貴州納朵洞滴水離子濃度變化特征及其氣候意義

＊王家錄 李憲榮

（安順學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院 貴州 561000）

石筍作為古氣候研究的載體，已經(jīng)取得舉世矚目的成就[1]，但隨著研究的不斷深入，對(duì)其氣候代用指標(biāo)應(yīng)用，也存在諸多質(zhì)疑。不僅對(duì)穩(wěn)定同位素[2-3]，而且對(duì)微量元素作為石筍古氣候研究的代用指標(biāo)，更是存在許多困惑。為了探明石筍機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的洞穴監(jiān)測(cè)研究[4-7]。Fairchild等[4]對(duì)洞穴滴水、池水、基巖成分以及滲流實(shí)驗(yàn)的研究，提出了方解石與白云石的不均勻溶解以及方解石前期沉積作用對(duì)洞穴水的Mg/Ca和Sr/Ca具有重要影響。周運(yùn)超等[5]對(duì)貴州七星洞9個(gè)滴水點(diǎn)1年的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)滴水的Mg/Ca指示了大氣降雨的變化，其值受控于洞穴頂板內(nèi)的水-土、水-巖作用下的水文地球化學(xué)過(guò)程，即巖石的溶解、方解石沉淀過(guò)程及土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)過(guò)程等。張美良等[6]對(duì)桂林盤龍洞8個(gè)滴水點(diǎn)的2年的監(jiān)測(cè)，也表明，洞穴滴水主要來(lái)源于大氣降水，受控于水-土、水-巖的相互作用。衣成城等[7]對(duì)芙蓉洞2006年3月—2009年2月3年泉水、洞穴滴水和池水的地球化學(xué)指標(biāo)監(jiān)測(cè),結(jié)合當(dāng)?shù)氐钠鳒y(cè)數(shù)據(jù),初步認(rèn)為旱季Ca2+的前期沉積作用和雨季基巖的溶蝕及雨水的稀釋作用主導(dǎo)著巖溶水中Mg/Ca與Sr/Ca的變化，這些指標(biāo)能對(duì)干旱和洪澇等極端氣候事件做出響應(yīng)。因此，由于洞穴滴水的常/微量元素指示氣候環(huán)境變化仍存在多解性和不確定性，加強(qiáng)對(duì)洞穴滴水離子濃度變化的監(jiān)測(cè)研究，為進(jìn)一步探索滴水沉積機(jī)理，解讀石筍中微量元素代用指標(biāo)對(duì)古氣候古環(huán)境信息的記錄，具有重要意義。

本文通過(guò)對(duì)2013年1月至2015年12月期間貴州省關(guān)嶺縣花江鎮(zhèn)納朵洞長(zhǎng)達(dá)3年的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析4處滴水點(diǎn)（D4、D7、D9、D11）和1處池水點(diǎn)（DC）物理化學(xué)指標(biāo)（pH、電導(dǎo)和水溫以及鈣鎂鍶離子濃度）變化特征，探討納朵洞滴水離子濃度的對(duì)降水的響應(yīng)及其氣候意義，對(duì)利用該洞穴石筍記錄來(lái)研究古氣候提供依據(jù)。

1.研究區(qū)概況與研究方法

(1)研究區(qū)概況

納朵洞（25°49′N，105°35′E）位于貴州省關(guān)嶺縣花江鎮(zhèn)響鑼村境內(nèi)，其洞口海拔1191m，離關(guān)嶺縣氣象觀測(cè)站約13.3km。洞體發(fā)育于三疊紀(jì)永寧組（T1yn）灰?guī)r或白云巖夾泥沙巖中，其上覆巖石蓋層厚度約30～85m。研究區(qū)平均氣溫為16.2℃，多年平均降雨量為1366.4mm，80%降雨量分布5—10月的雨季，11月至次年4月為旱季，降水稀少[6]，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)。

根據(jù)關(guān)嶺縣氣象資料，2013年平均氣溫為18.4℃，年降水量為644.2mm；2014年平均氣溫為16.6℃，降水量為1382.3mm；2015年平均氣溫為17.2℃，降水量為1431.9mm（圖1）。研究區(qū)2013年干旱，降水量不及多年平均降水量的一半，而2014年和2015年均超過(guò)多年平均降水量。

