0 引言

在岩溶地区包气带上部、碳酸盐岩基岩与上覆土层交界面以下一定厚度(一般为5~30 m)内的岩溶和裂隙强烈发育带，被称为“表层岩溶带”^[1]。由于其具有独特的水文地质意义，因此一直是岩溶水文地质学界的研究热点^{[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]}。表层岩溶带与饱水带之间被岩溶发育较弱的基岩隔离，往往称为一个独立的含水单元。该单元处于大气圈、岩石圈、生物圈和水圈等4个圈层的影响带内，岩溶作用较强，不仅能调蓄一定数量的地下水，且对当地生态需水和山区小气候的调节具有极其重要的意义^[9]，常被用作分散供水水源。近年来，极端干旱气候事件频发，研究表层岩溶带水循环的重要性日益增加^{[10, 11, 12, 13, 14]}。然而，我国西南地区岩溶发育极为特殊^[15]，在地形上表现为不同高程的台阶以及其间过渡的斜坡地带。根据对不同台阶(包括次级台阶)出露碳酸盐岩岩性统计，发现在高山地区出露基岩主要为质纯层厚的灰岩，而山间平原或高原面则以白云岩为主。不同岩性的表层岩溶带发育特征迥异，赋存于其中的表层岩溶带水化学成分在不同的降水条件下表现出截然不同的特征。方解石和白云石虽同为碱土金属元素碳酸盐岩矿物，但其在水中溶解度的差异导致化学风化方式不同。灰岩主要以方解石的全等溶解为主；而白云岩则受制于白云石的不全等溶解^[16]，风化后残留有较厚的白云岩砂粉。因此，水中碱土金属元素含量的比值经常被用来判别岩溶水的形成过程^{[17, 18]}。

森林植被对流域水文过程具有明显的影响,但是其影响方式在不同地域不同时段的研究结论大相径庭^[19]，有些甚至相悖^{[20, 21, 22, 23]}。因此，需以系统科学思想为指导，以长期的观测数据为基础，结合特殊的地质地貌背景来对具体地段进行分析。

笔者选取国土资源部岩溶动力学重点实验室长期监测点马山弄拉兰电堂表层岩溶泉域为研究对象，对不同水文时段降水量、水化学和泉流量监测数据进行分析，探讨水化学动态变化规律；同时，对近10年来泉水流量和水化学变化规律进行分析，探讨森林植被恢复过程中，表层岩溶系统水化学变化规律。 1 研究区概况

研究区位于广西马山县古零镇弄拉屯(图 1)，为典型的峰丛洼地地貌。地表上处于岩溶石山区，石峰高峻陡峭，占总面积的80%左右，坡度一般大于50°。

1. 那叫组下段；2. 那叫组中段；3. 那叫组上段；4. 方解石脉断裂破碎带；5. 等高线(m)；6. 断层与推测断层；7. 地层产状； 8. 泉及其编号；9. 泉域范围；10. 道路。 图 1 研究区地质图 Fig. 1 Geological map of study area

图选项

该区处于亚热带季风气候区，具有高温多雨、降雨集中、湿度大等特点。多年平均气温20 ℃，2012年降雨量为1 323.15 mm，其中4-7月雨量占年降雨量的59.4%。年均相对湿度85%^{[24, 25]}。

弄拉地区表层岩溶带发育较好，其厚度多达10 m以上，广泛分布于峰顶、垭口和峰麓地带，因而涵养了众多的表层带岩溶泉，其大多为弄拉村居民的饮用水源。该区出露地层主要为泥盆系下-中统那叫组(D_1-2nj)。地层大致可分为3个不同的岩性段，其中：下段(D_1-2nj¹)为厚层-巨厚层状浅灰、深灰、灰黑色白云岩夹白云质灰岩；中段(D_1-2nj²)为深灰色白云岩夹生物碎屑灰岩及硅质灰岩；上段(D_1-2nj³)为灰-灰白色巨厚层-块状白云岩，质地较纯。弄拉兰电堂表层带岩溶泉(S01)出露地层为那叫组下段(D_1-2nj¹)，泉域的绝大部分位于那叫组中段(D_1-2nj²)地层之中。 2 兰电堂岩溶泉域水化学类型及成因 2.1 岩溶水化学类型及水化学成分

2012年5-12月，在弄拉兰电堂岩溶泉口共采集11个水化学样品，由中国地质科学院岩溶地质研究所测试中心进行分析，结果见表 1。其中：阴离子用离子色谱仪分析，分析精度0.01 mg/L；阳离子及微量元素用ICP-MS分析，测试精度为0.001 mg/L。按舒卡列夫分类，水化学类型均为HCO₃-Ca·Mg型。

根据研究区水文地质条件分析，在大气降水向表层岩溶水的转化过程中，首先接触到的是上层较纯的灰岩含水岩组，然后在往泉口径流过程中流经白云岩化灰岩含水岩组。视水岩相互作用速率和时间长短的不同，泉水的化学成分呈现出明显不同的特征。在本研究中，发现ρ(Ca²⁺)和ρ(Mg²⁺)之间的相互关系可以较好地反映不同水岩相互作用时长的水化学特征，其与前期大气降水量及降水强度息息相关。2012年弄拉地区逐月降水量见表 2。

泉水化学成分对前期短时期内的降水的响应极为明显。不同季节所取的水样中，主要阳离子Ca²⁺和Mg²⁺质量浓度的关系比较复杂。根据ρ(Ca²⁺)和ρ(Mg²⁺)相关关系(图 2)，11组水样大致可分为3组：6、7月；8、9、10、12月；5、11月。

