贵州省绥阳县麻黄洞土壤渗透水-洞穴水元素变化特征及气候响应

[目的]探究白云岩洞穴上覆土壤渗透水—洞穴水水化学元素变化特征及相互关系,揭示岩溶水Ca,Mg,Sr元素比值变化与洞外气候的响应关系。[方法]以贵州省绥阳县双河洞洞穴系统中的麻黄洞为研究对象,通过麻黄洞4个洞穴水点和上覆3个土壤点土壤渗透水的定期监测、采样和室内实验,并运用统计分析方法和元素比值法对各监测指标进行比较分析。[结果]①麻黄洞上覆土壤渗透水主要水化学指标表现为旱季雨季、洞穴水主要水化学指标表现为雨季旱季的季节性变化特征。②洞穴水EC,Ca~(2+),Mg~(2+),HCO~-_3,Sr~(2+)离子浓度约为土壤渗透水的2～6倍,表明表层岩溶带岩溶过程对洞穴水水化学元素具有重要影响。③土壤渗透水对地表降雨和温度变化具有积极响应,旱季滞留于土壤中的大量矿质元素是导致4月份土壤渗透水中Ca,Mg,Sr浓度出现高值的主要原因。④洞穴水Mg/Ca、Sr/Ca比值变化及其相关性,反映了洞穴水受到来源、水—岩相互作用、洞穴水脱气沉积和先期方解石沉淀过程(PCP)等机制影响的协同性及洞穴上覆主要岩溶过程差异,因此其比值变化能够间接表现洞外温度和降雨变化。[结论]土壤渗透水、洞穴水水化学元素具有明显的月间波动和季节性变化特征,且监测点间具有显著差异。两种类型水Ca,Mg,Sr比值变化及相关性对地表降雨和温度变化具有积极响应。     

织金洞土壤渗透水—洞穴滴水元素的时空变化特征

通过对织金洞上覆岩溶泉水,土壤渗透水和洞穴滴水水化学特征的系统监测和分析,得出:在织金洞岩溶系统中,土壤渗透水、岩溶泉水和洞穴滴水元素在一年内的变化范围不一,且各主要元素均呈现有明显的季节变化特征;在3类水中,Ca~(2+)平均浓度为洞穴滴水洞顶泉水土壤渗透水,Mg~(2+),Sr~(2+)平均浓度大致是洞穴滴水土壤渗透水洞顶泉水,说明岩溶系统中各元素的变化可能是其他各种要素综合作用的结果;Mg/Ca和Sr/Ca比值的变化及其相关性,反映了其受到来源、水岩相互作用时间和方解石的优先沉积(PCP过程)等机制影响的一致性,故而其比值能反映外界气候的干湿变化。洞穴上覆的水—土、水—岩作用过程,控制了各滴水点滴水化学组成的变化。滴水点的运移路径,时间和环境条件等对降水响应的程度存在差异,因此在利用洞穴次生化学沉积物元素地球化学特征来反映洞外环境变化时,需综合考虑各元素在水—土—岩中的分布和迁移特征及其与环境因素的相互关系。     

重庆芙蓉洞洞穴水水文地球化学指标的时空变化

通过对重庆武隆芙蓉洞5个滴水点和2个池水点多个水化学指标(pH、HCO3-、EC、SO24-、Ca2+、Mg2+)以及滴水滴量和现代沉积物进行连续监测,发现芙蓉洞滴水中的物质主要来源于上覆岩层和土壤,其地球化学指标有一定的时空变化特征。由于芙蓉洞上覆土壤岩层较厚,所以5个滴水点滴量与降水量相关性不明显,洞穴滴水多数时间未能及时反映洞外当季降水量的变化。夏季上覆土壤生物活动强烈,释放更多的CO2,导致滴水pH值在夏季较低,而HCO3-含量和电导率(EC)较高,冬季则相反。洞穴滴水中SO24-含量的变化受到土壤生物过程以及基岩岩层差异的重要影响。滴水的方解石饱和指数(SIc)和pH值变化大致同步,滴水点下接收到的现代沉积物沉积速率和饱和指数有很好相关性,冬季沉积速率最快。滴水中Ca2+、Mg2+浓度变化受控于水—土—岩的相互作用,其中水源差异、活塞效应、水岩相互作用时间对其产生重要影响。洞穴水中Mg/Ca主要受Ca2+含量的影响,能够指示外界温度和降水的变化。此外,洞穴内不同分布位置的滴水,其地球化学指标空间差异主要受到各点的渗流通道、流经途径以及上覆基岩及土壤成分等差异的影响。     

金华北山洞穴水地球化学变化特征及气候指示意义

为揭示洞穴水地球化学变化特征及其气候指示意义,从2014年5月到2015年4月对金华北山双龙洞和二仙洞洞穴水进行了连续12个月的观测分析,并结合当地气温和降雨数据,得到以下结果:（1）由于受上覆岩土作用、植被、运移路径等因素的影响,不同滴水点的离子浓度变化有所差异,常年性滴水点（除Ca²⁺外）阳离子平均浓度均大于季节性滴水点、瀑布水和池水;（2）金华北山洞穴水的Ca²⁺,Mg²⁺,Ba²⁺,Sr²⁺浓度变化具有明显的季节变化特征,总体上呈现出雨季高、旱季低的特点,5—8月和次年1—4月随着降雨量的增多而升高,9—12月由于外界降雨少而处于较高的值,外界干湿是影响阳离子浓度变化的主要因素;（3）洞穴水中Mg/Ca比值对外界干湿有指示意义,但也受气温的影响;而Sr/Ca,Ba/Ca比值除了受降雨影响,还受其他因素的影响。     

喀斯特洞穴滴水水文化学过程的时空变化及其环境指示——以贵州织金洞为例

洞穴水地球化学过程的研究对于洞穴内次生沉积物景观的发育有着重要的意义,2015年1—12月通过现场滴定测量和实验室仪器分析对贵州织金洞洞穴水的水化学指标进行了为期一个完整水文年的动态监测,采样时间均为每月26—28日。结果表明:(1)洞穴滴水滴率和Ca~(2+),Mg~(2+),Sr~(2+)离子浓度均与降水量有很好的响应,但同时都表现出一定的滞后性,其中Mg~(2+),Sr~(2+)离子所携带的气候信号较为持久,Ca~(2+)离子浓度在雨季波动较大。(2)滴水水化学性质在化学计量上总体符合石灰岩喀斯特地区的侵蚀方程,Ca~(2+)/HCO_3~-的比值均在1/2上下波动;(3)滴水中的SIc和SId之间存在显著的正相关关系,滴水中的液相CO_2分压[lgPCO_2(water)]与pH值之间呈现出显著的负相关,体现了上覆土壤层中的高浓度CO_2对洞穴滴水化学过程的重要影响。(4)滴水中的Mg/Ca与Sr/Ca比值在雨季到来后的曲线变化呈现出明显的同增同减性特征,证明CaCO_3在未到达洞穴之前就已经在土壤层和基岩层中发生了优先沉积(PCP),致使运移到洞内的Ca~(2+)离子浓度相对其他离子的升高程度小;(5)滴水中Mg/Ca比值与Sr/Ca比值都有较明显的季节变化,但是Sr/Ca比值季节滞后性明显,而Mg/Ca比值年际变化更具波动性,对外界降水变化响应较敏感。     

芙蓉洞洞穴水Ca2+,Mg2+浓度变化对气候事件的响应

对重庆市芙蓉洞内的两处滴水(1#,3#)和两处池水(2#,4#)进行了定点观测和取样分析.获得了4处洞穴水的pH、电导率和Ca2+.Mg2+.K+,Na+.SO2-4,Cl-离子浓度等化学指标.结合当地的气象资料,分析研究了观测期间芙蓉洞洞穴水Ca2+,Mg2+浓度在不同季节的变化规律及其对温度和降水的响应,重点对这两种离子与2006年和2007年夏季重庆特大干旱和降水极端气候事件的响应关系进行了探讨.结果显示:Ca2+浓度呈现以年为周期每年7-12月高于1-6月的变化规律,一年中Mg2+表现出波动期与稳定期交替出现的特点,Ca2+,Mg2+浓度在2006年9月明显升高,表明其对2006年夏季特大干旱事件的响应敏感.短期干旱导致洞穴水离子浓度偏高;2007年夏季的暴雨事件后Ca2+,Md2+浓度波动较大,表明洞穴水对特大降水事件响应明显,但各个点的响应时间存在差异.     

雪玉洞上覆土壤CO2变化及对表层岩溶泉水化学特征的影响

通过对雪玉洞上方山神庙和火石垭两处土壤CO2和出露于上覆基岩中的红庙水井和一碗水两处表层岩溶泉水化学特征近1年的监测,发现各深度(20,30,60 cm)土壤CO2浓度在300～30 000 ml/m3范围内变化,呈现夏秋高、冬春低的特点.其中火石垭土壤CO2浓度在2011年10月3个不同深度土壤层都出现明显低值,指示了外界干湿条件的变化.随深度的增加,土壤CO2浓度表现出递增的趋势,但是受不同因素的影响不同地点、不同土壤层中CO2浓度的变化有所不同.表层岩溶泉水化学对土壤CO2浓度的变化具有较好的响应,Ca2+、HCO3-、电导率(EC)与土壤CO2浓度的变化趋势基本一致,呈现夏秋高、冬春低的特点.pH值与土壤CO2浓度的变化趋势相反,呈现夏秋低、冬春高的特点.全年表层岩溶泉水的方解石饱和指数(SIc)＞0,Ca2+处于饱和状态,但季节变化明显.二氧化碳分压(P(CO2))与方解石饱和指数变化趋势相反,二者在2011年10月都出现极值,反映出表层岩溶泉水化学的变化受土壤CO2影响显著.     

德州引黄灌区主要河系水化学空间特征分析

通过对德州引黄灌区主要河流及引黄灌渠水质的离子化学成分分析,探讨了引黄灌区地表水化学成分特点、水化学类型及其空间变化和主要离子来源,为长期观测引黄灌溉对该区地表水、地下水的水化学特征变化的影响及地表水、地下水的循环交换提供依据,同时为该区水环境评价以及水体污染防控提供理论指导。研究结果显示,该区地表水的pH、电导率(EC)及各主要离子含量存在明显的空间差异。水体pH的变化范围为7.65~9.34,属弱碱性水;EC的变化范围为965~1 530μs.cm 1;主要阴阳离子的浓度范围分别为:NO3 1.32~60.15 mg.L 1、SO42 53.41~781.90 mg.L 1、HCO3 143.35~823.50 mg.L 1、Cl 98.00~564.00 mg.L 1、Ca2+22.57~265.00 mg.L 1、Mg2+29.41~195.50 mg.L 1、Na+103.20~472.00 mg.L 1、K+0.83~59.05 mg.L 1。该研究区水化学类型以Na+.Ca2+—HCO3.SO42水为主。各阴离子浓度的平均值HCO3(330.45 mg.L 1)SO42(308.48mg.L 1)Cl(286.83mg.L 1)NO3(29.60 mg.L 1),阳离子浓度的平均值Na+(236.85 mg.L 1)Ca2+(98.15mg.L 1)Mg2+(82.62 mg.L 1)K+(9.05 mg.L 1)。pH、Cl的最高值均出现在马颊河流域,并且该流域Mg2+浓度均值高于其他两个流域。德惠新河流域EC、NO3和HCO3的均值最高。引黄灌渠的SO42、Na+、Ca2+和K+的平均浓度高于其他两个流域。通过Piper图分析得出,不同小流域水体类型不同。对研究区灌溉水质评价结果显示,该区地表水适合灌溉。经相关分析发现,该研究区地表水中,Ca2+、Mg2+、Na+与SO42和Cl均具有极显著的相关性,此外,Ca2+与Mg2+、Na+与K+、SO42与Cl也显示出了极显著的相关性,表明这些离子相互影响,或者具有相同的来源,受人类活动影响较大。     

滴灌施钾肥土壤水盐分布特征的田间试验

化学改良是一种有效改善土壤物理化学特征的土壤盐碱地改良方法,为将化学改良与膜下滴灌和增加土壤肥力相结合,该文通过滴灌施加硝酸钾并对土壤水盐分布特征进行分析,研究了0～30 cm耕作层内3种施K质量浓度400、800、1 000 mg/L及5种（连续、滴水-滴施硝酸钾溶液、滴施硝酸钾溶液-滴水、滴施硝酸钾溶液-滴水-滴施硝酸钾溶液、滴水-滴施硝酸钾溶液-滴水）施K方式下土壤盐分及离子的分布特征。结果表明,随着外源钾素的滴入土壤,改变了土壤耕作层内离子的组成,Ca2+、Mg2+浓度相对增加、Na+浓度降低;阴离子SO42-浓度增加,Cl-浓度降低;高施K浓度下耕作层内的总盐、钠吸附比（SAR）、Cl-/SO42-减小,滴水-滴施硝酸钾溶液施K方式下的SAR、Cl-/SO42-最小,说明滴施硝酸钾在土壤耕作层内有明显的土壤改良效果,其施K质量浓度为1 000 mg/L及滴水-滴施硝酸钾溶液施K方式下脱盐效果最好。     

干旱区施不同浓度硝酸钾对后备耕地土壤水盐的影响

采用野外试验和室内分析相结合的方法,研究施用不同量硝酸钾对新疆盐碱土水盐及离子分布的影响.结果表明:(1)随着外源硝酸钾施入土壤,土壤上层含水率增加,下层减少.(2)土壤上层的全盐含量增大,并且施钾浓度越高含盐量也越高.(3)施钾样地整个土层的Ca2+、Mg2+、SO42-浓度相对于对照地(非施钾样地)有所增加,而Na+和Cl-浓度降低.当施钾浓度为400mg/L时上层Na+浓度显著增加,可能对作物造成危害;施钾浓度达到1 000mg/L时Na+浓度变化不大,即施钾浓度越高Na+浓度越低.(4)施钾浓度为1 000 mg/L时,土壤上层钠吸附比(SAR)、Cl-/SO42-大大降低.施用硝酸钾可增加后备耕地土壤上层的含水量,减少钠吸附比(SAR)、Cl-/SO42-,有利于农作物的生长,但也增加了土壤上层的含盐量.     

贵州石漠化地区地下漏失水土理化性质特征

以贵州石漠化地区的3个洞穴为研究对象,通过对其地表土与地下漏失水土进行监测与采样分析,研究了不同地质环境条件中地表土壤与洞穴漏失水土的理化性质特征。结果表明,地表石漠化程度越高,岩溶裂隙管道的联通性越强,地下漏失水的滴率变幅越大,漏失土中的粘粒含量越低;在相同岩性条件下,石漠化程度越高,地表土壤pH值与元素含量越高;石将军洞漏失水Ca~(2+)、Mg~(2+)、Sr~(2+)浓度平均值分别为31.48,17.65,0.026mg/L,韩家冲洞分别为58.39,2.49,0.074mg/L,荣发洞分别为38.29,25.33,0.037mg/L;受岩性差异影响,韩家冲洞漏失水中的Mg~(2+)浓度相对较低,Ca~(2+)、Sr~(2+)浓度相对较高;受气候条件差异影响,荣发洞洞漏失水中的Ca~(2+)、Mg~(2+)、Sr~(2+)浓度均高于石将军洞;洞穴漏失水对漏失土长期的化学侵蚀作用导致漏失土pH值与元素含量高于地表土。     

