李林立1,2，况明生1，张远瞩1，王建力1，谢世友1，蒋勇军1，刘 玉1
(11西南师范大学资源环境科学学院，重庆 400715;
21中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004)
摘要：通过多功能自动化监测记录仪CT DP300，对金佛山表层岩溶泉碧潭泉物理化学性质的昼夜变化过程进行了研
究。短时间尺度监测表明，岩溶动力系统对环境变化比较敏感，响应及时，水的物理化学性质昼夜动态变化在不同
气候条件下有不同表现。在无雨条件下，水温的变化与气温基本一致，电导率峰值区滞后温度数小时，这可能与植祛痘除皱美白面膜素
被从光合作用向呼吸作用转变导致大气C O 2浓度产生较大的梯度变化有关，而这种梯度十分有利于岩溶作用的进
行，但由于植被覆盖和地质构造等因素的差异，滞后时间有较大不同；在暴雨期间，虽有植被和土壤的阻挡和调蓄
作用，降雨对碧潭泉岩溶水还是有较强的稀释作用，但开始降雨后数小时左右，表层岩溶带高裂隙率和渗透性开始
发挥作用，水动力作用和C O 2效应逐渐占主导地位。
关 键 词：表层岩溶带；岩溶泉；短时间尺度；昼夜动态变化
中图分类号:T V138;P6411134 文献标识码:A 文章编号:100126791(2006)022*******
收稿日期:2004209228；修订日期:2004212230
基金项目：西南师范大学科技基金资助项目(SW NUQ2004005)；西南师范大学自然地理博士点开放基金资助项目(250-
411111)；国家自然科学基金资助项目(90202016,40231008)；中国地调局项目“实时监测站建设”
(200310400044)；重庆市科委资助项目(20027534,20048258)，国土资源部岩溶动力学重点实验室资助项目
作者简介：李林立(1977-)，男，重庆人，西南师范大学讲师，主要从事岩溶资源环境与GIS 应用研究。
E 2mail :lilinli @swnu 1edu 1cn
不同时间尺度下地球表层系统碳循环的动力学特征是全球变化研究的中心问题。岩溶过程是一种生态系统条件控制下的表层地质作用，与全球碳循环、并进一步与全球变化有密切关系。地球系统科学思维的引入，使得岩溶学发展到地球系统岩溶学，且由考虑Ca 、C 、水循环为中心的岩溶学转变开始研究岩石圈、生物圈、大气圈相互作用及其对岩溶作用的影响[1～4]。在地球表层，大气圈、岩石圈、水圈和生物圈构成了地球表层系统。而在碳酸盐岩环境中表层带岩溶生态系统是由岩石、水、植物、土壤及其上的大气构成的，它通过表层泉、岩溶裂隙、洞穴滴水及化学沉积的相互作用关系而影响岩溶的发育和演进。典型的表层带岩溶生态系统是由植被2土壤2岩溶泉2钙华构成，它的形成主要受地球表层风化作用的影响。主要特征表现为岩石裂隙化程度高、岩溶发育强烈和渗透性与下部包气带有显著不同，因而形成一个独特的上部带内含水层[5]。该含水层内的水既可以通过表层岩溶泉排泄，也可以集中补给下部包气带内的大裂隙。由于岩溶作用特殊，对环境变化敏感，又有特殊的资源环境效应[5～8]，表层岩溶带的研究日益受到重视。大量研究[9～14]不仅揭示了生物积极参与岩溶作用过程，而且对全球变化研究的碳循环模型中把一切地质作用(包括岩溶作用)列为长时间尺度作用提出质疑，其地球化学表现为明显的年季节变化、甚至日变化[15]。但由于岩溶作用地球化学行为本身
的复杂性和受监测手段的限制，未能对其日动态，尤其不同气候条件下的日动态变化有更好的了解。本文以重庆金佛山碧潭幽谷为观测点，对碧潭泉的昼夜变化进行研究，并与广西弄拉兰电堂泉已有资料进行对比分析，以探索短时间尺度的岩溶作用机理及其对环境变化的响应过程，这对进一步揭示岩溶动力学系统规律具有重要作用。
第17卷第2期
2006年3月 水科学进展ADVANCES I N W ATER SCIE NCE V ol 117,N o 12 Mar.,2006
1 研究区域概况
金佛山位于重庆市南部，位于107°E ～107°20′E ,28°50′N ～29°20′N ，整个金佛山由金佛、箐坝、柏枝3山108峰组成，总面积1300km 2。它位于我国四川盆地东南缘，是大娄山东段支脉的突异山峰，海拔1400～2251m ，属典型的喀斯特地质地貌，其最高峰———风吹岭的海拔为225111m 。金佛山位于亚热带湿润季风气候区，云雾多、日照少、雨量充沛、湿度大，山体上部多年平均气温为812℃，年均降水量约143415mm ，山体下部平均气温为1616℃，年均降水量约128615mm ，大气降水为地下水唯一补给来源。区内整个山体的上部是由二叠纪栖霞组灰岩构成，形成了海拔2000m 左右的较大面积的缓坡和平台，发育大型的地表、地下岩溶形态；山体中部由志留纪的页岩、粉砂岩组成，出露标高为1500～1000m ；山体下部由寒武纪、奥陶纪的石灰岩、白云岩构成，其小型、微型
岩溶形态发育[16]。受垂直气候带的影响，土壤分布具有明显的垂直分带性，从山底向山顶依次为黄壤、暗黄壤、黄棕壤、棕壤[17]。对金佛山各个出露的岩溶泉，笔者选择了具有代表性的岩溶泉2碧潭泉作为观测点，它位于碧潭幽谷入口处，出露海拔约600m ，基岩为寒武纪、奥陶纪的石灰岩，附近植被主要为由灯台树、朴树等构成的常绿阔叶———落叶阔叶混交林，土壤为地带性土壤———黄壤。广西弄拉兰电堂泉位于广西马山县古零镇境内，是典型的岩溶峰丛山区，年平均气温2010℃，年均降水量175616mm (2001年)，泉水补给全部来自大气降水。区内主要岩石为泥盆系东岗岭组厚层泥硅质白云岩，岩层产状平缓[18]。它属于良性生态区和石漠化之间的过度生态区，表层带厚度较大，裂隙发育。
2 研究方法