圖1 研究區(qū)2013—2015年月降水量分布

(2)研究方法

每月取樣1次。每次用純凈水沖洗干凈的塑料盆置于滴水點(diǎn)正下方收集滴水，達(dá)到一定量后，直接用水樣潤(rùn)洗預(yù)先準(zhǔn)備好的75ml聚乙烯瓶3次，然后裝滿水樣，現(xiàn)場(chǎng)加入1:1濃度的分析純硝酸3滴進(jìn)行酸化（以保持陽(yáng)離子的活性），然后蓋實(shí)瓶蓋、密封瓶口，帶回實(shí)驗(yàn)室，放入5℃冰柜內(nèi)冷藏，以待測(cè)試。

2.結(jié)果與分析

(1)鈣離子濃度變化特征

2013年1月—2015年12月納朵洞4處滴水點(diǎn)（D4、D7、D9、D11）和池水（DC）的Ca2+濃度數(shù)據(jù)變化情況（圖2）。納朵洞內(nèi)的4處滴水點(diǎn)（D4、D7、D9、D11）和1處池水點(diǎn)Ca2+平均濃度分別為55.6mg/L、54.0mg/L、49.7mg/L、77.5mg/L和57.2mg/L。

圖2 納朵洞滴水池水Ca2+濃度變化特征

納朵洞洞穴滴水Ca2+濃度變化表現(xiàn)出在雨季剛來(lái)時(shí)，突然下降后回升，這是由于降雨開(kāi)始時(shí)的稀釋作用。2013年納朵洞滴水和池水Ca2+濃度都呈現(xiàn)冬春低，夏秋高；2014年納朵洞滴水Ca2+濃度的變化趨勢(shì)與2013年相同，但池水相反，2015年納朵洞滴水和池水Ca2+濃度與2013年相反，冬春高夏秋低，2015年降水超過(guò)當(dāng)?shù)囟嗄昶骄邓浚笥陙?lái)時(shí)喀斯特水的流動(dòng)速度加快縮短了在洞穴水系中的滯留時(shí)間，降水量多導(dǎo)致的稀釋效應(yīng)也可能會(huì)使滴水中元素濃度出現(xiàn)一定程度的降低[9-10]，即使夏季，當(dāng)降水量達(dá)到一定程度時(shí)，Ca2+濃度也會(huì)偏低。因此，納朵洞滴水Ca2+濃度這種變化特征提醒我們不能就短暫幾年數(shù)據(jù)的來(lái)下結(jié)論，雖然季節(jié)變化明顯，但年與年之間的結(jié)論又恰恰相反，仍需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)來(lái)探索，方可找到規(guī)律和得出正確的結(jié)論。

(2)鎂離子濃度變化特征

洞穴滴水中的Mg2+濃度不僅僅受控于洞穴上覆蓋層土壤和基巖的厚度、巖性，還受控于喀斯特水運(yùn)移路徑、其對(duì)基喀斯特解能力、水-巖反應(yīng)時(shí)間等因素[11]。洞穴上覆植被、土壤層厚度差異，引起不同洞穴土壤二氧化碳產(chǎn)量不一致，最終導(dǎo)致喀斯特水溶蝕力差異，從而引起Ca、Mg濃度差異。

2013年1月—2015年12月納朵洞4處滴水點(diǎn)D4、D7、D9、D11和1處池水點(diǎn)DC的Mg2+濃度變化幅度分別為0.37～3.65mg/L、0.61～3.44mg/L、0.06～2.45mg/L、0.71～3.44mg/L和0.77～3.19mg/L，均值分別為1.73mg/L、0.97mg/L、1.37mg/L、2.61mg/L和2.34mg/L（圖3）。納朵洞滴水池水Mg2+濃度在2013年冬季低、夏季高，2014年也是冬季低、夏季高，但受強(qiáng)降水量影響，變化紊亂，池水與滴水相反，而2015年滴水和池水的變化都與2013年相反，這3年Mg2+的變化趨勢(shì)與鈣離子的變化趨勢(shì)相同。各觀測(cè)點(diǎn)Mg2+濃度均值還可以反映各觀測(cè)點(diǎn)新生沉積物情況或PCP情況（見(jiàn)今后相關(guān)研究）。

