贵州纳朵洞洞穴滴水理化特征及其石漠化响应

李 维 杰王 建 力王 红

(1.西南大学 地理科学学院，重庆 400715； 2.安顺学院 资源与环境工程学院，贵州 安顺 561000)

目前有关洞穴系统指示地表环境的研究，主要集中在洞穴次生碳酸钙沉积物及洞穴滴水，洞穴滴水是洞穴沉积物的直接物质来源，指标选择多为稳定性氧[1-3]、碳同位素[4]与各种常量、微量元素[5-6]，洞穴次生碳酸钙沉积物中的元素及稳定同位素作为气候环境演变记录的代用指标，能够反映地表气候环境变迁与其物质来源，通过分析滴水的水文地球化学特征与理化特征，对于研究洞穴沉积物形成机理有着重要的意义。

洞穴滴水沉积物记录地表生态环境变迁的思想，源于近年来国内外学者对于全球气候变化的研究。中国西南喀斯特地区石漠化严重、生态环境脆弱，可持续发展受到制约，如何全面有效地对石漠化生态环境及其治理效果进行监测评价，是制定治理石漠化战略所面临的问题[7]。国外Rutlidge[8]等通过主成分分析法分析了澳大利亚 Cathedral 洞滴水元素的物质来源；Baldini[9]等通过长时间尺度与短时间尺度的监测，对比分析了季节变化对爱尔兰 Ballynamintra 洞滴水元素的影响。国内刘子琦[10]等针对贵州中西部不同等级石漠化洞穴次生碳酸钙沉积物δ13C的对比研究发现，石漠化越强的地区洞穴沉积物δ13C值越偏重；李渊[11]等通过短时间尺度的降雨条件下对贵州石将军洞的监测，发现洞外环境变化控制洞内温度与CO2体积分数变化，土壤稀薄导致滞后性较小。对地下洞穴滴水进行监测，进而配合地表生态环境观测，为石漠化综合治理提供全面的观测数据是十分必要的。

在2016年1～12月期间，选取气候条件一致、石漠化等级不同的纳朵洞主洞(潜在)及其附近一个小洞(中度)两处洞穴进行了1 a的监测，分析计算了不同石漠化背景下的洞穴内部环境及洞穴滴水的理化指标(温度、pH值、CO2浓度、电导率EC、Ca2+与Mg2+等)及其特征，以探究洞穴滴水物理化学指标对地表不同等级石漠化(潜在石漠化和中度石漠化)环境的响应，为洞穴次生碳酸钙沉积物记录石漠化环境提供支撑，为研究石漠化的演变提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于贵州省关岭县响锣村境内，研究洞穴纳朵洞主洞(25°49′N，105°35′E) 距关岭县气象站约13 km，洞体岩层为灰岩或白云岩夹泥沙岩，属三叠系永宁组，主洞洞口较大，洞口到洞内阶梯式下降，坡度较大，洞穴中部通道狭窄，洞穴深部与外界交流较少，保持常年稳定的洞穴环境，监测洞厅的山体厚度约30～85 m，上覆土壤为黄壤，土壤层发育较厚，坡体陡峻，基岩裂隙发育较少，植被以草被和灌丛为主，属于潜在石漠化等级(见图1)。小洞与主洞相距0.6 km，地表破碎，以峰丛槽谷和丘陵洼地为主，洼地相对平坦，出露岩层以石灰岩、砂页岩为主，洞口宽敞，沿洞口往内通道上有大量大型崩塌碎石，洞内环境与外界交流较多，对外界环境响应较大，上覆植被以低结构灌丛为主，属于中度石漠化等级(见图2)。据关岭县气象资料，该地区年平均降雨量为1 268 mm，年平均气温为16.2 ℃，属中亚热带季风性湿润气候区，季风气候显著，雨季5～10月集中全年80%以上的降水量[12]。

