表層巖溶系統(tǒng)水化學(xué)成因及植被恢復(fù)條件下變化趨勢
——以廣西馬山弄拉蘭電堂泉為例

康志強(qiáng)，何師意，羅允義

1.國土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004 2.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，南寧 530023 3.聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心，廣西 桂林 541004

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表層巖溶系統(tǒng)水化學(xué)成因及植被恢復(fù)條件下變化趨勢
——以廣西馬山弄拉蘭電堂泉為例

康志強(qiáng)1, 2, 3，何師意1, 3，羅允義2

1.國土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004 2.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，南寧 530023 3.聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心，廣西 桂林 541004

常見的碳酸鹽巖主要有灰?guī)r和白云巖，兩者的巖溶作用機(jī)理不同，因而常形成不同的地貌格局。在我國西南地區(qū)，若在小范圍內(nèi)有灰?guī)r和白云巖出露時(shí)，往往在山體陡峭的部位出露質(zhì)純層厚的灰?guī)r，而山間平原多出露白云巖。這種地層組合結(jié)構(gòu)致使表層巖溶帶的發(fā)育具有獨(dú)特的雙重巖性結(jié)構(gòu)。基于蘭電堂表層巖溶系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)絕大部分水樣的水化學(xué)類型均為HCO3-Ca·Mg型，其主要陽離子Ca2+和Mg2+質(zhì)量濃度的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化趨勢不明顯，但對短期降水稀釋效應(yīng)及森林植被CO2效應(yīng)的響應(yīng)則非常迅速。將降水量小且比較均勻的8、9、10及12月水樣的ρ(Ca2+)和ρ(Mg2+)關(guān)系曲線定義為"同比例溶解線"，并用其判別不同降水條件下泉水化學(xué)成分差異的成因。另外，為了研究次生森林生態(tài)功能逐步恢復(fù)條件下巖溶作用強(qiáng)度的變化趨勢，對近10年來弄拉表層巖溶泉水化學(xué)組分進(jìn)行分析對比，發(fā)現(xiàn)巖溶水化學(xué)中主要陰、陽離子濃度均有增加趨勢，也進(jìn)一步佐證了森林植被的巖溶效應(yīng)。

表層巖溶帶；水化學(xué)成因；同比例溶解線；巖溶作用強(qiáng)度；廣西馬山弄拉

0 引言

在巖溶地區(qū)包氣帶上部、碳酸鹽巖基巖與上覆土層交界面以下一定厚度(一般為5～30 m)內(nèi)的巖溶和裂隙強(qiáng)烈發(fā)育帶，被稱為“表層巖溶帶”[1]。由于其具有獨(dú)特的水文地質(zhì)意義，因此一直是巖溶水文地質(zhì)學(xué)界的研究熱點(diǎn)[2-8]。表層巖溶帶與飽水帶之間被巖溶發(fā)育較弱的基巖隔離，往往稱為一個(gè)獨(dú)立的含水單元。該單元處于大氣圈、巖石圈、生物圈和水圈等4個(gè)圈層的影響帶內(nèi)，巖溶作用較強(qiáng)，不僅能調(diào)蓄一定數(shù)量的地下水，且對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)需水和山區(qū)小氣候的調(diào)節(jié)具有極其重要的意義[9]，常被用作分散供水水源。近年來，極端干旱氣候事件頻發(fā)，研究表層巖溶帶水循環(huán)的重要性日益增加[10-14]。然而，我國西南地區(qū)巖溶發(fā)育極為特殊[15]，在地形上表現(xiàn)為不同高程的臺階以及其間過渡的斜坡地帶。根據(jù)對不同臺階(包括次級臺階)出露碳酸鹽巖巖性統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在高山地區(qū)出露基巖主要為質(zhì)純層厚的灰?guī)r，而山間平原或高原面則以白云巖為主。不同巖性的表層巖溶帶發(fā)育特征迥異，賦存于其中的表層巖溶帶水化學(xué)成分在不同的降水條件下表現(xiàn)出截然不同的特征。方解石和白云石雖同為堿土金屬元素碳酸鹽巖礦物，但其在水中溶解度的差異導(dǎo)致化學(xué)風(fēng)化方式不同?；?guī)r主要以方解石的全等溶解為主；而白云巖則受制于白云石的不全等溶解[16]，風(fēng)化后殘留有較厚的白云巖砂粉。因此，水中堿土金屬元素含量的比值經(jīng)常被用來判別巖溶水的形成過程[17-18]。

森林植被對流域水文過程具有明顯的影響,但是其影響方式在不同地域不同時(shí)段的研究結(jié)論大相徑庭[19]，有些甚至相悖[20-23]。因此，需以系統(tǒng)科學(xué)思想為指導(dǎo)，以長期的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合特殊的地質(zhì)地貌背景來對具體地段進(jìn)行分析。

筆者選取國土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長期監(jiān)測點(diǎn)馬山弄拉蘭電堂表層巖溶泉域?yàn)檠芯繉ο?，對不同水文時(shí)段降水量、水化學(xué)和泉流量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討水化學(xué)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；同時(shí)，對近10年來泉水流量和水化學(xué)變化規(guī)律進(jìn)行分析，探討森林植被恢復(fù)過程中，表層巖溶系統(tǒng)水化學(xué)變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西馬山縣古零鎮(zhèn)弄拉屯(圖1)，為典型的峰叢洼地地貌。地表上處于巖溶石山區(qū)，石峰高峻陡峭，占總面積的80%左右，坡度一般大于50°。

1. 那叫組下段；2. 那叫組中段；3. 那叫組上段；4. 方解石脈斷裂破碎帶；5. 等高線(m)；6. 斷層與推測斷層；7. 地層產(chǎn)狀； 8. 泉及其編號；9. 泉域范圍；10. 道路。圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of study area

該區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有高溫多雨、降雨集中、濕度大等特點(diǎn)。多年平均氣溫20 ℃，2012年降雨量為1 323.15 mm，其中4——7月雨量占年降雨量的59.4%。年均相對濕度85%[24-25]。

弄拉地區(qū)表層巖溶帶發(fā)育較好，其厚度多達(dá)10 m以上，廣泛分布于峰頂、埡口和峰麓地帶，因而涵養(yǎng)了眾多的表層帶巖溶泉，其大多為弄拉村居民的飲用水源。該區(qū)出露地層主要為泥盆系下——中統(tǒng)那叫組(D1-2nj)。地層大致可分為3個(gè)不同的巖性段，其中：下段(D1-2nj1)為厚層——巨厚層狀淺灰、深灰、灰黑色白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r；中段(D1-2nj2)為深灰色白云巖夾生物碎屑灰?guī)r及硅質(zhì)灰?guī)r；上段(D1-2nj3)為灰——灰白色巨厚層——塊狀白云巖，質(zhì)地較純。弄拉蘭電堂表層帶巖溶泉(S01)出露地層為那叫組下段(D1-2nj1)，泉域的絕大部分位于那叫組中段(D1-2nj2)地層之中。

2 蘭電堂巖溶泉域水化學(xué)類型及成因

2.1 巖溶水化學(xué)類型及水化學(xué)成分

2012年5——12月，在弄拉蘭電堂巖溶泉口共采集11個(gè)水化學(xué)樣品，由中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所測試中心進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。其中：陰離子用離子色譜儀分析，分析精度0.01 mg/L；陽離子及微量元素用ICP-MS分析，測試精度為0.001 mg/L。按舒卡列夫分類，水化學(xué)類型均為HCO3-Ca·Mg型。

2.2 巖溶水化學(xué)成因

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析，在大氣降水向表層巖溶水的轉(zhuǎn)化過程中，首先接觸到的是上層較純的灰?guī)r含水巖組，然后在往泉口徑流過程中流經(jīng)白云巖化灰?guī)r含水巖組。視水巖相互作用速率和時(shí)間長短的不同，泉水的化學(xué)成分呈現(xiàn)出明顯不同的特征。在本研究中，發(fā)現(xiàn)ρ(Ca2+)和ρ(Mg2+)之間的相互關(guān)系可以較好地反映不同水巖相互作用時(shí)長的水化學(xué)特征，其與前期大氣降水量及降水強(qiáng)度息息相關(guān)。2012年弄拉地區(qū)逐月降水量見表2。

泉水化學(xué)成分對前期短時(shí)期內(nèi)的降水的響應(yīng)極為明顯。不同季節(jié)所取的水樣中，主要陽離子Ca2+和Mg2+質(zhì)量濃度的關(guān)系比較復(fù)雜。根據(jù)ρ(Ca2+)和ρ(Mg2+)相關(guān)關(guān)系(圖2)，11組水樣大致可分為3組：6、7月；8、9、10、12月；5、11月。

表1 弄拉蘭電堂表層巖溶泉水化學(xué)成分

注：Cond為水體電導(dǎo)率；SIc和SId分別為方解石和白云石飽和指數(shù)；空白表示缺測。

表2 弄拉地區(qū)2012年逐月降水量

在降水量低于100.0 mm且比較均勻的8、9、10及12月，采集的6個(gè)水樣的ρ(Ca2+)和ρ(Mg2+)呈良好的線性相關(guān)(R2=0.949 3)。這說明在此期間，水巖相互作用主要發(fā)生在白云巖化灰?guī)r含水層中，且水中CaCO3和CaMg(CO3)2均處于過飽和狀態(tài)，其方解石飽和指數(shù)均大于0.30，白云石飽和指數(shù)大于0.67。雖然都大于0，但依然未達(dá)到沉淀?xiàng)l件[26]，因此Ca2+和Mg2+按一定的比例輸出。在本文中，將該曲線定義為“同比例溶解線”。

△(8、9、10、12月)、□(5、11月)和◇(6、7月)分別代表3組不同降水條件下的水樣，標(biāo)注為取樣日期，如12-15表示2012年12月15日，下同。圖2 弄拉蘭電堂表層巖溶泉水ρ(Ca2+)和ρ(Mg2+)的關(guān)系Fig.2 Relationship between contents of Ca2+ and Mg2+ of Landiantang epikarst spring water, Nongla, Guangxi

6月和7月的降水量均在200.0 mm以上，此時(shí)也是植被生長旺季。在強(qiáng)降水過程中，表層巖溶帶中含水近飽和，水力坡度較小。當(dāng)含侵蝕性CO2的雨水進(jìn)入表層巖溶帶后，與前期降水混合，可以使白云石礦物中的Mg2+優(yōu)先溶解，因而泉水中ρ(Mg2+)較高，水點(diǎn)投影在等比例溶解線的上方。5月和11月所取的3個(gè)水樣的投影位于同比例溶解線下方，說明ρ(Ca2+)的輸出量相對要大。這主要是前期降水量較小，表層巖溶帶中存儲的水量較小，后期的大量降水首先經(jīng)過上覆灰?guī)r地層，侵蝕性降低，再加上自然水力坡度較大，雨水在白云巖地層中停留的時(shí)間較短，因而溶解的Mg2+較少，白云石飽和指數(shù)也小于方解石[13]。

上述分析在白云石和方解石飽和指數(shù)的關(guān)系上得到了良好的印證。以水樣的SIc為橫坐標(biāo)，SId為縱坐標(biāo)進(jìn)行成圖，發(fā)現(xiàn)8、9、10三個(gè)月水樣SIc和SId呈良好的線性關(guān)系(R2=0.992 3)。反向延長其趨勢線發(fā)現(xiàn):6月和7月的水樣飽和指數(shù)投影位于該趨勢線的上方；而5月和11月的水樣投影則位于趨勢線下方。

圖3 弄拉蘭電堂表層巖溶泉水SIc和SId的關(guān)系Fig.3 Relationship between SIc and SId of Landiantang epikarst spring water, Nongla, Guangxi

3 生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與水文動(dòng)態(tài)變化趨勢

3.1 泉水流量動(dòng)態(tài)變化

20世紀(jì)60年代初，弄拉地區(qū)天然森林被砍伐殆盡。自1964年開始封山育林，到20世紀(jì)80年代，基本上形成了以常綠闊葉林為主的喬木次生林。調(diào)查得知，弄拉表層巖溶泉在20世紀(jì)60——70年代

是季節(jié)性泉，冬季完全干涸。20世紀(jì)80年代后期，該泉恢復(fù)為常流泉。2012年最枯流量出現(xiàn)在5月30日的降水期間，豐水期流量峰值為14.8 L/s，年均流量為0.92 L/s。而根據(jù)前期監(jiān)測，2001年該泉的流量為0.01～4.71 L/s[24],說明生態(tài)環(huán)境恢復(fù)情況下，泉水流量明顯呈增加的趨勢。

3.2 巖溶水化學(xué)演化趨勢

自1994年建站以來，國土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對該泉進(jìn)行了長期的取樣分析。研究人員先后于2003年6月——2005年5月測試了11組水化學(xué)樣品[27]，于2006年5月——2006年7月間采集了11個(gè)水樣[28]，加上本次不定期采集的11個(gè)水樣，共計(jì)33個(gè)樣本，取樣的時(shí)間跨度接近10年。對其主要成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果見表3。

表3 近10年來弄拉蘭電堂泉水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)

注：*根據(jù)文獻(xiàn)[27]水化學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；**數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[28]。

圖4 弄拉蘭電堂表層巖溶動(dòng)力系統(tǒng)水化學(xué)變化趨勢Fig.4 Variation trend of main chemical compostion of Landiantang epikarst spring water in recent decade in Nongla, Guangxi

4 結(jié)論

1)在我國西南巖溶區(qū)，受巖溶作用機(jī)理的控制，地質(zhì)地貌上多形成“高山灰?guī)r、平地白云巖”的特殊巖溶形態(tài)組合，致使表層巖溶帶的發(fā)育也具有二元性結(jié)構(gòu)。由于巖溶作用方式的區(qū)別，絕大部分水樣的水化學(xué)類型均為HCO3-Ca·Mg型，但其主要陽離子Ca2+和Mg2+的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化趨勢并不明顯。相比之下，其對短期降水的稀釋效應(yīng)及森林植被的CO2效應(yīng)則非常敏感?；趯V西弄拉蘭電堂表層巖溶泉流量和水化學(xué)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)利用ρ(Ca2+)和ρ(Mg2+)、SIc和SId之間的關(guān)系，可以判別不同降水條件下泉水化學(xué)成分差異的成因。

2)通過對近10年來弄拉表層巖溶泉流量和水化學(xué)組分動(dòng)態(tài)變化研究表明，在次生森林生態(tài)功能逐步恢復(fù)的條件下，表層巖溶泉流量有增大的趨勢，其巖溶水化學(xué)中主要陰陽離子濃度亦有增加趨勢，也進(jìn)一步佐證了巖溶過程中的森林植被效應(yīng)。

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Cause and Change Trend of Water Chemistry of Epikarst System Under the Vegetation Restoration：A Case of Landiantang Epikarst Spring, Nongla, Mashan, Guangxi

Kang Zhiqiang1,2,3, He Shiyi1,3, Luo Yunyi2

1.KarstDynamicsLaboratory,MLRandGZAR,Guilin541004,Guangxi,China2.GuangxiGeologySurvey,Nanning530023,China3.InternationalResearchCentreonKarst,UNESCO,Guilin541004,Guangxi,China

Limestone and dolomite are common carbonate rocks. Because of their different karstification mechanism, the different landscape would be formed. In Southwest of China, dolomite locates on the different classes of karst basis level of erosion, while the pure limestone locates at upper the mountain. So, the epikarst zone has a duality structure because of the special strata combination. Based on the mornitoring to discharge and hydrochemistry of Landiantang epikarst spring, Nongla, Guangxi, it is found that the hydrochemical type of most water samples is HCO3-Ca·Mg. The variation trend of the Ca2+and Mg2+is not very clear in seasonal timescale. But it is more sensitive to short-term precipitation dilution and CO2effect of forest vegetation. “Equivaleng dissolution line”(EDL) is defined by the relationship between concentration of Ca2+and Mg2+. In this paper,EDLcan be used to distinguish the causes of the differences of spring hydrochemistry under different precipitation conditions. In addition, based on the analysis on nearly ten years data of the hydrochemistry and discharge data of Landiantang epikarst spring, it is shown that spring discharge and major ions concentration in karst water are all increased under the situation of vegetation restoration. All of above is further evidence of the vegetation effect in karst process.

epikarst zone; cause of water chemistry; equivaleng dissolution line; karstification intensity; Nongla, Mashan, Guangxi

10.13278/j.cnki.jjuese.201501205.

2014-05-01

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFBA019215)；國土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(14-A-02-03)；中國地質(zhì)調(diào)查局工作項(xiàng)目(12120113005100)

康志強(qiáng)(1982——)，男，高級工程師，博士，主要從事巖溶水文地質(zhì)方面的研究，E-mail:zqkang000@126.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501205

P641.134

A

康志強(qiáng)，何師意，羅允義. 表層巖溶系統(tǒng)水化學(xué)成因及植被恢復(fù)條件下變化趨勢：以廣西馬山弄拉蘭電堂泉為例.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(1):232-239.

Kang Zhiqiang, He Shiyi, Luo Yunyi. Cause and Change Trend of Water Chemistry of Epikarst System Under the Vegetation Restoration：A Case of Landiantang Epikarst Spring, Nongla, Mashan, Guangxi.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):232-239.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501205.