重庆市龙潭槽谷石漠化区地下水动态变化及环境效应研究

发布时间：2020-09-29 06:51

　　岩溶石漠化问题是中国三大生态问题之一,更是岩溶地区首要生态问题,对区域环境、经济、社会产生巨大的消极影响。2006年~2015年我国开展石漠化治理第一期工程取得了显著效果,土地石漠化整体扩展趋势得到初步遏制,由过去持续扩展转变为净减少,岩溶地区生态状况呈良性发展态势,目前国家正推进石漠化治理第二期工程,要求总结第一期工程中有效经验和存在问题。本文以全国生态保护与建设规划、全国岩溶地区石漠化综合治理重点县重庆市酉阳县典型低位翼部型岩溶槽谷—龙潭槽谷为例,分析槽谷顺逆坡石漠化治理及石漠化程度差异的水文生态环境效应。以槽谷北段泔溪镇花椒种植区顺逆层坡地下水、坡面流为研究对象。2017年1月~2018年12月期间,除每月定期采集各监测点水样外,2018年7月4日~2018年7月6日强降雨期间采集顺逆层坡坡面流和地下水水样,对水样的环境指标、阴阳离子、碳同位素进行测定,分析槽谷顺逆层坡石漠化差异及石漠化治理对区域坡面流、地下水水文地球化学特征的影响,并探讨区域石漠化治理的生态环境效应。研究结果表明:(1)研究区地下水水化学类型为Ca-Mg-HCO_3、Ca-HCO_3和Mg-HCO_3型,反映区域白云质灰岩和白云岩对地下水水化学特征的控制。顺逆层坡地下水水化学组分对石漠化差异及治理敏感,具有明显的时空变化特征。pH值雨季偏低,变化幅度逆层坡侧大于顺层坡侧;雨季和“华西秋雨”期间电导率、Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-高于旱季,槽谷逆层坡侧整体上高于顺层坡侧;NO_3~-、SO_4~(2-)雨季和花椒树施肥期浓度高于其它时期,槽谷逆层坡侧高于顺层坡侧,且逆层坡老泉、黑崖洞浓度存在明显年际变化特征。K~+、Na~+雨季具有明显上升过程,受施肥期的影响,最高浓度值出现在旱季,槽谷顺层坡侧含量高于逆层坡侧,以顺层坡马鹿潭最为明显。(2)顺逆层坡石漠化程度差异明显,强降雨期间其坡面流、地下水的水文地球化学特征也具有显著差异。顺层坡坡面流的产生滞后降雨约2.5小时,水量较大,pH值和电导率、Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-浓度高,K~+、全Fe、Al~(3+)浓度低,具有表层岩溶带流特征;逆层坡坡面流的产生滞后降雨约3.5小时,水量较小,pH值和电导率、Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-浓度低,K~+、全Fe、Al~(3+)浓度高,具有饱和地面径流特征。顺逆层坡典型岩溶泉马鹿潭、老泉地下水水化学变化特征差异明显。降雨之前老泉pH值和电导率、HCO_3~-、Ca~(2+)浓度高于马鹿潭,降雨过程中则相反。(3)季节尺度老泉、黑崖洞、火龙洞、马鹿潭、龙洞塘δ~(13)C_(DIC)值分别介于-4.94‰~-11.62‰、-5.55‰~-12.82‰、-5.26‰~-13.94‰、-4.43‰~-11.45‰、-3.49‰~-11.93‰之间,与理论上土壤CO_2溶于水生成碳酸溶解碳酸盐岩产生DIC的δ~(13)C_(DIC)值(-14‰)偏正;强降雨期间,顺层坡坡面流δ~(13)C_(DIC)值与逆层坡相比偏负,而与之对应坡地下水的δ~(13)C_(DIC)值现象相反。分析发现监测点水体(Ca~(2+)+Mg~(2+))/HCO_3~-的摩尔比值主要介于0.5~1之间,且由(Ca~(2+)+Mg~(2+))/HCO_3~-与δ~(13)C_(DIC)关系,推断研究区碳酸盐岩风化受碳酸和外源酸共同控制,外源酸参与岩溶作用是δ~(13)C_(DIC)偏正的重要原因。逆层坡监测点老泉、黑崖洞水体NO_3~-、SO_4~(2-)浓度较高,碳酸盐岩风化更趋向于H_2SO_4、HNO_3风化端元;顺层坡监测点NO_3~-、SO_4~(2-)浓度整体较低,碳酸盐岩风化更趋向于H_2CO_3风化端元。(4)各监测点岩溶作用均受到外源酸影响,其中逆层坡监测点老泉、黑崖洞相对较大,(H_2SO_4+HNO_3)对(Ca~(2+)+Mg~(2+))的贡献率分别介于10%~70%、8%~87%,对HCO_3~-的贡献率分别介于5%~53%、4%~77%。根据H_2CO_3、H_2SO_4、HNO_3对地下水DIC的贡献率,计算出理论上地下水δ~(13)C_(DIC)值范围,实际所测δ~(13)C_(DIC)值与理论计算值偏正,推测区域石漠化现象的出现,植被覆盖率降低、土壤流失严重、基岩裸露,生物成因的土壤CO_2减少而大气CO_2增加,也是导致地下水δ~(13)C_(DIC)值偏正的原因。强降雨过程中,坡面流、地下水“二水”转化过程中δ~(13)C_(DIC)富集效应顺层坡大于逆层坡,反映出δ~(13)C_(DIC)对顺逆层坡石漠化程度差异敏感。(5)对各监测点DIC损失量计算得出:老泉ΔDIC范围为0.53mmol/L~1.32mmol/L;黑崖洞ΔDIC范围为0.59mmol/L~1.98mmol/L;火龙洞ΔDIC范围为0.17mmol/L~1mmol/L;马鹿潭ΔDIC范围为0.14mmol/L~0.78mmol/L;龙洞塘ΔDIC范围为0.27mmol/L~1.15mmol/L,表明槽谷研究区存在一定的碳损失量,反映石漠化治理后区域岩溶碳汇效应仍较弱。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X171.4;P641.7
【部分图文】：

