中国南方岩溶地区分布有3620个地下水系统,以地下河或岩溶泉的形式排泄,提供了大量的城镇和农村生活饮用、工业与灌溉用水,支撑了独特的岩溶地下生态系统。在人类活动和气候变化共同影响下,多数岩溶地下水系统遭遇水量减少或枯竭、水质恶化等问题。这些问题产生的原因有两方面,一是水环境的恶化是由明确的人类活动引起的,此时通过控制如减少污染源便可得到有效的改善。二是水环境悄然退化的情况,表现为原始的水生植物消失,进而引发微生物超标、水温升高、浊度增加等问题,导致地下水的生态功能丧失。后一个问题在岩溶地区的发生和发展具有很大的不确定性,解决这个问题也将愈加棘手。地下河出口或泉口不仅是水资源开发利用的有利位置,而且具有重要的生态价值。这些出口往往与河流交互带重叠,是地下水和地表水混合的交互带。交互带是生物地球化学过程活跃的地带,是流域地下水、地表水和水生生态环境健康的重要标志。如果交互功能减弱或丧失,地下水和地表水的健康将被破坏。尽管岩溶交互带的概念近年已有学者提出,但针对的只是饱水带岩溶管道水与周围基质的交互作用。管道与地表水的交互过程以及相关的探测和监测技术、水化学过程和生物作用等从未有涉及。本文聚焦岩溶地区交互带如何形成和演化过程,以及在改善或恶化水环境方面发挥何种功能和作用等科学问题,以中国南方典型的岩溶盆地-武鸣覆盖型盆地为例,采用水文和水化学在线观测和取样分析,水生生态系统关键群落的观测和鉴定,重要营养元素-碳含量和稳定同位素的对比,以及数学分析等方法来研究岩溶交互带的环境功能。重点解决三个科学问题:一是南方岩溶地区的交互带的定义;二是岩溶交互带的分类;三是主要交互带类型的水文地球化学过程及水生生物的相互作用机制及环境功能特征。目标是认识岩溶交互带的形成、演化及环境功能特征,理解交互带在改善或恶化水环境和水生生态系统过程的作用,为岩溶地区地下水-地表水的联合开发与管理和政策制定提供科学依据。主要研究成果体现在:(1)定义了岩溶洞穴交互带的概念。基于中国南方岩溶地下水流和排泄的特点,提出岩溶洞穴交互带是管道流与其他类型的水体发生交互的场所或区域。突破原有概念仅关注岩溶管道和基质的交互的局限性,拓展和丰富了岩溶交互带的概念和内涵。(2)划分了洞穴交互带的类型。依据岩溶的发育特征和水动力条件,将洞穴交互带分为四种:泉口交互带、落水洞交互带、天窗交互带和岩溶管道交互带。以泉口和天窗交互带最为常见和重要。剖析了每一类洞穴交互带的形成机制。(3)揭示了泉口交互带和天窗交互带的水文、水化学和水生生物功能。水文功能有弱化的趋势,表现为泉水流量减少、流速减小,河流倒灌频繁。泉口交互带主要在水平径流方向有水化学梯度,而天窗交互带以垂直方向的水化学梯度为主要特征。经过泉口交互带后,污染物离子减少显著,说明交互带仍具有一定的水化学功能。地下水出口和交互带的浮游生物种类数和丰度有差别,微生物群落结构和优势门不同,表明交互带是个活跃的“生物反应器”。但洞穴交互带的水生生物功能在退化,表现在生态系统群落结构的改变和优势种的变化,主要原因是水文功能弱化导致的。水文功能弱化是引起交互带环境功能退化的重要原因。(4)揭示了洞穴交互带的无机环境和生命元素联系的关键元素-碳的循环及其环境功能意义。碳是洞穴交互带物质循环和能量流动的关键元素。不同介质的碳元素含量及同位素值显示,洞穴交互带是溶解有机碳的“源”,其变化的频繁显示交互带的变动。碳流动的差异反映洞穴交互带的环境功能不同。(5)构建了集水动力、水化学和水生生态为一体的流域水环境健康评判理念和框架结构。当泉口交互带和河流交互带重叠时,这种类型的交互带水环境更容易退化,原因是河流的水质往往比岩溶地下水差。尽管沉水植物的消退短时间内还没有引起水生生物食物链结构的破坏,但如果水环境因子的限制条件被改变,将引起水环境和水生生态系统的剧烈演变。此情况下地下水可因更新快速而水质改善,但交互带的功能退化却使健康的水生生态系统无法恢复。研究成果不仅为岩溶地区的水文地质和水环境研究提供新的理念和视野,为该领域的研究提供新的技术和方法,也为岩溶水资源的有效管理和保护,以及水生生态系统的修复和保护提供参考。