图1 纳朵洞主洞采样点分布示意Fig.1 Sampling distribution in the main cave of Naduo

图2 纳朵洞附近小洞采样点分布示意Fig.2 Sampling distribution in the small cave near Naduo

2 研究方法

2.1 样品采集

自2016年1～12月(部分指标缺12月数据)，在纳朵洞主洞内选取离洞口较远、封闭条件好的5个滴水点( D2,D4,D7,D8,D9)以及小洞洞内3个滴水点(DX1,DX3,DX5)进行连续监测。各观测点水样的电导率 EC和pH值、空气温度和CO2浓度现场监测。用75 mL的聚乙烯塑料瓶来采集阳离子水样，采样前先用水样润洗3次，水样中加入1∶1浓度的HNO3酸化，以保持离子活性。所有样品瓶口密封，带回实验室于6 ℃避光条件下冷藏，以备分析测试使用。滴速用秒表计数测定，连续计数3次再取平均值，单位为滴·min-1。

2.2 样品分析

用美国 HCAH 公司生产的HQ340d多参数水质分析仪现场测试水样pH值和电导率EC，精度分别为0.01 pH单位、1 μS·cm-1，用希玛AR837温湿度计测试空气温度，分辨率为0.1 ℃；用德国Testo 535红外二氧化碳测量仪现场测试大气CO2和洞穴空气CO2浓度，测量范围为0～9 999 ppm，测量精度为1 ppm。在西南大学地理科学学院地球化学与同位素实验室和水化学实验室用美国Perkin-Elmer公司生产的Optima2100DV电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES)测试Ca2+、Mg2+等，检测限为0.001 mg/L，测量相对误差≤2%。

3 洞穴滴水理化特征

3.1 pH值与CO2浓度响应特征

大气降水在渗入地表环境后，经过土壤层和下部基岩，由于吸收了土壤中不同形式的CO2而导致pH值降低，但对基岩的溶蚀作用又消耗了H+，引起pH值升高[13]。有研究者通过探讨降雨对pH的稀释作用得出，干旱与湿润时期的洞穴滴水的pH值变化恰好相反，在干旱时期较高，而湿润期pH值则偏低，原因在于湿润期降雨量大稀释作用明显，从而表现出较低的pH值，冬季则相反[14]。

纳朵洞主洞5个滴水点pH值变化趋势基本一致，观测点D2，D4，D7，D8，D9滴水的pH值均值分别为7.6，7.8，7.9，7.9，7.9，总体表现出旱季高、雨季低的变化特征；同时各个滴水点CO2浓度变化趋势表现出雨季高、旱季低的特点(见图3)。洞穴滴水中CO2主要来自大气、土壤、地表植被以及微生物活动。主洞洞穴(潜在石漠化)土层深厚，植被覆盖度高，顶部基岩坚硬致密，中部通道狭窄，内部各个滴水点受外界环境影响小，CO2浓度具有稳定来源。随着雨季的来临，地面温度升高，植被生长旺盛，生物活性强，大气降水通过地表植被-土壤-基岩，经过水-土-岩的相互作用，洞穴滴水不断吸收CO2含量，形成具有强侵蚀能力的洞穴水，pH值降低，旱季则相反。

图3 纳朵洞主洞与小洞CO2浓度、滴水的pH值、降水量季节变化特征Fig.3 Seasonal variation characteristics of CO2, pH and precipitation in small， and main cave of the Naduo cave

小洞洞穴(中度石漠化)3个滴水点pH值变化趋势基本一致，观测点DX1，DX3，DX5滴水的pH值均值分别为8.3，8.2，8.2，明显高于潜在石漠化的主洞，同时各个滴水点CO2浓度与主洞相比，浓度减少4～5倍且变化差异性明显，反映了洞穴环境的不稳定性以及CO2来源单一性(见图3)。小洞洞穴土壤层稀薄，植被以低结构灌丛为主，洞穴内部通道宽阔，与外界环境交流活跃，CO2浓度与pH值主要取决于碳酸岩体的厚度、基岩裂隙与孔隙度以及洞穴水在岩体中的反应时间和滞留时间。雨季来临时，洞穴顶部植被稀少，土壤受雨水冲刷，水土流失严重，土壤中CO2赋存稀少，致使雨季pH值升高，旱季土壤开始赋存雨季过后植被根部呼吸及生物呼吸的CO2，使得土壤中赋存的CO2量增大，加上干旱期降雨量少，水分在土壤中停留的时间长，能够吸收较大的CO2量，致使pH值旱季降低。

总之，纳朵洞小洞滴水的pH均值为8.2，主洞为7.8，说明石漠化程度高的洞穴滴水中pH值高于石漠化程度低的洞穴滴水，同时CO2浓度大幅降低，主要取决于石漠化地区岩层厚度、洞穴结构、植被土壤条件以及雨水在土壤和岩体中的滞留时间，并非完全取决于气候条件。

3.2 电导率与洞穴温度响应特征

电导率能够反映水中离子的强度及其溶解态无机物质组成，水中各种离子的质量浓度越高，水的导电性就越强，反之则越弱[15]。纳朵洞主洞(潜在石漠化)5个滴水点电导率变化趋势基本一致，D2,D4,D7,D8,D9滴水的电导平均值分别为:229.9,248.3,225.5,239.5,214.83 μS/cm，标准偏差分别为22.60,19.14,31.40,29.19和24.12，反映洞穴滴水点受制于同一洞穴系统以及所含离子来源的一致性和稳定性(见图4)。随着3月份降雨量增加，降水的稀释作用逐渐体现，9月份进入旱季，降水量稀少，雨季残留的“老水”在土壤与基岩中的滞留时间逐渐增加，水-土-岩充分反应，表现出雨季低、旱季高的特点，一定程度上表现出潜在石漠化地区洞穴地表植被覆盖度高、上覆土壤与基岩深厚。同时随着洞穴的深入，滴水点电导率逐渐降低，反映出滴水点上覆土壤与顶板厚度逐渐降低。主洞滴水温度在季节上较稳定，整体趋势逐渐上升， 滴水点D2,D4,D7,D8,D9气温均温分别为16.8,16.5,16.8,16.5,16.5 ℃，标准偏差分别为0.26,0.45,0.34,0.44,0.48，说明滴水点气温高于且接近于当地年平均气温为16.2 ℃，且各滴水点气温的变化范围不大。这与洞穴的形态结构有关，主洞前厅高大宽阔，约48 m，洞口敞开，而滴水点全部位于后厅，前厅与后厅之间洞体狭窄细长，后厅气流流通缓慢，与外界交流少，温度变化恒定。

小洞洞穴(中度石漠化)3个滴水点DX1,DX3,DX5电导率的平均值分别为226.8,236.5,217.7 μS/cm，标准偏差分别为34.97, 30.06,48.28，小洞滴水的电导率相对主洞变化幅度较大。季节变化也存在差异性和不稳定性，雨季变化幅度较大，而旱季趋于稳定，同时随着洞穴的深入，距离洞口较近的滴水点DX5对外界响应迅速，而距离较远的滴水点DX1响应缓慢(见图4)。反映出中度石漠化区洞穴地表植被覆盖差、土壤层较薄、岩石裸露率高，滴水点理化特征较大程度上取决于洞穴基岩的厚度，越接近洞口上覆基岩越薄，季节性降雨迅速进入地下，从而导致靠近洞口的滴水点能较好地对外界变化作出反应。小洞的滴水温度季节变化趋势基本一致，滴水点DX1,DX3,DX5气温均温分别为13.8,12.5,12.6 ℃，相比主洞气温明显低于当地气温的年平均气候，且各滴水点气温的变化范围较大，主要与洞穴形态结构相关，小洞洞口宽敞，洞体通道宽大，洞内空气与外界交流频繁，温度受洞外气温影响大。

总之，纳朵洞主洞及其附近小洞洞穴滴水的电导率，总体表现出雨季低、旱季高的特点；主洞观测点年平均气温16.6 ℃，略高于当地年平均气温0.4 ℃，而小洞观测点年平均气温为13.0 ℃，低于当地年平均气温为3.2 ℃，且各滴水点气温的变化幅度较大。相同气候条件，不同等级石漠化地区洞穴地表植被覆盖度、上覆土壤与基岩厚度、岩石裸露率以及洞穴形态结构较大程度上影响滴水点气温、滴水的电导率对外界环境的响应。中度石漠化地区洞穴温度对外界地表环境响应迅速，滴水点气温、滴水的电导率变化幅度大，潜在石漠化地区洞穴温度响应缓慢，滴水点气温、滴水的电导率变化幅度小。

3.3 Ca2+与Mg2+质量浓度响应特征

滴水中的离子来源于降水携带的洞顶土壤元素中的离子以及降水对基岩溶解作用后携带的离子，因而主要受土岩溶解速率与岩溶元素迁移机制影响。雨季CO2体积分数多，导致岩溶能力增强，从而溶解迁移更多离子[16]。不同等级石漠化地区洞穴土壤厚度、植被覆盖度、基岩孔隙度以及CO2体积分数存在差异，致使滴水点Ca2+与Mg2+质量浓度响应特征各不相同。

图5 纳朵洞与小洞Ca2+、Mg2+浓度变化特征Fig.5 Changes of Ca2+and Mg2+concentrations in the small caves and Naduo cave

纳朵洞主洞(潜在石漠化)5个滴水点Ca2+质量浓度平均值变化范围为38～75 mg/L，季节变化趋势基本一致，表现出雨季离子浓度低、旱季浓度高的特点，且存在一定滞后性，Mg2+质量浓度平均值变化范围为1.2～2.4 mg/L，表现出雨季离子浓度低且变化幅度大，旱季浓度高且变化平稳的特点，同时随着洞穴深入，滴水点顶板厚度逐渐降低，水分在土壤和岩石中滞留时间和反应时间缩短，不足以充分反应，离子浓度逐渐降低(见图5)。洞穴滴水中Ca2+与Mg2+主要来自于大气降水对碳酸盐岩的溶解作用以及对土壤的淋滤作用，而其离子含量主要取决于大气降水从土壤、微生物活动中携带的CO2含量，由于季节性变化，CO2含量雨季多于旱季，洞穴水溶解作用雨季强于旱季，因此离子质量浓度雨季高于旱季。而潜在石漠化地区植被以灌丛为主，土壤层相对稀薄，岩石孔隙度高，雨季来临，地表增温，植物生长旺盛，微生物活动强烈，土壤中赋存的CO2含量增加，降水到达地面冲刷地表，造成地表水土流失，携带CO2含量相对较少，在基岩中滞留时间和反应时间缩短，同时降水的稀释作用，致使雨季离子浓度含量降低，旱季降水稀少，土壤与岩石裂隙中赋存的“老水”不断参与水-土、水-岩反应，离子浓度升高，因先期沉积作用(PCP)以及方解石与白云岩溶解度差异，Ca2+质量浓度旱季降低，Mg2+质量浓度升高，Mg2+/Ca2+比值升高。

小洞洞穴(中度石漠化)3个滴水点Ca2+质量浓度平均值变化范围为30～53 mg/L，相比主洞(潜在石漠化)离子浓度相对减少，一定程度上反映该地区植被稀少，土壤层较薄，顶板厚度小，水-土-岩反应不充分，同时季节变化幅度较大，规律性还需进一步研究，Mg2+质量浓度平均值变化范围为1.5～2.1 mg/L，季节变化存在差异性且不稳定，总体上Ca2+与Mg2+质量浓度呈现雨季低、旱季高的特点(见图5)。推测源于中度石漠化地区岩石裸露率高，土壤稀少，雨水冲刷地表，水-土反应较少，水流通过岩石裂隙与缝隙不断溶解碳酸盐岩，因此石漠化程度较高的地区滴水中离子浓度主要取决于顶板岩石厚度以及孔隙度。雨季降水量增加，因该地区植被与土壤稀少，直接参与水-岩反应，岩石孔隙度和节理发育不同，致使滴水点离子浓度存在差异性，旱季降水量减少，“老水”在岩石中的反应程度决定了滴水点离子浓度。