石漠化治理,中国南方,分区图,龙潭

第 1 章绪论杰等，2006)。如图 1-1 所示，岩溶槽谷区成为西南石，2009)。重庆市酉阳县龙潭槽谷流域面积 1677km2，石漠化面积 183.48km2，分别占流域面积的 76%和 11%区。据张静(2006)、李为科等(2006)对酉阳石漠化分区水—龙潭流域，是低山农田基本建设与生态保护区，内石漠化治理的主要思路是以生态修复、水利水保与农林业和城郊型农业带动区内石漠化治理。

岩溶水文系统,概化模型

图 1-2 典型岩溶水文系统概化模型(Ford et al., 1991). 1-2 Simplified model of typical karst hydrologic system (Ford et al., 下水 DIC 来源及其 δ13CDIC特征部的元素循环、能量流动、CO2动力学与营养状况关系等过程，碳作为这一切活动的核心元素，对它的研究对于认程、元素循环及它们的相互作用具有重要的指示意义(刘，碳化合物是地下水中的常量组份，主要以无机碳 DIC(H2碳 DOC(主要是腐殖质)的形式存在(顾慰祖等，2011)。IC)的形成过程如下：首先植物吸收大气CO2进行光合作用分经过呼吸作用转化为 CO2释放入大气，再次通过光合土壤内活的或死的生物量而存储起来，经过腐烂和分解形机质受微生物作用产生土壤 CO2和溶解有机酸，溶解于入岩石圈溶蚀碳酸盐岩，产生溶解无机碳(DIC)(Fritz et al水中的 DIC 主要有三种来源，土壤或沉积物中有机质降解O2溶解和碳酸盐岩溶解，具体可用如下方程式表示(Singh

技术路线图,石漠化治理,表层岩溶泉,坡面流

化学自动监测、野外监测和室内测试等方法，将本文主要研究内容具体概括如下：(1) 开展区域水文地质调查，对影响含水层发育的地形地貌、气象、水文、岩性、构造等因素进行全面勘查观测，分析岩溶水的补给、径流与排泄特征及产流过程；(2) 对监测点进行调查和每月定期水样采集，分析泉水出露特点以及顺逆层坡水化学动态空间变化特征，并利用高分辨自动监测仪对典型岩溶地下水排泄点表层岩溶泉老泉、地下河出口龙洞塘进行重点研究。(3) 强降雨或暴雨天气条件下，对顺逆层坡坡面流、岩溶地下水进行采样分析，获取水温、水位、电导率、溶解氧、pH 值、HCO3-、Ca2+浓度及其它常规阴阳离子指标，分析顺逆层坡“二水”的转换过程中水化学变化特征。(4) 分析季节尺度地下水和强降雨期间顺逆坡层坡面流及地下水 δ13CDIC特征，探讨水体 δ13CDIC值影响因素，评价石漠化治理的生态水文效应。(5) 根据槽谷区地下水水化学特征影响因素及石漠化治理的生态环境效应，对典型表层岩溶泉水质水量进行分析，提出利用与具体保护措施。1.4.2 技术路线根据实际所需工作，拟定本文的技术路线如图 1-3 所示：

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