重金属在不同温度和光照下对骆驼蓬种子萌发特征的影响

应用正交试验设计研究了不同浓度的Ni2+,Cu2+,Co2+和温度、光照组合下对骆驼蓬种子萌发特征的影响。结果表明,低浓度的Ni 2+,Cu2+,Co2+混合溶液有利于提高骆驼蓬的发芽势、发芽率和发芽指数,高浓度则表现出明显抑制性;不管混合溶液中重金属离子浓度的高低,都会不同程度地影响骆驼蓬幼苗生长,但浓度较低时抑制不显著;在Ni 2+浓度5mg/L,Cu2+浓度800mg/L,Co2+浓度400mg/L,温度25℃,光照12h处理下骆驼蓬的种子萌发快,发芽率相对较高;在不同条件作用下,骆驼蓬幼苗生长的最佳条件是Ni 2+浓度100mg/L,Cu2+浓度100mg/L,Co2+浓度50mg/L,温度25℃,光照12h。     

基于电导率和结构稳定性阳离子比的微咸水灌溉水质评估方法

电导率（Electrical Conductivity,EC）和结构稳定性阳离子比（Cation Ratio of Soil Structural Stability,CROSS）是评估微咸水对土壤渗透性能影响的重要指标。虽然CROSS全面地考虑了Na+、K+、Ca2+和Mg2+对土壤结构稳定性的复杂影响,但CROSS的离子浓度系数在不同地区的适用性存在差异,有必要根据当地的水质条件确定基于EC和CROSS评估方法的分类标准。该研究旨在分析CROSS替代钠吸附比（Sodium Adsorption Ratio,SAR）评估水质危害的合理性以及其在河套灌区的适用性。在河套灌区不同区域采集73份地下水水样,并采用EC和SAR、EC和CROSS对其进行评估。结果表明,基于2种方法的地下水分类结果中,仅有34.25%的水样分类结果相同,并且不同的CROSS计算方法（基于阳离子相对絮凝能力（Flocculation）的CROSSf、相对分散能力（Dispersion）的CROSSd和优化的（Optimal）CROSSopt）在河套灌区的适用性也不相同。建议采用CROSSd或CROSSopt,并结合土壤盐分和离子浓度评估河套灌区地下水水质。该评估方法更全面地考虑了地下水和土壤中的离子组成对土壤渗透性能的影响,有效避免了不合理的微咸水利用导致的土壤结构恶化等问题,可为微咸水的安全可持续利用提供理论支撑。     

过氧化氢增氧水的理化特性及其在黏土中入渗分析

地下滴灌的黏土通常伴随着缺氧的特征。过氧化氢增氧灌溉是改善土壤通气性的有效方法。为探讨添加过氧化氢对水的理化特性及其在土壤中入渗的影响,该研究分析了不同浓度的过氧化氢增氧水(H₂O₂浓度分别为0、600、800、1 000 mg/L)的溶解氧浓度、氧气传质系数、表面张力系数、电导率和pH值以及入渗过程。结果表明：溶解氧浓度随H₂O₂添加浓度的增大而增大,表面张力系数则呈现出相反的趋势。溶解氧浓度与表面张力系数存在良好的对数函数关系,二者可以作为过氧化氢增氧水理化特性的定量评价指标。与对照相比,过氧化氢增氧水促进了土壤水分入渗过程,提高了土壤的持水能力。土壤累积入渗量、湿润锋深度以及土壤含水率均随H₂O₂浓度的增加先上升后下降,最大值在800 mg/L处理中获得。Philip入渗模型能够较好地模拟过氧化氢增氧水的入渗过程,吸渗率随H₂O₂浓度的增加先上升后下降,最大值出现在800 mg/L处理。吸渗率与溶解氧浓度之...     