总之，不同等级石漠化地区洞穴滴水点Ca2+与Mg2+质量浓度对外界环境响应存在差异性，总体上离子浓度表现出雨季低、旱季高的特点，石漠化程度低的地区洞穴滴水离子浓度主要取决于地表植被覆盖度、土壤以及碳酸盐岩厚度，石漠化程度高的地区洞穴滴水离子浓度主要取决于顶板岩石厚度以及孔隙度。

4 洞穴滴水对石漠化环境响应差异性分析

不同等级石漠化地区洞穴地表植被覆盖度、土壤层厚度、基岩厚度、人类参与程度、洞穴形态结构、岩石裂隙以及孔隙度存在差异，致使洞穴滴水对地表生态环境响应存在一定偏差和滞后性，石漠化等级越低，生态环境较好，滴水理化特征表现出一定规律性和稳定性，石漠化等级越高，生态环境较差，滴水理化特征季节变化幅度较大，规律性不明显，需要结合其他监测数据进一步研究。同时石漠化等级程度不同的洞穴水分赋存主体也各不相同，石漠化等级较低的洞穴水分在下渗过程中，对水分起主要赋存作用的为上覆植被、土被与基岩，石漠化等级较高的洞穴地表植被、土被稀少，水分主要赋存在上覆基岩中。

气候条件一致，不同等级石漠化洞穴地表植被覆盖度、土壤层以及基岩厚度一定程度上影响CO2赋存量、电导率、pH值以及滴水中元素的迁移。雨季，石漠化程度较低的洞穴地表植被覆盖度较高，土层深厚，微生物活动旺盛，土壤中CO2赋存量较大，产率高，水分在土壤中停留时间长，大量CO2被溶解进入水体，形成具有强侵蚀能力的洞穴水，不断融解基岩，滴水中pH值相对偏低，元素含量逐渐增加，电导率也相应增大。旱季，地表植被稀少，微生物活动微弱，土壤中CO2赋存量较小，产率低，地表水对土壤和基岩的溶解以及淋溶作用下降，滴水中pH值相对偏高，元素含量与电导率逐渐增大。而石漠化程度较高的洞穴雨季地表植被稀疏，土壤层较薄，CO2赋存量小，雨水在土壤中停留时间较短，吸收的CO2含量较少，而基岩深厚，水分在岩石中下渗的停留时间和反应时间较长，致使pH值较高。旱季，少量土壤开始赋存雨季过后植被以及微生物呼吸的CO2，降水稀少，水分在土壤中停留时间长，吸收较大的CO2量，致使pH值较低。

洞穴形态结构的差异性一定程度上影响滴水温度、空气流通性以及对外界环境的响应程度。纳朵洞主洞前厅高大宽阔，洞口敞开，空气流通性强，前厅与后厅之间洞体狭窄细长，后厅气流流通缓慢，与外界交流少，温度变化恒定，存在一定规律性，同时距离洞口较近的滴水点能较好地对地表温度变化作出反应；电导率、pH等特征在靠近洞口的位置变化迅速，变率较大。小洞洞穴洞口宽敞，洞体通道宽大，洞内空气与外界交流频繁，温度受洞外气温影响大，同时滴水点监测指标季节变化幅度大，规律性差，随着洞穴的深入，滴水点监测指标趋于稳定，且变化幅度小。

