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洞穴次生化学沉积物(Speleothem),尤其是石笋(stalagmite),与深海沉积物、黄土、树轮、冰芯等一样,是记录过去气候、环境变化历史的重要自然档案,其具有可准确定年、分布广泛、时间跨度大以及代用指标丰富等特征,使其成为当前古气候、古环境研究的热点之一,并取得了不少有价值的研究成果。尽管在我国西南岩溶地区,缺少类似北方的巨厚黄土堆积,但本地区的岩溶发育,且连片分布,其而积居世界首位,其岩溶洞穴广泛分布,因此,在对该区过去气候、环境变化的研究中,洞穴次生化学沉积物担负起了与我国北方巨厚黄土古气候重建一样的角色。
但是,由于洞穴次生化学沉积物环境替代指标的形成过程极其复杂,从气候信号的输入到洞穴次生化学沉积记录的输出,其间的信号转换经历了复杂的物理、化学、生物和水文地质等过程,因此,在不同气候与环境条件下,水体与各层介质(包括植被—土壤层、表层岩溶带和潜水带等)之间发生的各种作用决定了环境替代指标的真实涵义。虽然,众多研究者已经意识到这些替代指标的形成过程及其影响因素、适用性等方面的研究的重要性,但这方面的工作还比较薄弱。而洞穴滴水作为联系洞穴上覆植被—土壤系统和次生化学沉积物的纽带,是次生化学沉积物与地表气候和表层生态环境之间的信号传输者。因此,对洞穴滴水连续监测及其上覆系统各组分地球化学背景的调查研究,不仅有助于理解上覆植被—土壤系统中物质/元素的运移过程,而且对了解洞穴次生化学沉积物的形成过程及其对外界气候和环境的响应机理也具有重要的意义。
本研究以期利用锶、钙同位素为手段,并结合其他地球化学特征示踪西南岩溶地区贵州凉风洞、七星洞洞穴系统内滴水及其对应次生化学沉积物的物质来源,揭示次生化学沉积物环境替代指标对外界气候、环境的响应机制,探讨水文地球化学过程对稳定碳同位素信号传递的影响,并最终为利用洞穴次生化学沉积物记录的87Sr/86sr指标反演古气候环境提供理论支持。根据分析论述,本研究主要取得了以下几点认识:
1.本研究区域内,外来物源很少或几乎没有,低背景值的大气降水降落到地表,进入土壤层形成土壤水,其中各种阴阳离子浓度均表现出不同程度的升高说明:植被—土壤系统中不同组分物质在各种物理、化学及生物作用下控制着土壤水的物质组成,即土壤水中的各种元素主要源白表生植被—土壤系统中的各组分;而且土壤水锶同位素组成也显示出其物质来源主要为水体下渗路径中,不同87Sr/86Sr特征背景的物质。此外,由于凉风洞上覆大量岩石出露,土壤分布不连续,且厚度不均,所以不同剖面中的土壤水锶同位素组成表现出明显的差异,这表明水体流经土壤层的路径不同,导致不同87Sr/86Sr特征组分对土壤水的相对物质贡献差异,因此,土壤水87Sr/86Sr比值特征也就不尽相同。
2.凉风洞洞穴滴水水化学类型为Ca·Mg—HCO3型,即Ca2+、Mg2+、HCO3-占据了水溶液中阴阳离子的主导地位;与上覆土壤水离子浓度相比,凉风洞滴水的Ca2+、Sr2+、HCO3-浓度均不同程度的升高,而Mg2+离子浓度几乎相当、Ba2+则明显降低,这可能指示了凉风洞滴水中Mg离子对上覆土壤水的良好继承性;而又受控于本地区地层的岩性(灰色、浅灰色厚层块状生物灰岩),土壤水进一步向下运移的过程中,渗流水对基岩(碳酸盐岩)的溶蚀作用同样制约着洞穴滴水的Ca2+、Sr2+、HCO3-浓度特征变化,而Ba2+浓度因为其本身的性质,在下渗过程中被固定而减小。此外,凉风洞滴水的元素比值(Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca)季节变化因为洞穴滴水Ca2+离子浓度的变化,受控于对本地区岩溶作用对土壤CO2分压的敏感性,雨季,渗流水溶蚀能力强,大量基岩被溶解促使滴水Ca2+浓度升高:旱季,则相反。但是,滴水Mg/Ca比值在雨季中后期也出现了次高峰,暗示着滴水对外界降水事件的响应,即洞穴滴水响应雨季降水对土壤层中的Mg2+的快速淋滤。可见,凉风洞滴水元素比值波动显示出对外界气候、环境变化的不同响应。