圖3 納朵洞滴水池水Mg2+濃度變化特征

(3)鍶離子濃度變化特征

據(jù)2013年1月—2015年12月的3年觀測(cè)，納朵洞洞內(nèi)4個(gè)滴水點(diǎn)（D4、D7、D9、D11）和1處池水點(diǎn)（DC）Sr2+濃度值變化幅度分別為0.011～0.386mg/L、0.009～0.226mg/L、0.014～0.184mg/L、0.202～0.371mg/L和0.047～0.365 mg/L，均值分別為0.273mg/L、0.158mg/L、0.141mg/L、0.301mg/L和0.253mg/L（圖4）。2013年納朵洞滴水池水Sr離子濃度夏秋高于冬春，也就是雨季高于旱季；2014年納朵洞4處滴水點(diǎn)D4、D7、D9、D11除D11外，其他三點(diǎn)Sr2+離子濃度在雨季來(lái)時(shí)都陡然下降，在雨季一直保持低值狀態(tài)，而池水DC在6月和7月下降后，逐漸上升，在10月接近D11后，又開(kāi)始逐漸下降。2015年納朵洞滴水池水Sr2+濃度在雨季來(lái)時(shí)有偏高趨勢(shì)，但也許由于降水多，降水的稀釋作用，所以偏高不明顯。

圖4 納朵洞滴水池水Sr2+濃度變化特征

總之，納朵洞各滴水點(diǎn)（D4、D7、D9、D11）Ca、Mg和Sr離子濃度變化大致一致，尤其Ca、Mg離子濃度變化趨勢(shì)更為接近。滴水中Ca、Mg、Sr元素在雨季來(lái)時(shí)，由于稀釋作用都有降低后回升的趨勢(shì)。研究區(qū)雨熱同期的亞熱帶季風(fēng)氣候，雨季侵蝕性CO2并向下滲透進(jìn)入洞穴水系中，喀斯特系統(tǒng)溶蝕作用增強(qiáng)[12]，這主要是氣溫對(duì)植被、細(xì)菌及土壤空氣中的CO2含量產(chǎn)生了正影響[13]。納朵洞滴水（D4、D7、D9、D11）Ca2+、Mg2+濃度對(duì)降水量響應(yīng)敏感，干旱或者降水適中的年份雨季都高于旱季，但當(dāng)降雨量超過(guò)一定量時(shí)，由于稀釋作用反而夏秋季節(jié)低于冬春季節(jié)。對(duì)于納朵洞滴水Sr2+濃度2014年異常下降，而2015年變化趨勢(shì)不同于鈣鎂離子濃度原因，還仍需進(jìn)一步觀測(cè)研究。

3.結(jié)論

通過(guò)對(duì)貴州納朵洞4處滴水點(diǎn)D4、D7、D9、D11和1處池水點(diǎn)DC從2013年1月到2015年12月3個(gè)水文年的監(jiān)測(cè)，主要結(jié)論如下：

納朵洞4處滴水點(diǎn)D4、D7、D9、D11和1處池水點(diǎn)DC的Ca2+、Mg2+、Sr2+濃度變化特征為冬春變化平緩，夏秋變化幅度大，對(duì)降水量響應(yīng)敏感，強(qiáng)降雨導(dǎo)致Ca2+和Mg2+很大波動(dòng)，Sr2+濃度異常降低。

納朵洞鈣鎂鍶離子濃度變化特征：（1）具有稀釋效應(yīng)，雨季來(lái)時(shí)有稀釋作用，其濃度會(huì)變低；（2）對(duì)降水響應(yīng)敏感，冬春變化平緩，夏秋變化振幅大；（3）由于研究區(qū)雨熱同期，鈣鎂鍶離子濃度夏季隨著溫度和雨量的增加會(huì)有所增加，降水雨量達(dá)到一定程度反而會(huì)有降低，降水量的多少會(huì)影響離子濃度的大小，強(qiáng)降雨還導(dǎo)致Ca2+和Mg2+波動(dòng)很大，Sr2+濃度異常降低。

綜上所述，納朵洞滴水離子濃度能敏感的響應(yīng)洞外大氣降水，但響應(yīng)情況比較復(fù)雜，對(duì)研究時(shí)段的背景不了解，不做長(zhǎng)期觀測(cè)研究，單憑1年或短時(shí)間的數(shù)據(jù)，或許會(huì)得出相反的結(jié)論。因此，在應(yīng)用微量元素作為石筍古氣候古環(huán)境研究的代用指標(biāo)時(shí)，尚需慎重。