目前，石漠化进程加快较大程度上归因于人类参与，通过长时间耕作，破坏地表植被，土壤肥力下降，降雨对地表土壤的冲刷强度增大，土壤吸水膨胀瓦解、孔隙度增大，造成土壤与植被进一步退化，水土流失加剧，致使土壤生物能力减弱[17]。小洞洞穴滴水pH值表现出雨季高、旱季低的反常现象，主要取决于地表植被覆盖度、洞穴系统、土壤以及基岩厚度，而研究洞穴上方为连片破碎耕地，土地的使用率频繁，土地的负荷量较大，农民使用化学肥料较一般地区要多，一定程度上可能受到化学肥料的污染。每年10月到次年3月份是当地作物收获的季节，农民大量使用磷肥和氮肥，下渗水中酸性液体增多，因此pH值降低；而4月份至10月份，农业活动不频繁，化肥使用少，下渗水携带的酸性液体较小，因此pH值较高，但其具体的影响机制需要进一步研究。

岩石孔隙度一定程度上制约水分在岩石中的运移路径、停留时间以及反应时间，从而影响滴水中元素浓度以及电导率。石漠化程度不同，岩石孔隙度以及裂隙也存在差异，岩体孔隙度越高，水分在基岩中的停留时间以及反应时间越短，致使滴水中元素浓度下降，电导率相应减少，且滴水对外界环境响应加快，变化幅度增大。孔隙度越低，水分在基岩中的停留时间以及反应时间越长，致使滴水中元素浓度增加，电导率相应增大，滴水对外界环境响应减缓，变化幅度减小。同时各个滴水点在岩体中的运移路径有所不同，导致对外界环境的响应存在一定差异。

5 结 论

(1) 纳朵洞主洞(潜在石漠化)及其附近小洞(中度石漠化)洞穴滴水的pH均值分别为7.8，8.2，说明石漠化程度高的洞穴滴水的pH值高于石漠化程度低的洞穴滴水的pH值，同时CO2浓度大幅降低，主要取决于石漠化地区岩层厚度、洞穴结构、植被土壤条件以及雨水在土壤和岩体中的滞留时间，并非完全取决于气候条件。

(2) 纳朵洞主洞及其附近小洞洞穴滴水的电导率，总体表现出雨季低、旱季高的特点；主洞观测点年平均气温16.6 ℃，略高于当地年平均气温0.4 ℃，而小洞观测点年平均气温13.0 ℃，低于当地年平均气温3.2 ℃，且各滴水点气温的变化幅度较大。相同气候条件，不同等级石漠化洞穴地表植被覆盖度、上覆土壤与基岩厚度、岩石裸露率以及洞穴形态结构等较大程度上影响洞穴滴水点的气温和滴水的电导率对外界环境的响应。中度石漠化地区洞穴温度对外界地表环境响应迅速，滴水点的气温、滴水的电导率变化幅度大，潜在石漠化地区洞穴温度对外界地表环境响应缓慢，滴水点的气温、滴水的电导率变化幅度小。

(3) 不同等级石漠化洞穴滴水点Ca2+与Mg2+浓度对外界环境响应存在差异性。纳朵洞主洞(潜在石漠化)5个滴水点Ca2+与Mg2+质量浓度平均值变化范围为38～75 mg/L和1.2～2.4 mg/L，而小洞洞穴(中度石漠化)3个滴水点Ca2+与Mg2+质量浓度平均值变化范围为30～53 mg/L和1.5～2.1 mg/L，相比主洞(潜在石漠化)Ca2+离子浓度相对减少。一定程度上反映该地区植被稀少，土壤层较薄，顶板厚度小，水-土-岩反应不充分，同时季节变化幅度较大。石漠化程度低的地区洞穴滴水离子浓度主要取决于地表植被覆盖度、土壤以及碳酸盐岩厚度，石漠化程度高的地区洞穴滴水离子浓度主要取决于顶板岩石厚度以及孔隙度。总体上Ca2+与Mg2+离子浓度表现出雨季低、旱季高的特点。

(4) 石漠化等级程度不同的洞穴水分赋存主体也各不相同，石漠化等级较低的洞穴水分在下渗过程中，对水分起主要赋存作用的为上覆植被、土被与基岩，石漠化等级较高的洞穴地表植被、土被稀少，水分主要赋存在上覆基岩中。