巖溶關鍵帶植被對水循環過程的影響作用研究

康志強 , 陳 駿, 袁道先, 何師意, 鄧 艷, 陳 旸,劉媛媛, 姜光輝, 張勤軍

1)表生地球化學教育部重點實驗室/南京大學地球科學與工程學院, 江蘇南京 210093;

2)中國-東盟地學合作中心(南寧), 廣西南寧 530023;

3)中國地質科學院巖溶地質研究所, 廣西桂林 541004;

4)廣西壯族自治區地質調查院, 廣西南寧 530023

近些年來, 我國在石漠化治理方面做出了諸多的探索研究(蔣忠誠等, 2009; 曹建華等, 2016; 李強等, 2017; 何霄嘉等, 2019; 肖林穎等, 2021), 形成了一套基本成熟的石漠化治理模式(曹建華等, 2008;Jiang et al., 2014), 取得了明顯的效果(蔣忠誠等,2008; 杜文鵬等, 2019; 王克林等, 2019), 石漠化蔓延的勢頭也得到了有效的遏制(國家林業和草原局,2018), 且持續向好發展。2019年 2月 12日, 美國航天局(NASA)發布消息稱, 由于中國和印度的人類活動的影響, 在過去20年中, 地球變得越來越綠了, 尤其在中國最為顯著, 占到全球新增綠葉面積的25%(Chen et al., 2019)。巖溶作用過程是由地下水驅動的地質循環過程, 是大氣圈、巖石圈、生物圈、水圈相互作用最密切的地帶(袁道先, 1993, 1995;Yuan, 1997b), 因而也是巖溶區地球關鍵帶的最主要構成部分。地球關鍵帶空間界限范圍為上到植被冠層, 下到地下水含水層底部, 包含近地表的生物圈、大氣圈、整個土壤圈以及水圈和巖石圈近地表部分(National Research Council, 2001; Lin et al.,2005; Sparks, 2005; Lin, 2010)。尤其在巖溶區, 關鍵帶中水循環過程顯得格外重要, 其不僅能促進巖溶作用過程本身, 還進一步促進了大氣、植被和碳酸鹽巖之間的碳循環過程。研究表明, 巖溶區森林植被可以增強巖溶小流域的降水-徑流過程(Mcculloch and Robinson, 1993), 同時, 植被自身生長過程還會影響巖溶作用過程(曹建華和袁道先, 1999; 何師意等, 2001; 楊安學和彭云, 2007)。

本項研究在我國西南巖溶區選擇了2個不同植被覆蓋條件的巖溶關鍵帶中的地下水系統為研究對象, 通過對巖溶水循環特征及水化學特征的對比,研究森林植被對地下水循環過程和水化學組分的影響。

1 研究區概況及取樣點布置

選擇的兩個研究點地域相近, 均處于亞熱帶季風氣候區, 具有高溫多雨、降雨集中、濕度大等特點。但其所處的地貌單元和植被覆蓋條件不同, 其巖溶關鍵帶的結構和功能也具有明顯的不同。其中貴州茂蘭國家級自然保護區位于貴州省東南部, 地表標高在 450～1100 m之間, 處于云貴高原向廣西盆地過渡的斜坡地帶。森林覆蓋率在90%以上。出露地層為石炭系中統灰巖、白云巖。地貌以峰叢洼地、谷地為主。該區人口密度較小, 受人類活動的干預程度甚微。板寨地下河發育于保護區內, 為獨立的巖溶地下水系統(圖 1-R1), 僅受大氣降水的補給。在石炭系中統碳酸鹽巖和下統砂頁巖的地層界面處發育巖溶管道, 系統內地下水在地下河出口處全部排向地表。板寨自動化監測站建于地下河出口下游, 其匯水面積共計27.26 km2。

