贵州纳朵洞滴水离子浓度变化特征及其气候意义

＊王家录 李宪荣

（安顺学院资源与环境工程学院 贵州 561000）

石笋作为古气候研究的载体，已经取得举世瞩目的成就[1]，但随着研究的不断深入，对其气候代用指标应用，也存在诸多质疑。不仅对稳定同位素[2-3]，而且对微量元素作为石笋古气候研究的代用指标，更是存在许多困惑。为了探明石笋机理，国内外学者开展了大量的洞穴监测研究[4-7]。Fairchild等[4]对洞穴滴水、池水、基岩成分以及渗流实验的研究，提出了方解石与白云石的不均匀溶解以及方解石前期沉积作用对洞穴水的Mg/Ca和Sr/Ca具有重要影响。周运超等[5]对贵州七星洞9个滴水点1年的监测，发现滴水的Mg/Ca指示了大气降雨的变化，其值受控于洞穴顶板内的水-土、水-岩作用下的水文地球化学过程，即岩石的溶解、方解石沉淀过程及土壤物理、化学、生物学过程等。张美良等[6]对桂林盘龙洞8个滴水点的2年的监测，也表明，洞穴滴水主要来源于大气降水，受控于水-土、水-岩的相互作用。衣成城等[7]对芙蓉洞2006年3月—2009年2月3年泉水、洞穴滴水和池水的地球化学指标监测,结合当地的器测数据,初步认为旱季Ca2+的前期沉积作用和雨季基岩的溶蚀及雨水的稀释作用主导着岩溶水中Mg/Ca与Sr/Ca的变化，这些指标能对干旱和洪涝等极端气候事件做出响应。因此，由于洞穴滴水的常/微量元素指示气候环境变化仍存在多解性和不确定性，加强对洞穴滴水离子浓度变化的监测研究，为进一步探索滴水沉积机理，解读石笋中微量元素代用指标对古气候古环境信息的记录，具有重要意义。

本文通过对2013年1月至2015年12月期间贵州省关岭县花江镇纳朵洞长达3年的动态监测，分析4处滴水点（D4、D7、D9、D11）和1处池水点（DC）物理化学指标（pH、电导和水温以及钙镁锶离子浓度）变化特征，探讨纳朵洞滴水离子浓度的对降水的响应及其气候意义，对利用该洞穴石笋记录来研究古气候提供依据。

1.研究区概况与研究方法

(1)研究区概况

纳朵洞（25°49′N，105°35′E）位于贵州省关岭县花江镇响锣村境内，其洞口海拔1191m，离关岭县气象观测站约13.3km。洞体发育于三叠纪永宁组（T1yn）灰岩或白云岩夹泥沙岩中，其上覆岩石盖层厚度约30～85m。研究区平均气温为16.2℃，多年平均降雨量为1366.4mm，80%降雨量分布5—10月的雨季，11月至次年4月为旱季，降水稀少[6]，属中亚热带季风性湿润气候区。

根据关岭县气象资料，2013年平均气温为18.4℃，年降水量为644.2mm；2014年平均气温为16.6℃，降水量为1382.3mm；2015年平均气温为17.2℃，降水量为1431.9mm（图1）。研究区2013年干旱，降水量不及多年平均降水量的一半，而2014年和2015年均超过多年平均降水量。

图1 研究区2013—2015年月降水量分布

(2)研究方法

每月取样1次。每次用纯净水冲洗干净的塑料盆置于滴水点正下方收集滴水，达到一定量后，直接用水样润洗预先准备好的75ml聚乙烯瓶3次，然后装满水样，现场加入1:1浓度的分析纯硝酸3滴进行酸化（以保持阳离子的活性），然后盖实瓶盖、密封瓶口，带回实验室，放入5℃冰柜内冷藏，以待测试。

2.结果与分析

(1)钙离子浓度变化特征

2013年1月—2015年12月纳朵洞4处滴水点（D4、D7、D9、D11）和池水（DC）的Ca2+浓度数据变化情况（图2）。纳朵洞内的4处滴水点（D4、D7、D9、D11）和1处池水点Ca2+平均浓度分别为55.6mg/L、54.0mg/L、49.7mg/L、77.5mg/L和57.2mg/L。

图2 纳朵洞滴水池水Ca2+浓度变化特征

纳朵洞洞穴滴水Ca2+浓度变化表现出在雨季刚来时，突然下降后回升，这是由于降雨开始时的稀释作用。2013年纳朵洞滴水和池水Ca2+浓度都呈现冬春低，夏秋高；2014年纳朵洞滴水Ca2+浓度的变化趋势与2013年相同，但池水相反，2015年纳朵洞滴水和池水Ca2+浓度与2013年相反，冬春高夏秋低，2015年降水超过当地多年平均降水量，大雨来时喀斯特水的流动速度加快缩短了在洞穴水系中的滞留时间，降水量多导致的稀释效应也可能会使滴水中元素浓度出现一定程度的降低[9-10]，即使夏季，当降水量达到一定程度时，Ca2+浓度也会偏低。因此，纳朵洞滴水Ca2+浓度这种变化特征提醒我们不能就短暂几年数据的来下结论，虽然季节变化明显，但年与年之间的结论又恰恰相反，仍需长期监测来探索，方可找到规律和得出正确的结论。

(2)镁离子浓度变化特征

洞穴滴水中的Mg2+浓度不仅仅受控于洞穴上覆盖层土壤和基岩的厚度、岩性，还受控于喀斯特水运移路径、其对基喀斯特解能力、水-岩反应时间等因素[11]。洞穴上覆植被、土壤层厚度差异，引起不同洞穴土壤二氧化碳产量不一致，最终导致喀斯特水溶蚀力差异，从而引起Ca、Mg浓度差异。

2013年1月—2015年12月纳朵洞4处滴水点D4、D7、D9、D11和1处池水点DC的Mg2+浓度变化幅度分别为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，均值分别为1.73mg/L、0.97mg/L、1.37mg/L、2.61mg/L和2.34mg/L（图3）。纳朵洞滴水池水Mg2+浓度在2013年冬季低、夏季高，2014年也是冬季低、夏季高，但受强降水量影响，变化紊乱，池水与滴水相反，而2015年滴水和池水的变化都与2013年相反，这3年Mg2+的变化趋势与钙离子的变化趋势相同。各观测点Mg2+浓度均值还可以反映各观测点新生沉积物情况或PCP情况（见今后相关研究）。

图3 纳朵洞滴水池水Mg2+浓度变化特征

(3)锶离子浓度变化特征

据2013年1月—2015年12月的3年观测，纳朵洞洞内4个滴水点（D4、D7、D9、D11）和1处池水点（DC）Sr2+浓度值变化幅度分别为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，均值分别为0.273mg/L、0.158mg/L、0.141mg/L、0.301mg/L和0.253mg/L（图4）。2013年纳朵洞滴水池水Sr离子浓度夏秋高于冬春，也就是雨季高于旱季；2014年纳朵洞4处滴水点D4、D7、D9、D11除D11外，其他三点Sr2+离子浓度在雨季来时都陡然下降，在雨季一直保持低值状态，而池水DC在6月和7月下降后，逐渐上升，在10月接近D11后，又开始逐渐下降。2015年纳朵洞滴水池水Sr2+浓度在雨季来时有偏高趋势，但也许由于降水多，降水的稀释作用，所以偏高不明显。

图4 纳朵洞滴水池水Sr2+浓度变化特征

总之，纳朵洞各滴水点（D4、D7、D9、D11）Ca、Mg和Sr离子浓度变化大致一致，尤其Ca、Mg离子浓度变化趋势更为接近。滴水中Ca、Mg、Sr元素在雨季来时，由于稀释作用都有降低后回升的趋势。研究区雨热同期的亚热带季风气候，雨季侵蚀性CO2并向下渗透进入洞穴水系中，喀斯特系统溶蚀作用增强[12]，这主要是气温对植被、细菌及土壤空气中的CO2含量产生了正影响[13]。纳朵洞滴水（D4、D7、D9、D11）Ca2+、Mg2+浓度对降水量响应敏感，干旱或者降水适中的年份雨季都高于旱季，但当降雨量超过一定量时，由于稀释作用反而夏秋季节低于冬春季节。对于纳朵洞滴水Sr2+浓度2014年异常下降，而2015年变化趋势不同于钙镁离子浓度原因，还仍需进一步观测研究。

3.结论

通过对贵州纳朵洞4处滴水点D4、D7、D9、D11和1处池水点DC从2013年1月到2015年12月3个水文年的监测，主要结论如下：

纳朵洞4处滴水点D4、D7、D9、D11和1处池水点DC的Ca2+、Mg2+、Sr2+浓度变化特征为冬春变化平缓，夏秋变化幅度大，对降水量响应敏感，强降雨导致Ca2+和Mg2+很大波动，Sr2+浓度异常降低。

纳朵洞钙镁锶离子浓度变化特征：（1）具有稀释效应，雨季来时有稀释作用，其浓度会变低；（2）对降水响应敏感，冬春变化平缓，夏秋变化振幅大；（3）由于研究区雨热同期，钙镁锶离子浓度夏季随着温度和雨量的增加会有所增加，降水雨量达到一定程度反而会有降低，降水量的多少会影响离子浓度的大小，强降雨还导致Ca2+和Mg2+波动很大，Sr2+浓度异常降低。

综上所述，纳朵洞滴水离子浓度能敏感的响应洞外大气降水，但响应情况比较复杂，对研究时段的背景不了解，不做长期观测研究，单凭1年或短时间的数据，或许会得出相反的结论。因此，在应用微量元素作为石笋古气候古环境研究的代用指标时，尚需慎重。