3.凉风洞、七星洞洞穴系统内,不同滴水点间87Sr/86Sr比值差异显著,这可能是由于水体运移路径不同导致滞留时间、水文地质过程、不同来源水混合等因素差异影响洞穴滴水的物质来源,致使各组分对滴水的物质相对贡献不同。七星洞滴水87Sr/86Sr比值与1/Sr之间的极显著的正相关指示其物源符合两端元混合模式,计算得知,基岩对QXD-1＃、4＃和9＃滴水的贡献率不同,分别为40.8％、57.6%和72.4%:虽然凉风洞滴水87Sr/86Sr比值与1/Sr之间的相关性不强,但也呈现出正相关关系,这可能是因为凉风洞洞穴上覆的植被差异所致,其茂密的原生林每年凋落物归还量较大,这些返还土壤的凋落物是土壤水主要的物源之一;并且由于凉风洞上覆大量岩石出露,土壤破碎,不同剖面的地球化学背景控制了土壤水的物质组成。凉风洞滴水对外界降水事件的快速响应以及不同米源水的混合影响了本洞穴滴水的物源。
4.凉风洞、七星洞洞穴滴水锶同位素特征所指示的基岩相对贡献率和稳定碳同位素信号之间的关系表明:虽然在洞穴顶板层内,基岩无机碳的加入与水体运移中CO2的优先逃逸诱发的PCP过程均会导致滴水δ13CDIC值偏重,但通过锶同位素比值的分析发现,土壤水δ13CDIC信号向滴水传递的过程中,洞穴滴水δ13CDIC信号变化主要由水流路径中的PCP过程控制,而洞穴基岩溶解的影响较
5.外来物质输入很少或几乎没有,洞穴滴水物源主要是上覆植被—土壤层和洞穴碳酸盐同岩,滴水及其对应次生化学沉积物的87Sr/86Sr比值变化由土壤及基岩物质相对贡献所控制。通过对比分析发现,七星洞内次生化学沉积物的锶同位素特征与对应滴水的S7Sr/86Sr比值相对应:而凉风洞滴水87Sr/86Sr比值在时间尺度上的波动响应了外界气候条件所控制的上覆土壤风化强度变化。因此,可采用本地区洞穴次生化学沉积物记录的锶同位素特征表征上覆土壤的化学风化强度,进而反映该区域季风气候、环境变化。不过,利用洞穴次生化学沉积物87Sr/86Sr指标指示过去的气候、环境变化时,有必要详细调查渗流水运移路径中,水文地质过程、不同水源混合等作用对外界气候、环境信息的干扰。
6.凉风洞上覆原生林生态系统中,不同组分的钙同位素特征差异显著。尽管由于所测数据还不系统,还需要进行更多详细的研究,但初步分析发现,δ44/40Ca具有作为研究水—岩—植被界面的生物地球化学循环过程的示踪剂潜力。研究区域内,不同植物叶的δ44/40Ca值相似,相对于基岩和土壤δ44/40Ca值均偏轻,这表明植物生长过程中,会优先吸收较轻的40Ca。凉风洞不同洞穴滴水点间(LFD-1＃和5＃)的滴水δ44/40Ca值几乎没有差异,且与洞穴围岩的δ44/40Ca值相当,说明其物源主要为洞穴顶板层的碳酸盐围岩,但由于缺乏土壤水的钙同位素组成数据,对于不同组分的相对贡献需要进一步的研究。
由此可见,本研究中,凉风洞和七星洞洞穴滴水/次生化学沉积物的主要物质来源为上覆植被—土壤层及洞穴围岩,而且,洞穴滴水及其对应次生化学沉积物的元素地球化学特征及锶同位素特征响应外界气候、环境的变化,因此,采用本地区的洞穴次生化学沉积物记录的地球化学指标指示过去气候、环境的波动是可行的,但是有必要详细调查渗流水运移路径中,水文地质过程。不同水源混合等作用对上覆气候、环境信息的干扰。此外,虽然本研究中样品的钙同位素分析不够系统,但初步结果仍然显示其具有示踪水—岩—植被界面的生物地球化学循环过程的潜力。