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

（安順學院資源與環境工程學院 貴州 561000）

石筍作為古氣候研究的載體，已經取得舉世矚目的成就[1]，但隨著研究的不斷深入，對其氣候代用指標應用，也存在諸多質疑。不僅對穩定同位素[2-3]，而且對微量元素作為石筍古氣候研究的代用指標，更是存在許多困惑。為了探明石筍機理，國內外學者開展了大量的洞穴監測研究[4-7]。Fairchild等[4]對洞穴滴水、池水、基巖成分以及滲流實驗的研究，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洞穴水的Mg/Ca和Sr/Ca具有重要影響。周運超等[5]對貴州七星洞9個滴水點1年的監測，發現滴水的Mg/Ca指示了大氣降雨的變化，其值受控于洞穴頂板內的水-土、水-巖作用下的水文地球化學過程，即巖石的溶解、方解石沉淀過程及土壤物理、化學、生物學過程等。張美良等[6]對桂林盤龍洞8個滴水點的2年的監測，也表明，洞穴滴水主要來源于大氣降水，受控于水-土、水-巖的相互作用。衣成城等[7]對芙蓉洞2006年3月—2009年2月3年泉水、洞穴滴水和池水的地球化學指標監測,結合當地的器測數據,初步認為旱季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著巖溶水中Mg/Ca與Sr/Ca的變化，這些指標能對干旱和洪澇等極端氣候事件做出響應。因此，由于洞穴滴水的常/微量元素指示氣候環境變化仍存在多解性和不確定性，加強對洞穴滴水離子濃度變化的監測研究，為進一步探索滴水沉積機理，解讀石筍中微量元素代用指標對古氣候古環境信息的記錄，具有重要意義。

本文通過對2013年1月至2015年12月期間貴州省關嶺縣花江鎮納朵洞長達3年的動態監測，分析4處滴水點（D4、D7、D9、D11）和1處池水點（DC）物理化學指標（pH、電導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降水的響應及其氣候意義，對利用該洞穴石筍記錄來研究古氣候提供依據。

1.研究區概況與研究方法

(1)研究區概況

納朵洞（25°49′N，105°35′E）位于貴州省關嶺縣花江鎮響鑼村境內，其洞口海拔1191m，離關嶺縣氣象觀測站約13.3km。洞體發育于三疊紀永寧組（T1yn）灰巖或白云巖夾泥沙巖中，其上覆巖石蓋層厚度約30～85m。研究區平均氣溫為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]，屬中亞熱帶季風性濕潤氣候區。

根據關嶺縣氣象資料，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年均超過多年平均降水量。

圖1 研究區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正下方收集滴水，達到一定量后，直接用水樣潤洗預先準備好的75ml聚乙烯瓶3次，然后裝滿水樣，現場加入1:1濃度的分析純硝酸3滴進行酸化（以保持陽離子的活性），然后蓋實瓶蓋、密封瓶口，帶回實驗室，放入5℃冰柜內冷藏，以待測試。

2.結果與分析

(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（D4、D7、D9、D11）和池水（DC）的Ca2+濃度數據變化情況（圖2）。納朵洞內的4處滴水點（D4、D7、D9、D11）和1處池水點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+濃度變化表現出在雨季剛來時，突然下降后回升，這是由于降雨開始時的稀釋作用。2013年納朵洞滴水和池水Ca2+濃度都呈現冬春低，夏秋高；2014年納朵洞滴水Ca2+濃度的變化趨勢與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年降水超過當地多年平均降水量，大雨來時喀斯特水的流動速度加快縮短了在洞穴水系中的滯留時間，降水量多導致的稀釋效應也可能會使滴水中元素濃度出現一定程度的降低[9-10]，即使夏季，當降水量達到一定程度時，Ca2+濃度也會偏低。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據的來下結論，雖然季節變化明顯，但年與年之間的結論又恰恰相反，仍需長期監測來探索，方可找到規律和得出正確的結論。

(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移路徑、其對基喀斯特解能力、水-巖反應時間等因素[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量不一致，最終導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D4、D7、D9、D11和1處池水點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+的變化趨勢與鈣離子的變化趨勢相同。各觀測點Mg2+濃度均值還可以反映各觀測點新生沉積物情況或PCP情況（見今后相關研究）。

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2013年1月—2015年12月的3年觀測，納朵洞洞內4個滴水點（D4、D7、D9、D11）和1處池水點（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D4、D7、D9、D11除D11外，其他三點Sr2+離子濃度在雨季來時都陡然下降，在雨季一直保持低值狀態，而池水DC在6月和7月下降后，逐漸上升，在10月接近D11后，又開始逐漸下降。2015年納朵洞滴水池水Sr2+濃度在雨季來時有偏高趨勢，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（D4、D7、D9、D11）Ca、Mg和Sr離子濃度變化大致一致，尤其Ca、Mg離子濃度變化趨勢更為接近。滴水中Ca、Mg、Sr元素在雨季來時，由于稀釋作用都有降低后回升的趨勢。研究區雨熱同期的亞熱帶季風氣候，雨季侵蝕性CO2并向下滲透進入洞穴水系中，喀斯特系統溶蝕作用增強[12]，這主要是氣溫對植被、細菌及土壤空氣中的CO2含量產生了正影響[13]。納朵洞滴水（D4、D7、D9、D11）Ca2+、Mg2+濃度對降水量響應敏感，干旱或者降水適中的年份雨季都高于旱季，但當降雨量超過一定量時，由于稀釋作用反而夏秋季節低于冬春季節。對于納朵洞滴水Sr2+濃度2014年異常下降，而2015年變化趨勢不同于鈣鎂離子濃度原因，還仍需進一步觀測研究。

3.結論

通過對貴州納朵洞4處滴水點D4、D7、D9、D11和1處池水點DC從2013年1月到2015年12月3個水文年的監測，主要結論如下：

納朵洞4處滴水點D4、D7、D9、D11和1處池水點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，對降水量響應敏感，強降雨導致Ca2+和Mg2+很大波動，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，雨季來時有稀釋作用，其濃度會變低；（2）對降水響應敏感，冬春變化平緩，夏秋變化振幅大；（3）由于研究區雨熱同期，鈣鎂鍶離子濃度夏季隨著溫度和雨量的增加會有所增加，降水雨量達到一定程度反而會有降低，降水量的多少會影響離子濃度的大小，強降雨還導致Ca2+和Mg2+波動很大，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洞外大氣降水，但響應情況比較復雜，對研究時段的背景不了解，不做長期觀測研究，單憑1年或短時間的數據，或許會得出相反的結論。因此，在應用微量元素作為石筍古氣候古環境研究的代用指標時，尚需慎重。