△(8、9、10、12月)、□(5、11月)和◇(6、7月)分别代表3组不同降水条件下的水样，标注为取样日期，如12-15表示2012年12月15日，下同。 图 2 弄拉兰电堂表层岩溶泉水ρ(Ca2+)和ρ(Mg2+)的关系 Fig. 2Relationship between contents of Ca2+ and Mg2+ of Landiantang epikarst spring water, Nongla, Guangxi

图选项

在降水量低于100.0 mm且比较均匀的8、9、10及12月，采集的6个水样的ρ(Ca²⁺)和ρ(Mg²⁺)呈良好的线性相关(R²=0.949 3)。这说明在此期间，水岩相互作用主要发生在白云岩化灰岩含水层中，且水中CaCO₃和CaMg(CO₃)₂均处于过饱和状态，其方解石饱和指数均大于0.30，白云石饱和指数大于0.67。虽然都大于0，但依然未达到沉淀条件^[26]，因此Ca²⁺和Mg²⁺按一定的比例输出。在本文中，将该曲线定义为“同比例溶解线”。

6月和7月的降水量均在200.0 mm以上，此时也是植被生长旺季。在强降水过程中，表层岩溶带中含水近饱和，水力坡度较小。当含侵蚀性CO₂的雨水进入表层岩溶带后，与前期降水混合，可以使白云石矿物中的Mg²⁺优先溶解，因而泉水中ρ(Mg²⁺)较高，水点投影在等比例溶解线的上方。5月和11月所取的3个水样的投影位于同比例溶解线下方，说明ρ(Ca²⁺)的输出量相对要大。这主要是前期降水量较小，表层岩溶带中存储的水量较小，后期的大量降水首先经过上覆灰岩地层，侵蚀性降低，再加上自然水力坡度较大，雨水在白云岩地层中停留的时间较短，因而溶解的Mg²⁺较少，白云石饱和指数也小于方解石^[13]。

上述分析在白云石和方解石饱和指数的关系上得到了良好的印证。以水样的SI_c为横坐标，SI_d为纵坐标进行成图，发现8、9、10三个月水样SI_c和SI_d呈良好的线性关系(R²=0.992 3)。反向延长其趋势线发现:6月和7月的水样饱和指数投影位于该趋势线的上方；而5月和11月的水样投影则位于趋势线下方。

图 3 弄拉兰电堂表层岩溶泉水SIc和SId的关系 Fig. 3Relationship between SIc and SId of Landiantang epikarst spring water, Nongla, Guangxi

图选项

20世纪60年代初，弄拉地区天然森林被砍伐殆尽。自1964年开始封山育林，到20世纪80年代，基本上形成了以常绿阔叶林为主的乔木次生林。调查得知，弄拉表层岩溶泉在20世纪60-70年代是季节性泉，冬季完全干涸。20世纪80年代后期，该泉恢复为常流泉。2012年最枯流量出现在5月30日的降水期间，丰水期流量峰值为14.8 L/s，年均流量为0.92 L/s。而根据前期监测，2001年该泉的流量为0.01~4.71 L/s^[24],说明生态环境恢复情况下，泉水流量明显呈增加的趋势。 3.2 岩溶水化学演化趋势

自1994年建站以来，国土资源部岩溶动力学重点实验室对该泉进行了长期的取样分析。研究人员先后于2003年6月-2005年5月测试了11组水化学样品^[27]，于2006年5月-2006年7月间采集了11个水样^[28]，加上本次不定期采集的11个水样，共计33个样本，取样的时间跨度接近10年。对其主要成分进行统计分析，其结果见表 3。

通过对近10年来的水化学测试数据对比分析，发现各离子质量浓度均发生了明显的变化。除了K⁺和Cl^-外，其他离子(包括阴离子和阳离子)质量浓度均有明显增高的趋势。其中ρ(SO^2-₄)的增长较为明显，考虑到其特殊的生态环境及地质条件，推测其与近些年来不断恶化的大气质量有关。另外，在次生森林覆盖恢复条件下，ρ(Ca²⁺)、ρ(Mg²⁺)和ρ(HCO^-₃)也有明显增加。以ρ(HCO^-₃)为例，2003-2005年其平均值为356.55 mg/L，而2012年则为432.97 mg/L，其差值达76.42 mg/L。这说明岩溶作用强度在逐渐增加，近10年间增长速率约21.4%(图 4)。

图 4 弄拉兰电堂表层岩溶动力系统水化学变化趋势 Fig. 4Variation trend of main chemical compostion of Landiantang epikarst spring water in recent decade in Nongla, Guangxi

图选项

1)在我国西南岩溶区，受岩溶作用机理的控制，地质地貌上多形成“高山灰岩、平地白云岩”的特殊岩溶形态组合，致使表层岩溶带的发育也具有二元性结构。由于岩溶作用方式的区别，绝大部分水样的水化学类型均为HCO₃-Ca·Mg型，但其主要阳离子Ca²⁺和Mg²⁺的季节动态变化趋势并不明显。相比之下，其对短期降水的稀释效应及森林植被的CO₂效应则非常敏感。基于对广西弄拉兰电堂表层岩溶泉流量和水化学的动态监测，发现利用ρ(Ca²⁺)和ρ(Mg²⁺)、SI_c和SI_d之间的关系，可以判别不同降水条件下泉水化学成分差异的成因。

2)通过对近10年来弄拉表层岩溶泉流量和水化学组分动态变化研究表明，在次生森林生态功能逐步恢复的条件下，表层岩溶泉流量有增大的趋势，其岩溶水化学中主要阴阳离子浓度亦有增加趋势，也进一步佐证了岩溶过程中的森林植被效应。