通过多功能自动化监测记录仪CT DP300(澳大利亚)，分别观测大气降水量和碧潭泉泉水的pH 、电导率、水温以及泉水堰口水位，每15min 记录一次数据。泉水的pH 、电导率、水温和泉水堰口水位的精度分别为0101、011us/cm 、0101℃和01001m ，大气降水量的精度为015mm ，观测时间为2003211226和2004201219。
3 结果与分析
311 泉水昼夜变化特征
碧潭泉位于碧潭幽谷入口处，汇水面积较大，长年不干，是当地居民主要饮用水源。根据已有的研究[19]，碧潭泉泉水的流量随降水量的减少总体上呈降低趋势，泉水水温比较稳定，约14℃左右，接近年平均气温，但变幅小，说明与外部环境2大气圈水圈密切相关。水中的Ca 2+浓度为42～52mg/L ,HC O -3浓度为311～314mm ol/L 。兰电堂泉水汇水区仅为两座山峰，面积较小(<1km 2)，但长年不干，流量在1181～55129L/s ，年均水温19165℃，接近年平均气温，水中的Ca 2+浓度为64～92mg/L ,HC O -3浓度为5～719mm ol/L 。
在正常气候条件下(无雨)，从图1、图2可以看出，碧潭泉与兰电堂泉水温的变化与气温变化基本一致，白天高，晚上低，碧潭泉在14140～14145℃之间变动，变幅0105℃，兰电堂泉在1319～1419℃之间浮动，变幅1℃，这可能是因为兰电堂泉位于次生林区，属于良性生态区和石漠化之间的过度生态区，植被对气温的调节作用小于碧潭泉，因而温度变化的作用更加明显。碧潭泉pH 与电导率有较好的负相关关系，电导率下降,pH 值升高，用SPSS 软件统计分析，二者的相关系数为-01373，但电导率和pH 与水温之间并无较好的相关关系；广西弄拉兰电堂泉水pH 与电导率无明显的相关关系，但电导率和pH 与水温呈明显的负相关相关,pH 与水温的相关系数为-01738，电导率与水温为-01602，这可能是因为兰电堂泉的构造裂隙发育，加强了水温温度变化的效应，对岩溶泉产生了复杂的影响，泉水pH 相对于电导率的变化有一定的滞后性，碧潭泉电导率在夜间10点钟左右达到最高，滞后温度8h 左右,pH 在12∶04左右达到最高，基本与温度同步；兰电堂泉电导率高值区在夜间9点附近，滞后聚氨酯筒料
最高温度约4～5h ,pH 在9∶36左右达到最高，这可能与植被的光合作用向呼吸转变有关，白天光和作用强,C O 2浓度下降，晚上光合作用减弱,C O 2浓度升高，并伴随着植被呼吸作用使大气322 第2期李林立等：典型表层岩溶泉水短时间尺度动态变化规律
C O 2浓度进一步升高，这种C O 2浓度梯度的强烈变化十分有利于岩溶作用的进行，这使得溶解的碳酸盐更多，从而导致水的电导率升高和pH 值降低，但兰电堂由于地质构造等原因，造成其pH 变化有一定滞后性。同时碧潭泉的植被好于兰电堂，缓冲了温度效应，电导率滞后时间较兰电堂长
。
图1 碧潭泉电导率、pH 和水温变化曲线(2004年1月19
日0∶00～23∶45)
Fig 11Curve of water temperature ,conductivity and pH at Bitan spring
信息包图2 兰电堂泉水电导率、pH 和水温变化曲线(2002年1月21日0∶00～23∶45)
Fig 12Curve of water temperature ,conductivity and pH at Landiantang spring
312 降水作用下岩溶泉昼夜变化特征
图3是2001年10月27日对兰电堂泉的昼夜动态监测结果,4∶42开始下雨,6∶12雨止,22∶12又下雨，累计日雨量10312mm 。从图3可以发现广西弄拉兰电堂泉水的地球化学行为对降雨过程十分敏感。在强
降雨条件下，泉水电导率快速下降,pH 值也显著下降，首先表现为水的稀释效应。随后电导率即快速上升，说明此时(开始降雨约1～2h 后)表层岩溶带的高裂隙率和渗透性[20]开始发挥作用，水的动力作用和C O 2效应[21]逐渐占据主导地位。从图4、图5可以看出碧潭泉泉水的地球物理化学行为对强降雨过程不敏感，强降雨期间，泉水的pH 、电导率和水温只是缓慢的上下波动，不过这是一种表象，由于植被的阻挡和土壤的调蓄作用，泉水流量、pH 、电导率和水温与降雨存在一定的滞后关系，分别滞后约10、13、13、13h 左右。在降雨作用下，碧潭泉电导率变化较小(3193us/cm ),pH 变化较大(将近014)，而兰电堂泉水pH 变化较小(0129)，电导率变化却很快(340us/cm )，这可能是与其基岩内部结构有关，碧潭泉岩溶水流通以管道为主，暴雨期间系统C O 2分压升高，促使更多的C O 2溶解于水中，使水的pH 快速降低，但溶解更多C O 2的水来不及与周围岩石发生反应，便很快通过岩溶管道流出来，因而造成pH 快速降低，电导率缓慢下降，而兰电堂泉水流通途径以裂隙为主，其裂隙率高达60%，岩溶动力作用强，在降雨期间，溶解的C O 2的岩溶水很快与周围的岩石发生反应，所以导422水科学进展第17卷
致电导率变化比较快。因此从降雨前后的碧潭泉和兰电堂泉pH 数值和电导率变化来看，表层岩溶地球化学行为有必要把水、岩、C O 2气体作为一个整体来解释物理化学的变化
。
图3 兰电堂泉水温、电导率与pH 变化曲线(2001年10月27日0∶00～23∶45)
Fig 13Curve of water temperature ,conductivity and pH at
Landiantang spring
测井设备图5 碧潭泉水温、电导率与pH
点火装置
变化曲线(2003年11月26日0∶00～23∶45)F ig 15Curve of water tem perature ,conductivity and pH at Bitan s pring 图4 碧潭泉降雨量与水位变化曲线
