地表土壤的地球化学特征主要受到土壤侵蚀与母岩风化成土作用的影响。在相同岩性条件下，石漠化程度越高，土壤pH越高。受母岩岩性影响，灰质白云岩地区土壤pH高于石灰岩地区，土壤Mg含量低于灰质白云岩地区。受母岩风化成土作用的影响，安顺研究区与花江研究区洞穴的地表石漠化等级越高，地表土壤Mg含量越高。此外，洞穴沉积土因在沉积过程中长期受到滴水的化学侵蚀作用影响，表现出pH与元素含量高于地表土壤，且沉积土与滴水之间各元素均表现出明显的正相关关系。
　　(2)地表土壤与基岩发育特征是影响滴水离子浓度的主要因素。洞穴上覆地表石漠化等级越高，洞穴滴水的离子浓度越低。通过对比发现，基岩岩性差异导致滴水中的Mg2+浓度具有明显差异，石灰岩地区洞穴滴水的Mg/Ca与Mg/Sr比值远低于灰质白云岩研究区的洞穴滴水。
　　(3)6个洞穴的滴水滴率均表现出对大气降雨的响应变化，呈现出滴率随降雨量的升高而增快，随降雨量降低而减慢的变化规律。对比发现，在相同研究区内，石漠化程度越严重，其洞穴滴水的滴率对大气降雨的响应越敏感，季节变幅越大。潜在石漠化的玄母洞和朝营洞、轻度石漠化的大消洞滴水pH值呈现出雨季偏低、旱季偏高，电导率呈现出雨季偏高旱季偏低的变化特点；而中度石漠化的石将军洞、强度石漠化的韩家冲洞和荣发洞滴水pH值呈现出雨季偏高、旱季偏低，电导率雨季偏低旱季偏高的变化特征。
　　(4)受地表石漠化差异的影响，滴水离子浓度的季节性变化呈现出显著差异。潜在石漠化的玄母洞和朝营洞、轻度石漠化的大消洞滴水离子浓度呈现出雨季高、旱季低的变化规律，且滴水元素受到上覆土壤的贡献较多；而中度石漠化的石将军洞、强度石漠化的韩家冲洞和荣发洞滴水离子浓度呈现出雨季低、旱季高的相反变化规律，且滴水元素受到上覆基岩的贡献较多。其中，玄母洞、石将军洞、大消洞、荣发洞的滴水均受到了明显的前期方解石沉淀作用。
　　(5)降雨监测研究结果表明：石将军洞受地表石漠化发育的影响，降雨在地表土壤层滞留时间短，而在基岩中的运移时间相对更长；洞穴滴水表现出对大气降雨响应时间快的特点。降雨致使石将军洞滴水点上覆的水—土—岩作用增强，导致滴水中溶解的离子浓度与pH值随降雨响应相应升高。通过相关性分析得出，石将军洞滴水中Ca、Mg、Sr元素的来源较为一致，滴水受到的前期方解石沉淀作用显著，其地球化学特征受到洞顶基岩的贡献程度较大。因各滴水点上覆的土壤发育程度、基岩裂隙管道、渗流路径、水—土—岩作用的差异，各滴水点在降雨响应中的水动力作用类型与滴水元素的时空变化差异较大。

目录

前言

(1)选题背景

(2)立题依据

(3)研究的理论意义

(4) 研究的现实意义

1 研究现状

1.1 洞穴体系元素迁移机理

1.2 喀斯特表层带元素迁移特征

1.3 滴水元素环境指示意义

1.4 拟解决的关键科学问题与展望

2 研究设计

2.1 研究目标与内容

2.2 技术路线与方法

2.3 研究区选择与代表性

2.4 材料数据获取

3 洞穴上覆土壤、基岩、滴水与沉积土地球化学特征

3.1 洞穴上覆土壤、滴水与沉积土的pH特征

3.2 洞穴上覆土壤、基岩、滴水与沉积土的元素特征

3.3 小结

4 洞穴滴水元素季节变化特征及其环境意义

4.1 滴水滴率的季节变化特征

4.2 滴水pH值、电导率季节变化特征

4.3 滴水Ca2+、Mg2+、Sr2+浓度季节变化特征

4.4 小结

5 洞穴滴水元素的降雨响应特征

5.1 洞穴滴水元素的降雨响应变化

5.2 洞穴滴水的水文地球化学过程

5.3 小结

6 结论与讨论

6.1 洞穴上覆土壤、基岩、洞穴滴水与沉积土地球化学特征

6.2 滴水元素的季节变化特征及其环境意义

6.3 洞穴滴水元素的降雨响应特征及其水文地球化学过程

6.4 洞穴滴水的石漠化环境效应

参考文献

攻读学位期间科研及获奖情况

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