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利用洞穴体系地球化学指标研究贵州中西部近现代石漠化成因及趋势

刘子琦  
【摘要】: 喀斯特被视为同沙漠边缘一样的脆弱环境,石漠化与喀斯特脆弱生态治理是当前全球可持续发展战略研究的焦点之一。中国西南喀斯特区处于世界三大连片喀斯特发育区之一的东亚片区中心,也是典型的季风气候区,虽然有很好的水热配合条件,但却存在严重的石漠化现象。土地贫瘠、水资源短缺、脆弱的生态系统,是地方和中央政府非常关注的一件大事。为了给石漠化地区的生态建设提供充分的科学依据和基础数据,迫切需要充分认识石漠化形成、演变的过程,揭示自然过程和人类活动各自对石漠化的作用。 洞穴石笋记录现在已经成为高分辨率古气候研究的最佳地质载体之一。地处西南喀斯特区核心的贵州省,碳酸盐岩出露面积达13万km~2,占全省土地总面积的73.8%,石漠面积居西南八省(区、市)之首,它的中西部地区又是石漠化最严重的地区之一。广泛发育的喀斯特洞穴内有丰富沉积物,为重建贵州中西部地区气候环境和研究石漠化演变的过程提供便利。本论文运用地球系统科学理论,弄清洞穴沉积物的生长过程中岩石圈、水圈、大气圈、生物圈之间的物质、能量传输以及人类活动的相互影响,更好地论证地球化学指标的意义,通过洞穴沉积物的记录揭示人类活动与自然变化对石漠化的影响程度。 在2005-2007年期间,我们在贵州清镇、安顺、织金、水城四个地区的将军洞、郑家洞、石将军洞、琦云洞、织金洞、猴子洞以及周围进了多次野外取样、监测。对部分样品进行~(210)Pb和~(230)Th/U定年。水样进行δD和δ~(18)O分析,新老碳酸钙、鹅管、石笋样品进行δ~(18)O和δ~(13)分析,所得分析结果与器测、历史记录、其他石笋记录对比结果显示: (1)洞穴中某些滴水点由于上层包气带厚度非常薄,蓄水能力差,雨水与地表水没有充分混合的条件,大气降水能很快地渗透到洞内形成滴水,反映季节性降水的δ~(18)O值,因此在这种点取得的洞穴沉积物有可能记录季节性降水的δ~(18)O值。 (2)根据鹅管的生长特性,以及对不同洞穴鹅管δ~(18)O、δ~(13)C和~(210)Pb的大量分析,可知洞穴鹅管发育特征必须符合一定的要求才能作为古气候记录。鹅管的碳酸钙沉积应该发生在其生长尖部,从野外判断,管壁为白色很纯的碳酸钙,薄而透明;无论多长的鹅管,都应类似于吸管,空心,从顶部到底部管壁内外直径基本一致;取样时仍然处于生长状态,管内充满水。符合以上要求的鹅管,对研究近代气候、环境记录有非常重要的意义。若不符合上述要求,鹅管测试出的稳定同位素值的运用需谨慎。 (3)无论是鹅管还是石笋中的δ~(18)O与器测记录的温度都没有相关性,而与降雨记录和历史干湿记录基本一致。降雨量减小或干旱的时期,所对应的鹅管或石笋中δ~(18)O曲线会相对偏重。因此可以推断,在贵州地区降雨量是影响洞穴沉积物中的δ~(18)O的主要因素。 (4)石将军洞发育于三叠系中上统(T2-3),为石灰岩、白云岩互层层组(基岩δ~(13)C=1.21‰);猴子洞发育于中石炭统和二叠系(C2+P)以灰岩为主,质地较纯的地层(基岩δ~(13)C=3.81‰)。两地都有较严重的石漠化现象。两地的降雨量差不多,前者1375mm/yr,后者1190mm/yr;由于猴子洞的海拔较高(~2100米),气候较冷;而石将军洞海拔较低(~1200米),气候较热。所以,在猴子洞地表C3/C4植物比例高于石将军洞地表C3/C4植物的比例。猴子洞无论是新生碳酸钙还是老的碳酸钙沉积物的δ~(13)C都比石将军洞的要轻的多。由此可见,洞穴沉积物的δ~(13)C值通常受地表植被影响为主,基岩影响较小。 (5)根据洞穴所处地区的石漠化等级的划分,来比对不同洞穴的新生碳酸钙的δ~(13)C平均值。发现石漠化强的地区,植被覆盖率少,所在洞穴中的新生碳酸钙的δ~(13)C平均值偏重;洞穴沉积物的δ~(13)C值基本能反映地表石漠化程度。 (6)织金洞的石笋δ~(13)C记录,在1460年左右出现过δ~(13)C的大幅度偏重,历史资料记载这时段明朝军队进入贵州中西部,屯兵导致大量人口增加,砍伐植被修建房屋、开辟耕地等活动,可能因此导致了这一地区在过去一千年来的第一次严重的植被退化现象。大约从1900年开始δ~(13)C记录有大幅度的偏重,约偏重了2.5‰,这在石笋和鹅管记录中都有显示。从贵州省织金县县志中可知,从1900-1910年之间开始,织金地区人口迅速增加,人类活动一直持续增加到现今。上述两次明显的人口增加导致植被的减少,都明显地在洞穴沉积物的δ~(13)C曲线中表现出来,由此可见洞穴沉积物δ~(13)C记录可以用来反映石漠化的演变。 (7)从鹅管、石笋中的δ~(18)O和δ~(13)C明显看出δ~(18)O和δ~(13)C的曲线都呈现正相关关系,反映地表植被与气候条件的相应变化,夏季风较强,湿润的气候条件(δ~(18)O偏轻),植被发育较好(δ~(13)C偏轻);反之亦反。在没有强烈人类活动的情况下,植被的主要控制因素是降雨量。因此,即使在受到人类活动影响下石漠化的进程仍然要考虑气候因素的影响。不过,从织金洞石笋和鹅管的δ~(18)O和δ~(13)C来看,在过去800年的记录中,自然条件虽然造成某些时期植被的退化,但尚未达到石漠化程度。而明朝时的屯兵和1900年之后的人口大量增加所造成的植被破坏,远大于自然因素引起的植被退化。由此可见,人类活动是导致石漠化的主要因素。 (8)以织金洞石笋ZJD-21和鹅管ZJD-9C的δ~(18)O和δ~(13)C记录为依据,论述贵州中西部过去800年的气候和植被变化。在公元1200~1360和公元1700~1860期间,气候相对较湿润,植被较发育;公元1360~1690和公元1860~1960期间,气候较干旱,植被减少。织金洞石笋和鹅管δ~(13)C记录同时记载了中国历史上明朝云贵历史上大规模的移民活动,以及1900年后再次的大规模的移民进入贵州中西部。人类的定居繁衍,尤其是过去50年以来,人口持续增长导致石漠化。


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