(2003年11月26日0∶00～23∶45)
Fig 14Curve of rain fall and water level at Bitan spring 4 结 论
(1)较短时间尺度监测表明，虽有植被和土壤的阻挡和调蓄，岩溶表层系统对环境反应还是比较敏感的，其地球化学行为表现为明显的昼夜变化，且在不同气候条件下，水的物理化学动态变化有不同的表现。
(2)降水对岩溶泉有较强的稀释作用，但在降雨数小时后，表层岩溶高裂隙率和渗透性开始发挥作用，水动力作用和C O 2效应逐渐占主导地位。
(3)在无雨条件下，水温的变化与气温基本一致，电导率峰值区滞后温度数小时，这可能与植被从光合
作用向呼吸作用转变导致大气C O 2浓度产生较大的梯度变化有关，而这种梯度十分有利于岩溶作用的进行，但由于植被覆盖和地质构造等因素的差异，滞后时间有较大不同。
我们对碧潭泉做了详细观测，根据所得的数据，与广西弄拉兰电堂泉的资料进行对比分析，对典型表层岩溶泉化学性质的短时间变化规律只作了初步的研究，还有许多问题有待进一步探索。
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Study on diurnal change of physic2chemistry of karst spring of epikarst system LI Lin2li1,2,K UANG Ming2sheng1,ZH ANG Y uan2zhu1,W ANGJian2li1,XIE shi2y ou1,J I ANG Y ong2jun1,LI U Y u1 (11College o f Resources and Environment Science,Southwest China Normal Univer sity,Chongqing400715,China;
21Institurte o f Kar st G eology,Chinese Academy o f G eological Science,Kar st Dynamics Laboratory,
Ministry o f Land and Resources,Guilin541004,China)
Abstract:Mt1Jin fo,a karst dynamic system m onitoring site,lies in Nanchuan city,Chongqing province1The data from the site′s automatic records(CT DP300)indicates that the karst dynamic system is highly sensitive to the environment1The physi2 co2chemical variation of the epikarst spring water is quite different under different climatic condition1In normal days without rain fall,water tem perature and air tem perature have the same variation,and its peak zone lags behind the top tem perature for several hours1This is probably attributed to the gradient of C O2concentration in atm osphere caused by the conversation of veg2 etation from photosynthesis,which is helpful to the karst process1Furtherm ore there is difference in the time behind the top tem perature because of the vegetation cover and the geographical structure1At the beginning of a rainstorm,the physico2chemi2 cal variation of spring is mainly controlled by the dilute effect with the adjusting of vegetation and s oil1It can last for the entire rain fall process,but several hours later,the hydrodynamic effect and the C O2effect will occupy the dominant position due to the high fissure rate and permeability in epikarst zone1S o it is necessary to explain the hydrochemical behavior of epikarst pro2 cess in the water2rock2C O2system1
K ey w ords:epikarst zone;karst spring;short2term time scale;diurnal variation
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