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当期目录

2023年 第42卷  第1期

碳汇
微藻无机碳利用在岩石风化及碳循环过程中的作用
赵丽华, 吴沿友, 谢腾祥, 李海涛
2023, 42(1): 1-18. doi: 10.11932/karst20230101
摘要:
岩溶碳汇呈现两种不同观点:(1)岩溶碳汇巨大,其机理在于岩溶区藻类及光合细菌利用碳酸氢根离子(${\rm{HCO}}_3^{-}$)实现光合作用,从动力学上加速了岩溶风化过程,促进大气CO2的溶解。(2)岩溶区碳酸盐岩的风化作用,产生${\rm{HCO}}_3^{-}$,随后产生等量的阳离子在海洋中进行碳酸盐岩的沉积作用,这仅仅体现的是碳酸盐岩的搬运作用,不能体现碳汇,在长期尺度上仅仅有硅酸盐岩风化产生净碳汇。文章抓住岩石风化产生${\rm{HCO}}_3^{-}$与微藻光合作用利用${\rm{HCO}}_3^{-}$的耦合点,分析了典型代表性水生生物——微藻在无机碳利用上对岩石风化及碳汇的影响。从微藻光合无机碳利用机制以及光合作用关键性酶-碳酸酐酶(CA)作用两方面,论证了微藻生长对岩石风化及其碳汇的的促进作用;同时论述高pH、高${\rm{HCO}}_3^{-}$的风化环境对微藻生长影响。获得以下新认识:(1)微藻通过胞外碳酸酐酶(CAex) 利用了大量${\rm{HCO}}_3^{-}$,加速岩石风化,并促使风化朝着形成${\rm{HCO}}_3^{-}$的方向进行;(2)微藻加速钙镁硅酸盐岩风化,风化溶出的Ca2+、Mg2+会促使碳酸盐岩的沉积,因此微藻加速硅酸盐岩风化形成净碳汇;(3)长时间尺度下,单纯的碳酸盐岩化学风化并不能直接产生净碳汇,但微藻对${\rm{HCO}}_3^{-}$利用使得碳酸盐岩风化朝着${\rm{HCO}}_3^{-}$转化方向进行,微藻参与碳酸钙沉积作用的同时转化无机碳为惰性有机碳,产生碳汇。故微藻通过CAex的作用,催化加速${\rm{HCO}}_3^{-}$与CO2之间的转化,形成水体${\rm{HCO}}_3^{-}$消耗的动力基础,微藻无机碳利用对岩石风化具有促进作用,从而调节大气CO2、浓度变化。基于当前研究,提出三点展望:(1)开展岩溶区区域水体系统的岩石风化、水生生物碳汇评估成为解决当前区域碳收支不平衡问题的关键;(2)查明岩石风化作用中生物作用碳转化机理及转化量,解决单纯的水化学径流法计算岩石风化碳汇精度不够问题;(3)构建光合生物参与下的新的评估方法,评估当前岩石风化在水生生物、水循环作用下的碳汇的时间尺度问题,厘清岩石风化碳汇在碳收支中的贡献。
喀斯特小流域地表水碳酸盐系统化学平衡对酸性矿山废水的缓冲作用
黄江浔, 李清光, 安丽, 杜双雪, 郭兴强
2023, 42(1): 19-28. doi: 10.11932/karst2022y20
摘要:
Revelle因子不仅能反映弱碱性水体对吸收大气CO2的缓冲能力,还能体现水体酸化过程中CO2去气对H+的缓冲作用。本研究通过对多个缓冲因子的分析,探讨喀斯特中高硫煤矿区地表水碳酸盐系统对酸性矿山废水的缓冲作用,有助于进一步理解喀斯特地区流域水体中DIC循环过程和CO2源汇关系特征。结果表明,地表水碳酸盐系统内车田河流域Revelle因子变化区间在1.00~51.96之间,能有效揭示地表水碳酸盐系统内CO2去气对H+的缓冲过程,其敏感区间为pH=7.0~8.38的弱碱性水体。