地球关键带是维系地球生态系统功能和人类生存的关键区域。岩溶关键带是地球关键带的类型之一。我国西南岩溶面积约为54万平方千米,是全球三大岩溶集中分布区中连片裸露碳酸盐岩面积最大的地区。岩溶关键带由于碳酸盐岩的特殊理化性质及所形成的地貌特征,在垂向界面上有两个主要的特点:土层薄且分布不连续和“土在楼上,水在楼下”的水土资源空间分布格局,造成岩溶关键带在垂向界面有更为错综复杂的相互作用关系,这些界面的不同使得岩溶关键带具有更为尖锐和突出的资源环境问题,如水土流失和石漠化严重、生物多样性低、生产量和环境容量低,抗外界干扰的阈值低,生态修复难度大且时间长等。岩溶关键带植被-表层岩溶水界面对岩溶关键带发生的各种过程具有重要的控制作用,把握这界面为人为调控关键带过程提供了重要的切入点。岩溶地下水和植被是岩溶关键带中最敏感的两个自然要素,地下水是岩溶区植被生存的主要水源,植被对地下水有重要的调蓄作用。但是,岩溶关键带植被冠层对降雨的截留过程及对降雨的响应仍然不清楚,岩溶关键带石生植物的水分来源及控制因素的解译存在很多不确定性,且裸露型岩溶区石生植物的水分来源及液流速率如何应对地下水埋深响应研究至今仍无报道,难以判断岩溶关键带特有的双层地下空间结构对植物蒸腾耗水起阻碍还是促进作用。因此,本文依托广西桂林丫吉国土资源部野外观测台站,分析了岩溶关键带森林和灌丛两种不同冠层的降雨、穿透雨、树干茎流、钻孔和表层岩溶泉的水量和水化学特征,利用氢氧稳定同位素分析表层岩溶泉水对降雨事件的响应。结合氢氧稳定同位素技术和热比率法,探索四种不同地下水深度下植物水分吸收来源和蒸腾耗水时空动态特征及对地下水水位的响应,得到以下主要的认识和结论:1.冠层截留对表层岩溶水水量/水化学的影响及降雨响应通过西南地区森林和灌丛两种不同冠层的降雨、穿透雨、树干茎流、钻孔和表层岩溶泉的垂直剖面的水量和化学性质分析,比较两个不同植物群落中冠层截留对表层岩溶水化学的影响,结果显示:在水量上,植被冠层改变了降雨对表层岩溶带的补给形式和补给量。降雨经过植被冠层的截留后转化成穿透雨和树干径流进入表层岩溶带,穿透雨以连续波状的形式补给表层岩溶带,而树干径流则以快速集中的方式补给表层岩溶带。植被的截留减少了降雨对表层岩溶带的总补给量,但增加了有效补给量。与云实灌丛相比,香椿林可增加表层岩溶带的有效补给量。在水化学上,降雨、穿透流、树干茎流和表层岩溶泉中的p H,EC和DO存在显著性差异,树干茎流和穿透雨以较酸的形式补给表层岩溶带。经过冠层截留后,降雨变得更酸且富集营养元素。2.植被水文过程总有机碳通量特征通过香椿乔木林和云实灌丛两种不同冠层的降雨、穿透流、树干茎流、钻孔和表层岩溶泉垂直剖面的水量和水化学特征分析,得知在降雨通过大气-植被-土壤/岩石的过程,TOC浓度变化趋势为:树干径流穿透雨钻孔水泉水大气降雨;穿透雨和树干流中TOC浓度的呈现为雨季大旱季小的趋势,钻孔水和泉水的TOC浓度月变化则相对稳定;云实灌丛林下降雨的TOC通量是香椿林的1.3倍;大气降雨输入的TOC通量为63.06 kg·hm-2,表层岩溶泉水输出为48.29kg·hm-2,TOC输入输出之差为14.77 kg·hm-2,系统TOC为正平衡;降雨进入植被内部后,植被林冠层作为“TOC活库”具有增加TOC通量的“源”作用,而表层岩溶带的土壤/岩石系统作为“TOC死库”具有吸收、过滤和固定TOC的“汇”作用。3.植物水分吸收来源对地下水埋深的响应策略及控制因素以四种不同地下水水位深度下的香椿作为研究对象,利用氢氧稳定同位素技术,结合Isosource模型,探讨岩溶关键带植物水分吸收来源特征、对地下水水位的响应及控制因素。结果显示前10天总降雨量与钻孔水位有显著的负相关关系,不同钻孔水位对降雨有不同的滞后响应。δ18O值显示在广西裸露型岩溶区,土壤水补给泉水,随后土壤水和泉水共同补给岩石水。岩石水分是广西裸露型岩溶区植物的主要水分吸收水源,前2天总降雨、前15天总降雨和水位是影响植物吸收岩石水分的主要控制因素。表层岩溶带是植物雨季生长水分需求的水库和维持植物旱季生存水分消耗的水库,岩溶含水介质的构成和尺度控制植被对表层岩溶水获取的比例和水量。浅部岩溶越发育,越有利于植被对表层岩溶水的获取。4.树干液流速率时空动态特征及其对地下水埋深的响应。利用热比率法长期定位监测植物的树干液流,结合稳定氢氧同位素技术和气候因素,探讨不同地下水水位深度下植物树干液流速率的响应特征。显示不同水位深度下香椿液流速率存在显著性差异,石生植物由于可利用水资源量少而造成植物的液流速率比其他同纬度的植物低。从树干液流日变化与环境因子的RDA和相关性分析可知,光合有效辐射和空气水汽压亏缺是影响香椿树干液流变化的主要环境因子。水位最浅的CF13样地下白天单位水位变化引起的液流速率变化最快,显示表层岩溶带供水情况是影响植物蒸腾的重要潜在主控因素,但裸露型岩溶区石生植物树干液流速率并非随地下水埋深加深而降低,还与岩溶含水介质、浅层岩溶发育程度有关,浅部岩溶越发育越有利于植被对岩石水的获取,该研究与植物水分来源的结果吻合。此外,利用植物茎流计法和同位素混合比法计算植被地下水利用量,香椿月总蒸腾量与最大降雨量和最高月水位有滞后时间,最大降雨量和最高水位集中在4-6月份,而植物月总蒸腾量最高期则主要集中在6-8月。在此基础上,总结出在降雨充足的西南典型峰丛洼地裸露型岩溶关键带,在水位埋深浅等条件下,从岩溶含水介质的生境差异角度概括了三种不同的植物水分获取模式及相应的响应对策。在溶孔+溶缝型岩溶生境下,植物主要吸收土壤水主导型为主,植物对表层岩溶水利用比例随水位深度的增加而下降;在孔隙+裂隙型岩溶生境下,植物主要以裂隙水和土壤水综合型为主,在该生境下,植物对表层岩溶水的利用比例随水位深度的增加而增加;在裂隙+管道型岩溶生境下,植物主要吸收裂隙水主导型,在该生境下,植物对表层岩溶水的利用比例随水位深度的增加而下降。该结果可为岩溶石漠化脆弱生态系统植被恢复提供技术支持,也有助于评估气候变化下的植被生态响应机制。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P641.134
【部分图文】：
1.2.1 关键带的定义和研究内容地球关键带在垂直方向上包括从上边界植物冠层向下穿越地表面、土壤层、非饱和的包气带、饱和的含水层，下边界为含水层的基岩底板的区域（图1-1），在水平尺度上包括已经风化的松散层、植被、河流、湖泊、海岸带与浅海环境等。地球关键带的水-土-气-生-岩连续体发生着复杂的相互作用，是与人类联系最为密切的地球圈层，决定着社会发展所需的资源供应[1,2]。当前地球系统科学在岩溶学领域最重要的研究是对关键带过程的监测和研究。水和土壤是地球关键带的两个核心要素[1，23，24]。水是各圈层间进行物质能量交换的主要驱动力,是物质与能量的主要载体。关键带的三个主要过程是生态过程、水文过程和生物地球化学过程。生态过程的研究目标是阐明生态系统的结构、过程、演化和功能等；水文过程研究水的时空分布和变化规律，水分运移和转化；生物地球化学过程主要研究大气-生物-土壤中的碳水钙等养分循环过程和能量流动等。关键带研究的核心内容是研究不同类型生态系统的组成和结构特点，不同时空尺度上控制碳水钙循环和通量流动的各种过程
1.2.2 岩溶关键带的定义和特征岩溶关键带是指受可溶性岩石（碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物岩等）地质背景的制约，在垂直方向上包括从植被冠层到地下含水层底部的区域(图1-2)。岩溶关键带是地球关键带研究的重要组成部分[26]，其物理涵义是基岩为碳酸盐岩，在垂直方向上包括从上边界植物冠层向下穿越地表面、土壤层、非饱和的包气带、饱和的含水层，下边界为含水层的基岩底板的区域。岩溶关键带包括的范围与传统研究中的表层岩溶带不一样，岩溶关键带的范围包括整个植被系统、土壤层和整个包气带，而表层岩溶带是岩溶山区强烈岩溶化的包气带部分，包括植被的根图 1-2 岩溶关键带垂直和水平结构示意图Fig.1-2 Sketch map of vertical and horizontal structure in Karst Critical Zone
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本文编号：
2889888