柳州市農耕區位于廣西壯族自治區中北部柳州市區周圍, 處于廣西平原桂中盆地內, 標高在90～150 m之間。為峰叢谷地地貌, 地勢較平坦, 出露地層為石炭系至二疊系碳酸鹽巖。谷底內為主要的農耕區, 人口分布較為稠密, 農業活動較為發達。山上植被稀疏, 以灌木為主。官村地下河位于峰叢洼地向峰叢谷地的過渡區, 亦為獨立的巖溶地下水系統(圖 1-R2), 僅受大氣降水的補給。其流域總面積約28.90 km2, 全長約7 km, 規模與板寨地下河相似, 平面展布形態呈簡單樹枝狀, 構造呈南北向展布。地下河水力坡度較緩, 約為 13.3‰, 主體流向自北向南, 于大良—潭頭谷地邊緣排泄, 形成地下河出口, 在地下河出口處修建了自動化監測站,獲取了自2015年8月至2018年12月共計3年多的連續數據。柳州農耕區其他平原地區巖溶發育整體較弱, 地下水一般以分散排泄為主。

圖1 研究區地理位置圖Fig. 1 Geographical location of the study areas

2 數據采集

2010年, 在茂蘭國家級自然保護區布置了7個水化學取樣點, 取樣頻次每次/月。于 2015年 9月至2016年4月, 在柳州市周邊SS1區、SS2和SS3等3個區域, 在豐水季節和枯水季節2批次共采集水樣39組。在板寨地下河出口和官村地下河出口處均建有監測站, 安裝澳大利亞 Greenspan公司生產的 CDTP300多參數水質監測儀, 配備雨量筒和矩形薄壁堰。同步監測指標為水體水溫、水位、電導率、pH值以及降水量, 其精度分別為 0.1 ℃、0.01 m、0.01 μs/cm、0.1 pH單位和0.5 mm。碳同位素標準樣品為V-PDB, 測試儀器為MAT 235氣體穩定同位素質譜儀, 測定精度分別為δ13C≤0.01‰。

3 結果及討論

3.1 森林植被的氣候效應

1984年茂蘭喀斯特森林科學考察過程中, 發現森林小氣候特征較明顯, 主要表現為云霧較多, 陰雨天氣出現頻繁, 日照時數相對較少, 且年均氣溫低于荔波縣氣象站 3℃左右, 降水量明顯較大(周政賢, 1987)。2009年, 中國地質科學院巖溶地質研究所在茂蘭保護區建立了板寨水文監測站(海拔530 m), 對林區降水量進行連續監測, 發現茂蘭保護區降水量值通常明顯大于周圍區域。如2010年,茂蘭自然保護區降水量達1 710.0 mm, 而荔波縣氣象站(海拔432.9 m)降水量僅為1 058.9 mm, 說明茂蘭自然保護區森林的氣象水文效應明顯, 森林激發降水量值占全年降水量的 38.08%, 顯著高于預測值(表 1)。

表1 茂蘭保護區與荔波氣象站降水情況對比表(單位: mm)Table 1 Comparison of precipitation data in Maolan karst forest and Libo station (unit: mm)

3.2 植被對流域水循環的調控作用

通過對多場暴雨過程中降水-徑流曲線分析(圖2), 發現板寨地下河和官村地下河的在雨季暴漲暴落現象非常明顯, 但去噪后退水過程流量曲線衰減部分擬合效果基本一致, 說明每場暴雨事件的流量衰減方式相同。從降水-徑流曲線上可以看出, 雖然板寨地下河流量的峰值較大, 但官村地下河對降水的響應比板寨地下河迅速, 說明森林植被能起到有效的截流消洪作用。

圖2 板寨(A)和官村(B)地下河降水-流量過程曲線Fig. 2 Rainfall-flow dynamic of Banzhai (A) and Guancun(B) subterranean river system

從地下河流量的衰減曲線來看, 初期地下河水流量衰減速率較快, 水文地質固有條件控制洪水的消減過程。但在退水后期, 板寨地下河洪水過后退水曲線的衰減過程非常平滑, 說明從管道流向基巖裂隙流的排水過渡過程中, 森林植被發揮了重要的調節作用; 而官村地下河流域缺乏森林植被覆蓋,其退水曲線的拐點十分明顯, 表現了由小型管道流直接向基巖裂隙流的過渡。

3.3 植被對巖溶作用過程的調控作用

研究表明, 海相碳酸鹽巖礦物δ13C值介于0‰至2.0‰之間(Drever, 1997); C3植物分布區土壤CO2的δ13C 值介于–23‰ ～ –40‰之間, 平均值為–27‰;C4植物區土壤CO2的δ13C值介于–9‰ ～ –19‰之間,平均值為–12‰(Smith and Epstein, 1971)。根據巖溶動力學方程式, 巖溶水中碳有兩個來源, 其一為碳酸鹽巖礦物, 其二來自大氣(包括自由空氣和土壤空氣), 且大氣碳源和碳酸鹽礦物的碳源為1:1(B?gli, 1980; Dreybrodt, 1980; Yuan, 1997a)。因此有研究者認為在良好的植被覆蓋條件下, 海相碳酸鹽巖分布區巖溶水中δ13CDIC的預測值應該為–11‰(Grootes et al., 1969; Mook, 1986)。在柳州市農耕區, 受酸雨和施肥等影響, 大部分巖溶水點的值δ13CDIC介于–8‰ ～ –10‰之間(表 2), 統計值為(–9.08±4.70)‰(圖 3), 值域明顯較寬。而在森林覆蓋條件良好的茂蘭森林保護區, 巖溶水中δ13CDIC值均小于–11‰(康志強和何師意, 2011), 統計值為(–14.18±1.64)‰, 其值整體較茂蘭自然保護區偏負。通過對比發現, 森林區參與巖溶作用的大氣CO2的碳同位素受森林植被的控制左右較為明顯。

表2 柳州農耕區分散流系統地下水中HCO濃度和δ13CDIC值Table 2 HCO concentrations and δ13CDIC values of groundwater in the Liuzhou decentralized flow system

表2 柳州農耕區分散流系統地下水中HCO濃度和δ13CDIC值Table 2 HCO concentrations and δ13CDIC values of groundwater in the Liuzhou decentralized flow system

樣品序號HCO– 3/(mg/L)δ13CDIC /‰樣品序號HCO– 3/(mg/L)δ13CDIC/‰WS01 246 –10.50 WS21 227 –8.60 WS02 248 –8.96 WS22 133 –10.45 WS03 270 –4.86 WS23 232 –9.50 WS04 161 –7.22 WS24 132 –12.40 WS05 141 –10.56 WS25 234 –8.49 WS06 166 –9.10 WS26 235 –12.62 WS07 171 –6.04 WS27 240 –9.82 WS08 172 –7.74 WS28 246 –11.70 WS09 224 –10.80 WS29 191 –10.83 WS10 236 –9.18 WS30 248 –6.78 WS11 191 –7.71 WS31 283 –9.51 WS12 284 –10.02 WS32 287 –9.24 WS13 191 –6.12 WS33 183 –11.66 WS14 168 –10.46 WS34 301 –8.58 WS15 219 –9.03 WS35 271 –10.67 WS16 229 –8.44 WS36 176 –10.86 WS17 222 –8.28 WS37 210 –10.55 WS18 225 –9.66 WS38 261 –9.95 WS19 245 –9.70 WS39 235 –9.24 WS20 149 –9.54

圖3 研究區δ13CDIC值與水體HCO含量關系圖Fig. 3 Relationship between the δ13CDIC and HCO in the karst water

4 結論

不同類型巖溶關鍵帶中地下水循環模式不同,其中的森林植被對地下水系統內部水循環和水化學組分均有明顯的影響, 具體表現在以下方面:

(1)植被通過蒸騰作用而在林區激發二次降水,使林區降水量明顯增大;

(2)在降水-徑流曲線上, 森林覆蓋區降水洪峰產生比較滯后, 而地下水排泄過程中退水曲線較為平滑, 說明森林植被具有明顯的截流消洪作用;

(3)相比柳州農耕區, 茂蘭自然保護區地下水中HCO–3濃度整體上較大, 碳穩定同位素也明顯偏負,其兩者的值域也明顯較小。說明森林植被對巖溶關鍵帶地下水中無機碳的貢獻比較大, 并能有效增強巖溶作用。

Acknowledgements:

This study was supported by Scientific Research and Technology Development Program of Guangxi(Nos. GuikeAB110004 and GuikeAB18126062), National Key Research and Development Program of China (Nos. 2016YFC0502302 and 2016YFC0502500), Science and Technology Base and Talent Special Project of Guangxi (No. AD17129052),and National Natural Science Foundation of China(Nos. 41502260 and 41472239).