γDIC、βDIC、ωDIC、γAlk、βAlk、ωAlk等缓冲因子是基于pH和DIC浓度的二元方程。这些因子进一步细化了CO2(aq)、H+${\rm{CO}}_3^{2-}$等组分对DIC浓度和碱度的相对变化关系。在pH>7.0的DIC碳酸盐体系内,6个缓冲因子对水体酸化过程中碳酸盐组分的动态转化具有很好的响应。当pH<7.0以后,水−气界面和水−岩界面的碳传输过程增强,当CO2去气过程占主导,则缓冲因子绝对值变大;当H+对碳酸盐岩溶蚀过程占主导,则缓冲因子绝对值变小。
方解石在不同水环境中的溶解与沉淀作用
马诚佑, 康志强, 张立浩, 玄惠灵, 农培杰, 潘树芬, 孔琪琪, 朱义年, 朱宗强
2023, 42(1): 29-39, 51. doi: 10.11932/karst20230102
摘要:
方解石的溶解与沉淀是各种岩溶地质作用的基础,但对其在不同水环境条件下的溶解过程和溶解度有待深入研究。文章通过实验研究了天然方解石(CaCO3)在不同水环境中的溶解作用。结果表明 方解石在纯净水、空气饱和水、CO2饱和水、初始pH=3的溶液和初始pH=9的溶液中溶解时,Ca浓度随着溶解时间的增加呈现缓慢升高并趋于稳定,在溶解4 080 h后达到0.444 4~0.469 6 mmol·L−1、0.402 0~0.415 4 mmol·L−1、0.573 9~0.659 7 mmol·L−1、1.098 1 mmol·L−1和0.448 9 mmol·L−1;方解石(CaCO3)在纯净水中溶解时溶度积(Ksp)为10−8.48±0.08~10−8.48±0.13,吉布斯生成自由能ΔGf˚[CaCO3]为−1 129.82±0.51~−1 129.87±0.76 kJ·mol−1。在天然水中溶解时,桂林漓江水中Ca和Mg的浓度在达到饱和状态后呈现下降趋势;广西北海海水相对于碳酸盐矿物处于饱和或过饱和状态;桂林雁山和丫吉地下水相对于方解石、文石和白云石处于饱和或过饱和状态。研究结果进一步证明了水环境对方解石溶解的显著影响,研究结果可为岩溶地质作用的地球化学模拟提供参考。
岩溶作用过程试验方法研究——以岩溶作用仪研制为例
方雨, 蒋忠诚, 张卫, 章程
2023, 42(1): 40-51. doi: 10.11932/karst20230103
摘要:
通过对前人试验装置的分析,以岩溶作用原理及其影响因素为基础,结合仪器使用单位的试验需求,研制岩溶作用仪。通过分析不同的CO2起源、岩溶发育深度、不同pH条件以及地下水循环深度的地质环境条件,提出了仪器的基本功能和适用条件,进行岩溶作用仪功能模块的论证设计和研制,并进行了验证性试验,且达到预期目标。得到如下成果:提出了四种岩溶作用模式,研制了五个岩溶作用功能模块,总结分析了功能模块与岩溶作用内在关系以及功能模块组合原则,提供不同地质环境条件下的岩溶作用试验。仪器可以实现:模拟地下水循环深度0~200 m,环境温度0~70 ℃,CO2起源:表生、内生起源Pco2=0.0~2.0 MPa,不同酸度背景条件:pH可控,不同水流速度条件下的沉积作用可控,岩溶裂隙张开度的沉积作用(可组合)。
环境地质
岩溶区砂糖桔短期种植对土壤氮转化过程的影响
杨会, 朱同彬, 吴夏, 吴华英, 唐伟, 蓝高勇, Christoph Müller
2023, 42(1): 52-60. doi: 10.11932/karst2023y005
摘要:
利用15N同位素成对标记法并结合MCMC数值模型,研究岩溶区乔灌地开垦种植砂糖桔4年后土壤氮转化特征。结果显示:乔灌地开垦种植砂糖桔后,土壤有机氮矿化速率由2.93 mg N·kg−1·d−1显著下降至0.60 mg N·kg−1·d−1,土壤无机氮的供应能力降低,土壤有机氮矿化速率与土壤有机碳、全氮和全钙含量呈显著正相关性,与铁、铝、钾和黏粒比例呈显著负相关性;土壤铵态氮微生物同化速率由1.76 mg N·kg−1·d−1显著降低为0.10 mg N·kg−1· d−1,在砂糖桔地铵态氮微生物同化速率与有机氮矿化速率的比值仅为0.17。乔灌地土壤自养硝化速率高达11.06 mg N·kg−1·d−1,而硝态氮微生物同化作用微弱,硝态氮异化还原速率仅为0.64 mg N·kg−1·d−1,导致硝态氮净产生速率达到10.42 mg N·kg−1·d−1。由于土壤铵态氮浓度的降低和施肥导致土壤酸化不利于硝化细菌的活动,自养硝化速率显著降低至1.68 mg N·kg−1·d−1。岩溶区乔灌地开垦种植砂糖桔4年后土壤氮转化速率呈下降趋势。
岩溶地区水土漏失的定量研究进展
赵恬茵, 吴媛媛, 孙连群, 高长春, 潘网生, 许玉凤, 程富东
2023, 42(1): 61-70, 108. doi: 10.11932/karst20230105
摘要:
岩溶区特殊的“二元三维”水文地质结构为水土漏失提供了空间条件。水土漏失准确定量一直是岩溶区水土流失研究的重点和难点。以水土漏失的影响因素为核心,深入分析水土漏失对土壤性质、植被、降雨、地貌和人类活动等环境因子的响应特征,系统归纳前人采用径流小区监测法、洞穴滴水示踪法、传统模型法和指纹识别技术等方法获得径流小区、洞穴汇水区和流域尺度的水土漏失定量研究成果,指出水土漏失定量研究存在的主要问题,探讨水土漏失定量研究发展方向,为深入分析水土漏失驱动机制和进一步研究水土漏失与环境因子联动耦合关系提供参考。
重庆岩溶地质高背景区土壤−农作物系统重金属累积特征及影响因素
余飞, 罗恺, 王佳彬, 李瑜, 周皎, 王锐, 余亚伟, 张云逸
2023, 42(1): 71-83. doi: 10.11932/karst20230106
摘要:
为了揭示重庆岩溶地质高背景区土壤-农作物系统中重金属的迁移累积特征,选择在重庆市南部典型岩溶区,系统地采集大宗农作物(水稻、玉米和红薯)及其耕层土壤84组,分析测定农作物及耕层土壤中重金属砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、锌(Zn)含量及理化性质,采用地统计、生物富集因子及皮尔逊相关系数分析等方法,开展重金属元素在重庆岩溶地质高背景地区土壤−农作物系统中累积特征及影响因素。结果表明,研究区水稻田、玉米地和红薯地耕层土壤重金属平均含量均高于重庆市和全国表层土壤背景值,呈现不同程度的积累,其中Cd元素富集现象较为突出。依据GB 15618-2018和GB 2762-2017,耕层土壤种Cd超标率达41.59%,水稻、玉米和红薯中Cd超标率分别为5.89%、6.25%和5.56%,显示出岩溶地质高背景区虽然土壤中重金属含量总量高,但生物有效性较低。相关分析显示,土壤-农作物系统Cd等重金属含量主要受土壤pH、土壤质地和土壤中铁锰氧化物影响。
喀斯特坡地不同土地利用方式碳氮流失的水文驱动特征
任惠敏, 付智勇, 王发, 陈洪松
2023, 42(1): 84-93. doi: 10.11932/karst20230107
摘要:
喀斯特坡地壤中流与地表径流并存,共同驱动了土壤关键生源物质的迁移,造成该区土壤生产力下降、地下水污染。为揭示喀斯特坡地土壤碳氮流失途径及其水文驱动机制,本研究以喀斯特坡地径流微区(2 m×1.2 m)为研究对象,分析了火烧、轻度砍伐、重度砍伐、人工林、耕地、牧草6种不同土地利用方式对土壤碳氮流失途径、形态及通量的影响。结果表明:降雨是土壤碳氮流失的主要驱动因子,降雨产流阈值为16 mm,55 mm时达到产流峰值。各土地利用方式仅在暴雨下有显著差异,其中,人工林的土壤碳氮流失量较大,而重度砍伐的流失量较小。土地利用方式不改变土壤碳氮的流失途径,各土地利用方式均以地表流失为主(51.29%~75.15%),壤中流为辅,其中壤中流主要通过A层流失(65.20%~89.12%)。氮素流失形态以${\rm{NO}}_3^{-}$-N为主(45.84%~56.49%)。研究结果可为揭示喀斯特坡地生源物质流失过程及其水文驱动机制、研发水土流失与面源污染阻控技术提供参考。
基于土地利用情景模拟的喀斯特关键带生态系统服务权衡与协同分析——以蒙自喀斯特断陷盆地为例
陈金珂, 蒲俊兵, 李建鸿, 张陶
2023, 42(1): 94-108. doi: 10.11932/karst20230108
摘要:
以蒙自喀斯特断陷盆地为例,利用CLUE-S模型设置自然演化、微度、适度、强力生态治理情景并探究2030年不同情景对生态系统服务的影响及权衡与协同特征。结果表明:(1)2018年蒙自喀斯特断陷盆地植被净初级生产力(NPP)、产水量、覆盖型喀斯特区土壤保持量、裸露型喀斯特区土壤保持量、食物供给量分别增加了13.98%、38.97%、23.04%、25%、105.43%,且各种服务变化存在一定的空间差异性;(2)随着生态治理力度加大,2030年NPP和土壤保持量不断增加,产水量不断减少,食物供给量在强力生态治理情景下减少,在其他三种情景下增加;(3)NPP与产水量、食物供给量为权衡关系,与土壤保持量为协同关系;产水量与土壤保持量为权衡关系,与食物供给量为协同关系;土壤保持量与食物供给量为权衡关系;(4)相较于2018年,适度生态治理情景下四种生态系统服务之间的协调性最好,是较为合理的生态治理模式。
灾害地质
湘桂铁路二塘车站路基岩溶塌陷成因与防治对策
刘昭京, 蒋小珍, 冯涛, 黄胜平, 周富彪, 伊小娟
2023, 42(1): 109-118. doi: 10.11932/karst20230109
摘要:
湘桂铁路二塘车站高铁区段1996-2016年间发生岩溶塌陷险情27起,虽经过多期悬挂式帷幕注浆整治,但塌陷问题仍是行车安全的极大隐患。通过资料收集、场地野外调查、岩溶地下水气压力长期监测站的监测资料分析,细化了研究区的地质构造、岩溶水文地质条件及岩溶发育特征,从地质结构、岩溶地下水动力特征等方面分析,认为岩溶塌陷形成的成因为临桂地区房地产基坑开挖抽排水影响岩溶地下水水位变化,造成基岩面上覆土体的潜蚀,形成土洞,进而发展至地面形成塌陷坑。针对铁路运行段地下水位埋深具承压性,隐伏溶洞充填率高的复杂岩溶地质条件以及注浆压力的限制,提出加强基岩面上覆土层抗渗强度、管控岩溶地下水降深的岩溶塌陷防治对策。
岩溶水库渗透破坏型渗漏勘察与评价
曾荣福, 郑克勋, 王钦权
2023, 42(1): 119-127. doi: 10.11932/karst2021y29
摘要:
以重庆市南川区肖家沟水库蓄水多年之后库首右岸发生的岩溶渗漏为例,探讨了岩溶水库长期运行过程中防渗体系因高压渗透破坏产生的岩溶渗漏的勘察与评价方法。通过地质分析、渗漏历史调查、钻孔、水文地质测试、物探及连通试验等方法,查明了水库右岸岩溶渗漏的范围及原因。水库渗漏边界清晰,渗漏范围主要是右岸可溶岩区的630 m高程以上,防渗体渗透破坏是水库产生渗漏主要原因。其渗漏途径一是沿原封堵堵头的薄弱区域或溶洞封堵体周边发生渗透破坏产生新的通道向下游溶洞出口集中的渗出,二是穿过右岸防渗线绕过右岸坝肩后沿岩体溶蚀裂隙或管道汇入下游右岸岸坡溶洞集中的渗出地表。通过此工程实例,提出了岩溶水库防渗体渗透破坏型渗漏的勘察与评价方法,宜以历史资料分析为基础,初判渗漏成因及范围,采用勘探、试验及物探等多种手段进行验证,为防渗处理提供可靠依据。
山东省岩溶塌陷发育特征及诱因分析
吴亚楠, 杨云涛, 焦玉国, 刘志涛, 王延岭, 翟代廷, 周绍智, 魏凯, 程凤
2023, 42(1): 128-138, 148. doi: 10.11932/karst2023y007
摘要:
在归纳山东省岩溶塌陷时空分布规律的基础上,从基岩特征、覆盖层特征、水动力条件、外界扰动4个方面分别阐述多处主要塌陷区的背景条件及影响因素,分析其主要诱发因素。结果表明:山东省岩溶塌陷主要分布于济南、泰安、枣庄、临沂等6个地市,且近年来烟台、济宁等新发塌陷区的岩溶塌陷呈现加剧趋势;山东省岩溶塌陷主要发生在薄覆盖型岩溶区,地层以奥陶系马家沟群为主,其次是三山子组、寒武系炒米店组;岩溶塌陷区土层厚度均小于30 m,覆盖层结构类型以多元结构为主,其次为二元结构和一元结构,且由试验得出黏性土的抗塌性能与其含水率、孔隙比等物理力学性质有关;岩溶水的大幅度波动是塌陷发生的最主要因素,且岩溶地下水位在基岩面附近波动时最易引发塌陷。山东省岩溶塌陷区主要分布于各重要地下水水源地,地下水不合理开发利用引发的水位大幅下降或波动是主要人为诱因,莱芜铁矿区水位受矿区排水影响明显,另外在泰安市城区铁路三角区和东平县东王庄—西王庄运输线路的震动荷载也是另一重要人为诱因。
北方岩溶山区水文地质调查成果集成
山东省邹城市东部地下水水化学特征及形成机制
陈浩, 王家鼎, 王琳琳, 杨传伟, 姜福红
2023, 42(1): 139-148. doi: 10.11932/karst20230110
摘要:
为研究山东省邹城市东部缺水山区地下水水化学特征、水质状况和水化学过程,采集研究区各类型地下水样品32件,检测K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl${\rm{SO}}_4^{2-}$${\rm{HCO}}_3^{-}$${\rm{NO}}_3^{-}$、F、TH和TDS等化学指标,综合利用图解法、相关性分析和主成分分析等方法探讨其地下水的水化学特征和形成机制。结果表明:(1)研究区裂隙水、孔隙水与岩溶水具有相似的水化学特征,裂隙水和孔隙水的水化学类型以HCO3-Ca型为主,而岩溶水水化学类型为HCO3 -Ca · Mg型;(2)孔隙水、裂隙水和岩溶水水化学形成机制主要以水−岩相互作用为主,其次还受到人类活动的影响。孔隙水受水−岩相互作用和人类活动影响的比例分别为77.7%和10.5%,而裂隙水受影响的比例分别为63.9%和11.3%。
太行山北段金龙洞岩溶泉水化学及同位素动态特征
吕琳, 李伟, 刘元晴, 宋绵, 邓启军, 郑一迪
2023, 42(1): 149-160, 181. doi: 10.11932/karst20230111
摘要:
以太行山北段金龙洞岩溶泉为研究对象,通过数理统计、离子比值及饱和指数等方法,分析泉水水化学和同位素动态特征、水中主要离子来源及演化、水–岩相互作用过程等内容。结果显示:(1)金龙洞泉补给来源为大气降水,泉流量对其响应程度高,泉流量较小时,水中主要离子含量相对高,水化学类型为HCO3 · SO4-Ca·Mg型,泉流量大时,水中离子含量低,水化学类型为HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca型,泉流量增加引起的稀释作用对离子含量影响明显;(2)控制泉水水化学特征的主要因素为溶滤作用和稀释作用,且Ca2+、Mg2+${\rm{HCO}}_3^{-}$主要来源于碳酸盐岩溶解,${\rm{SO}}_4^{2-}$、Na+、K+、Sr主要来源于安山岩中长石、黄铁矿等矿物的风化溶解,${\rm{NO}}_3^{-}$则来源于人类活动;(3)降水集中期,泉水主要由灰岩区孔洞裂隙水进行补给,补给路径短,降水较小期,则由海拔相对较高的火山岩分化裂隙水进行补给,径流路径较长;(4)氢氧稳定同位素动态特征表明:水中D、18O含量变化主要受降水和入渗过程中的蒸发及地表水混入影响,且不同季节和时期泉水主要补给来源不同。
济南岩溶地区小岭重点渗漏带补源试验
赵有美, 刘小平, 齐欢
2023, 42(1): 161-170. doi: 10.11932/karst20230112
摘要:
为了解济南趵突泉泉域重点渗漏带下伏可溶性岩补源渗漏特征、影响因素及对泉水的影响,以小岭重点渗漏带为研究对象,采用野外调查、地球物理勘探、钻探、补源试验、模型评估等方法,分析小岭重点渗漏带下伏可溶性岩石岩性、厚度、岩溶发育情况、影响因素及补源渗漏量,评估补源效果。结果表明:小岭重点渗漏带下伏岩层为炒米店组,岩性主要为中厚层微晶灰岩、薄层状灰岩、泥质条带灰岩,厚度自东向西从7.6 m向56.3 m增厚,岩溶发育较弱,受千佛山断裂影响,发育规模大的断裂带两侧岩溶越发育,岩溶发育带越宽,补源渗漏能力越强。在钻孔补源条件下,小岭重点渗漏带断裂两侧精准补源地段炒米店组地层补源渗漏量为20 023 m3·d−1。在综合考虑其他补源措施的情况下枯水期补源量为15 000 m3·d−1、补源时长1个月对泉水的影响值为2 cm。
淄博洪山—寨里煤矿地下水串层污染治理区水化学和硫同位素特征
刁海忠, 于桑, 李洪亮, 尹秀贞, 周建伟, 刘红, 王元新
2023, 42(1): 171-181. doi: 10.11932/karst20230113
摘要:
在明确淄博洪山—寨里煤矿地下水串层污染治理区内水文地质状况、地下水流场特征等基础上,通过对矿井水、采空区水、矿排水、奥灰水、雨水、地表水的取样分析,掌握治理区的地下水水化学、硫同位素特征。选择接受大气降雨补给的区域、煤矿水聚集区、奥灰水聚集区以及奥灰水与煤矿水交叉混合区,分区对地下水水质现状及煤矿水和奥灰水之间水力联系情况进行分析判断。通过对比分析治理前后研究区水质情况,发现治理后奥灰水仍呈现高${\rm{SO}}_4^{2-}$浓度、高硬度、高TDS特征,且硫酸盐主要来源于煤矿水,治理后洪山、寨里煤矿地下水串层通道依然存在,串层污染情况持续进行,且污染较治理前有加重趋势。则今后治理工作应进一步查清、控制导水通道,控制矿坑水水位,避免其污染奥灰水。
沉痛悼念张寿越教授
2023, 42(1): 182-182.
摘要:
沉痛悼念朱学稳先生
2023, 42(1): 183-183.
摘要:
沉痛悼念韩行瑞先生
2023, 42(1): 184-184.
摘要: