【摘 要】
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地球关键带作为维系地球生态系统功能、人类生存的关键区域,是目前我国乃至全世界基础科学研究的重点领域。受岩溶地区特殊的水文地质特点和资源环境问题影响,岩溶关键带研究课题也越来越受到学者们的关注。在岩溶记录与全球变化的研究工作中,利用岩溶关键带中洞穴沉积物的氧同位素和碳同位素记录来重建古气候记录的讨论研究相对较多,而微量元素相关研究较少。微量元素对局地气候和生态环境变化响应敏感,对洞穴微量元素运移的研
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地球关键带作为维系地球生态系统功能、人类生存的关键区域,是目前我国乃至全世界基础科学研究的重点领域。受岩溶地区特殊的水文地质特点和资源环境问题影响,岩溶关键带研究课题也越来越受到学者们的关注。在岩溶记录与全球变化的研究工作中,利用岩溶关键带中洞穴沉积物的氧同位素和碳同位素记录来重建古气候记录的讨论研究相对较多,而微量元素相关研究较少。微量元素对局地气候和生态环境变化响应敏感,对洞穴微量元素运移的研究有利于我们更好、更全面了解岩溶关键带的物质循环过程,为岩溶记录环境替代指标的机制解释服务。本文以河南栾川鸡冠洞洞穴系统为研究对象,于2009年10月-2020年12月期间进行连续11年的监测,采样内容包括了大气降水、土壤水、洞穴内部的池水与滴水、地下河以及地下河出口,监测指标为Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+,及电导率（EC）、溶解氧、p H值以及洞穴内部各种气候因子如温度、湿度、空气浓度、滴水点的滴速滴率等。在此基础上,为了更好研究岩溶关键带微量元素的运移机制,于2019年5月-2020年12月对鸡冠洞上覆土壤中CO2浓度、土壤温湿度进行高分辨率在线监测,并采集土壤水样。在本文中探讨了岩溶关键带微量元素在年际尺度、季节尺度、强降雨尺度下的变化特征及其影响因素,进而分析微量元素在岩溶关键带中运移的空间差异和岩溶效应,以及在全球变化大背景下年际变化对极端气候事件的响应。研究得出的主要结论如下:（1）洞穴水的微量元素Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+具有明显的年际变化特征。当外界气候条件发生变化时,洞穴水Ca2+、Mg2+、Sr2+变化比较显著,而Ba2+的变化较小。在2012-2013年、2014-2015年和2017-2018年的厄尔尼诺-拉尼娜年转化期,微量元素比值呈现明显的增加或降低的趋势。说明在年际尺度上,鸡冠洞洞穴水中Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca的变化对洞穴外干湿条件的变化比较敏感,能及时响应由大尺度环流（ENSO,El Ni（?）o-Southern Oscillation）的变化带来的气温和降水的变化,进而表明岩溶洞穴系统微量元素的变化有助于研究ENSO变率。（2）各个监测点的Ca2+、Mg2+、Ba2+和Sr2+变化具有明显的季节变化特征,说明洞穴水中各离子浓度变化在季节尺度上与气温和降水有密切的联系。微量元素比值的变化对季节性降水和气温的变化有显著的响应。季节尺度上Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca的降低指示气候湿润,降水增多;相反地,微量元素比值的升高指示气候干旱,降水减少。冬季大气降水Sr2+浓度远远大于夏季,且降尘水中各离子浓度均高于降水中的离子含量。说明旱季来自黄土高原的大气粉尘会影响鸡冠洞,从而使得研究区降水中各离子特别是Sr2+浓度升高。本文的该发现为合理解释Sr2+的变化机制提供现代观测的证据。（3）在短时间的强降雨尺度下,滴水中的Ca2+、Mg2+浓度变化表现出先升后降的特征,能较快地响应降水的变化,对暴雨的响应大约滞后3小时,而Sr2+、Ba2+浓度变化并不显著,与降水的相关性弱,推测元素在运移过程中可能收到其他因素影响。池水和地下河的元素浓度在短时间内无明显变化,并不及时响应强降雨的变化。因此在今后的研究中,应重点关注洞穴滴水这一重要的气候信息源。（4）鸡冠洞上覆土壤CO2浓度旱季低,雨季高,具有明显的季节变化特征。洞穴水微量元素变化受土壤CO2浓度变化的影响,而上覆土壤层根系呼吸和生物活性会对土壤CO2浓度变化产生影响。随着降水的逐渐增多,土壤微生物活动增强,大量的CO2产生并通过基岩裂隙进入洞穴,从而导致洞穴内部空气CO2增加、抑制洞穴水中的脱气作用,进而使得洞穴水中的微量元素比值Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca下降。干旱时期,则反之亦然。（5）岩溶关键带中Ca2+、Mg2+、Sr2+和Ba2+及其比值Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca在空间上的迁移变化既具有一致性,又存在差异。在土壤-滴水-池水-地下河-地下河出口各个环节中,离子浓度变化具有显著的相关关系,说明岩溶水自上往下运输过程中,离子浓度变化信号是相互继承、延续和传递的。洞穴滴水对上覆土壤变化具有较强的继承性,能很快响应外界环境变化,延续并传递土壤水中的信号。滴水到池水的元素迁移过程较为复杂,不同池水的元素比值变化差异较大,可能迁移过程还受到其他因素的影响,这需要以后更深入的讨论与研究。
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