盐碱地农田排水对查干湖承泄区的水质影响评价

为了评价盐碱地农田排水对承泄区的水质影响,该文选取吉林省前郭灌区的农田排水和查干湖承泄区为研究对象,通过2009－2010年水稻生长季每月定期的野外取样、实验分析水样的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、CO32-、HCO3-、总氮、总磷和化学需氧量,研究了查干湖灌溉灌排系统至承泄区相关排水水质的时空变化,并对查干湖水质进行了评价。结果表明,查干湖承泄区对灌排系统的各水质指标有一定的累积效应。目前查干湖水体pH值平均在7.87;钠吸附比最大值（3.59 (mmolc/L)1/2）出现在5月份泡田洗盐期;总氮含量为1.22 mg/L,低于近12年平均值1.56 mg/L;6月份总磷含量最高,达0.28 mg/L。除化学需氧量超标外,其他水质参数未达到浓度限值,但在丰水期查干湖水体已属IV类水质。该研究可为查干湖承泄区的生态环境预警提供理论基础。     

洞穴水Ca2+,Mg2+含量特征及其对次生化学沉积物发育影响--以重庆武隆芙蓉洞为例

洞穴水Ca^2＋，Mg^2＋含量及其变化量是洞穴次生化学沉积物发育程度的最直接和最基础的反演载体。通过对芙蓉洞地表水、基岩水及洞穴水进行采样对比分析认为：（1）芙蓉洞洞穴水Ca^2＋，Mg^2＋含量总体变化不大，Ca^2＋离子含量为44～52mg／L．Mg^2＋离子含量为32～45mg／L。洞穴次生化学沉积物的主要物质来源是Ca^2＋离子．正处于Ca^2＋离子沉淀较为完全，而Mg^2＋离子还没来得及甚至没有开始沉淀阶段。（2）碳酸盐岩地区次生化学沉积物Ca^2＋／Mg^2＋比值在一定程度上反映了其景观发育成熟度。不同岩溶地区的岩石渗透性在很大程度上影响岩溶洞穴次生化学沉积物的发育程度及速率。（3）洞穴水Ca^2＋,Mg^2＋离子含量与洞穴次生化学沉积物发育特征关系不大。（4）10年来，芙蓉洞洞穴水Ca^2＋离子含量变化，在很大程度上影响次生化学沉积物发育度。和Mg^2＋离子关系不大。外界能量输入引起的温度升高对次生化学沉积物发育程度影响较小，而pH值的改变对它影响较明显。     

水体氮浓度对狐尾藻和金鱼藻片段萌发及生长的影响

为了厘清水体氮浓度对沉水植物片段萌发及生长的影响,通过模拟控制试验,设计了水体总氮浓度分别为0 (CK)、 0.5 mg/L (N1)、 2 mg/L (N2)、 8 mg/L (N3)和12 mg/L (N4）共5个处理,研究了水体不同氮浓度条件下狐尾藻 (Myriophyllum spicatum) 和金鱼藻 (Ceratophyllum demersum)片段(3节)萌芽数、 萌发位置、 芽长和生物量的差异。结果表明, 水体氮浓度对不同沉水植物片段萌发的影响存在差异,较高的水体氮浓度不利于狐尾藻片断萌发,而对金鱼藻片段却有一定程度的促进;氮浓度处理促进了狐尾藻顶端优势,却抑制了金鱼藻的顶端优势。狐尾藻以0.5 mg/L处理的芽长较长,生物量以2 mg/L处理最大;而金鱼藻以8 mg/L处理芽长最长,生物量以2 mg/L处理最大。由此可见,不同沉水植物对水体氮适应性存在差异,水体氮浓度较低时,沉水植物断枝可以进行萌发和生长, 而当氮浓度超过2 mg/L时,对沉水植物断枝萌发及生长反而有抑制作用;金鱼藻片段比狐尾藻对水体氮浓度的耐受性强。