喀斯特地区植被大多具有喜钙、旱生和石生性特点，南方喀斯特森林是一种特殊的森林生态系统，其顶级群落为常绿落叶阔叶混交林，生态系统的组成和结构复杂，生态系统的物种多样性和结构多样性较高。但是，在人为干扰和不合理开发利用下喀斯特森林普遍退化，其群落演替的主要过程为常绿落叶阔叶混交林阶段(乔林)、灌木灌丛阶段、灌草群落阶段、草本群落阶段(朱守谦, 2003; 喻理飞, 2002a; 2002b)；植被的组成从高大乔木向典型的小灌木退化，并随着环境干旱程度的加剧向旱生化演替，形成稀疏植被覆盖的荒漠景观。

喀斯特生态系统中土壤和表层岩溶带是岩石、大气、水、生物等四大圈层的敏感交汇地带，又是生态系统赖以存在的基础；由于溶隙及岩溶管道发育，碳酸盐岩含水介质体常为地表、地下双重结构，从而形成一个地表、地下水体组合的双重水文结构。植物分布格局的异质性不仅改变了土壤养分和水分的空间分布，同时造成喀斯特溶蚀过程的变化(章程等, 2003; 李林立等, 2003)。生态环境的退化引起岩溶地下水系统自我调蓄能力降低，使岩溶地下水资源的时空分布变得极不均匀，总资源量减少和水质恶化(邹胜章等, 2004)。喀斯特水资源是支撑区域社会经济发展最为重要的一个基本方面，研究生态系统变化对岩溶水资源质量的影响，有助于岩溶水循环机制的深入研究。目前对岩溶水的水文特征、化学特征以及水质演变等方面进行了一些研究(贾亚男等, 2004; 邹胜章等, 2004; 李林立等, 2003; 梁小平等, 2003; 钱家忠等, 2003; Lang et al., 2006; Guo et al., 2005; Wang et al., 2001)，但有关植被变化对岩溶水化学影响方面还缺乏系统的研究。近期研究表明，森林退化已成为影响地下水质量的重要原因(Hindar et al., 2003)，制定区域的环境管理政策，保护地下水资源，成为喀斯特地区环境保护的主要目标之一(Andreo et al., 2006)。本文从喀斯特生态系统的角度，把生态系统的植物、岩石和水体作为一个整体，系统地研究喀斯特森林退化过程中植物群落的演变对浅层岩溶地下水化学组成的影响，为揭示喀斯特水资源的演化规律、控制机理及水资源评价与保护提供理论依据。

研究区位于贵州省安顺市关岭县板贵乡，地理位置为东经105°14′—107°32′，北纬25°20′—27°19′。海拔800~1470 m，具典型的亚热带湿润季风气候，年均气温18.4 ℃，≥10 ℃积温5 000~6 000 ℃，年降雨量1 130~1 259 mm，多集中在夏秋两季。该区地质构造较为复杂，成土母岩以形成于石炭纪、二迭纪的白云岩和石灰岩为主，伴有少量二迭纪和三迭纪形成的白云质灰岩、泥质白云岩和燧石石灰岩。岩石裸露率较高，土体不连续，土层浅薄，成土母质主要是白云质灰岩、泥质灰岩风化物，其次是白云岩风化物，土壤类型主要是黑色石灰土、黄色石灰土。研究区内森林覆盖率变幅大，大部分地区植被稀疏，森林覆盖率不足10%，基岩裸露率(没有植被覆盖情况下岩石出露的面积占土地面积的百分率)50%~90%；小部分地区次生植被较茂盛，森林覆盖率70%~90%，基岩裸露率10%~20%；从整体来看，属中度喀斯特森林退化区。

采用样地调查的方法，根据群落外貌、结构、组成等特性，进行草本群落、灌木林群落及乔木林群落的初步划分；在地形地貌、坡度以及岩性(白云质灰岩和石灰岩)相对一致的条件下，选择有代表性的阔叶林(乔木)地、灌木林地、灌丛草地各设置6个样地进行植被调查。另外，对每块样地的森林覆盖率、基岩裸露率等景观指标进行调查及分级(按10%为一个等级，共分10级)，每块样地的森林覆盖率和基岩裸露率见表 2。

表 1 水化学特征 Tab.1 Water chemistry character

表 1 水化学特征 Tab.1 Water chemistry character

表 2 浅层岩溶地下水的化学组成变化 Tab.2 Changes of Karst shallow groundwater chemical components

表 2 浅层岩溶地下水的化学组成变化 Tab.2 Changes of Karst shallow groundwater chemical components

在调查的阔叶林(乔木)地、灌木林地、灌草地样地上，选择坡度一致的地段，采用无界径流小区法在每个样地上设置3个径流收集槽(Robert, 1989)，在自然降雨条件下(降雨量20~30 mm·h^-1)进行地表径流样品的收集，同时选择位置较低的地段，在雨后1 d内收集从岩石裂隙中渗出的水样(这部分出露的地下渗透水一般在1~2 d内断流)，作为地下径流水样。在相应的地段采集从岩层裂隙中常年渗出的泉水(这部分出露的地下渗透水受降雨季节性的明显影响)作为浅层岩溶地下水水样。室内量取500 mL水溶液通过0.45 μm滤膜，对过滤的水样进行水化学参数测定，测定项目有pH值、电导率(EC)以及10种离子浓度(HCO₃^-、SO₄^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、NO₃^-、Cl^-、Na⁺、NH₄⁺、PO₄^3-)，其中NH₄⁺采用靛酚蓝比色法、NO₃^-采用紫外分光光度法、PO₄^3-采用异丁醇萃取-钼蓝比色法、HCO₃^-采用电位滴定法、SO₄^2-采用EDTA间接滴定法、Ca²⁺和Mg²⁺采用EDTA滴定法、K⁺和Na⁺采用火焰光度法、Cl^-采用硝酸银滴定法测定(鲁如坤, 2000)。

该地区喀斯特森林群落优势种主要有香椿(Toona sinensis)、乌桕(Sapium rotundifolium)、香叶树(Lindera communis)、密花树(Rapanea neriifolia)、枫香(Liquidambar formosana)、朴树(Celtis sinensis)、圆果化香(Platycarya longipes)等。喀斯特森林生态系统在空间上有乔木、灌木、草本植物或苔癣植物等，雨水在林冠层、枯落物层、土壤层等的拦截及再分配作用下，通过下渗运动进入岩溶裂隙或岩溶管道，形成地下径流，部分径流从位置较低的岩石裂隙中渗出，还有部分地下径流入渗到表层岩溶带，形成具有一定流量和流速的表层岩溶水。喀斯特森林生态系统中，发达的植物根系不仅可以吸收土层中的水分，还可以伸入岩石裂隙中，吸收利用部分表层地下径流水或岩溶水，这种岩溶的双重水文结构保持了喀斯特生物的多样性。岩溶水主要由大气降水补给，降水有效入渗补给量的大小直接影响喀斯特地区地下水资源总量。

喀斯特空间是处于连续演化过程中的喀斯特系统，它直接控制着地表水和地下水的交替和水的动态变化，对喀斯特地球化学特征也存在影响。由表 1看出，降雨中离子浓度大小的排序为SO₄^2->K⁺、Ca²⁺、HCO₃^-> Na⁺、Mg²⁺、Cl^->NO₃^-、NH₄⁺> PO₄^3-，而径流中离子浓度的大小排序为HCO₃^->SO₄^2-、Ca²⁺>Mg²⁺、Cl^->K⁺、Na⁺、NO₃^-> NH₄⁺> PO₄^3-，说明降雨通过林冠层、枯落物层后其化学特性发生改变，HCO₃^-浓度明显增加，SO₄^2-浓度明显下降。岩溶地下水与径流的离子组成总体相似，但岩溶地下水中HCO₃^-、Ca²⁺和Mg²⁺的含量和电导率明显高于地表径流，说明水分在喀斯特空间运动过程中随着水-岩界面交换时间的增加，其对碳酸盐岩石的溶蚀能力增强。可见，在喀斯特森林生态系统中，存在较强的生化作用及微生物作用，土壤释放CO₂量大，一方面增加了径流水HCO₃^-含量，另一方面，降低了径流水的pH值，提高了对碳酸盐岩的化学溶解能力，导致岩溶地下水电导率及HCO₃^-含量升高。但是，喀斯特森林生态系统发生退化后，这种变化趋势出现减弱，不同植物群落岩溶地下水的化学组成出现差异。

喀斯特森林群落退化后，灌木群落优势种主要有花椒(Zanthoxylum bungeanum)、火棘(Pyracantha floruneana)、构树(Broussonetia papyrifera)、小果蔷薇(Rosa cymosa)、月月青(Itea ilicifolia)、悬钩子(Rubus sp.)等，草本群落优势种主要有五节芒(Miscanthus floridulus)、扭黄茅(Heteropogon contortus)、狗芽根(Cynodon dactylon)、莎草(Cyperus sp.)等。从表 2看出，喀斯特岩溶地下水的阳离子主要是Ca²⁺、Mg²⁺，其浓度分别为31.1~117.2和4.56~58.8 mg·L^-1，阴离子主要是HCO₃^-、SO₄^2-，其浓度分别为104.9~301.6和21.6~142.6 mg·L^-1，说明调查区内喀斯特岩溶地下水化学类型以HCO₃-Ca型为主，局部出现HCO₃-Ca·Mg型和HCO₃·SO₄-Ca型，与该地区的河流水化学特征相似(Han et al., 2001)。但是，不同植物群落下岩溶地下水的化学组成发生改变，阔叶林地、灌木林地和灌丛草地的岩溶地下水中Ca²⁺含量占离子总量(10种离子之和)的平均百分数(n=6)分别是21.73%、17.34%和16.77%，而Mg²⁺含量则分别是5.18%、7.82%和7.95%；阔叶林地、灌木林地和灌丛草地的岩溶地下水中HCO₃^-含量占离子总量的平均百分数分别为52.31%、54.60%和44.18%，而SO₄^2-含量占离子总量则分别是16.69%、14.40%和25.11%。说明随着喀斯特森林从阔叶林向灌木林、灌草方向的演替，其岩溶地下水中HCO₃^-和Ca²⁺比例明显减少，而SO₄^2-比例明显增加，其水化学类型也发生了变化。可见，随着森林群落退化度增加，群落高度和生物量明显下降，群落垂直结构由复杂变简单，这种变化改变了森林生态系统中水环境的空间结构，地表径流强度加大，使大气降水在时空分布上变得极不均匀，减少了岩溶地下水的有效补给量；降低了森林植被和土壤对地下水的涵养性和对岩溶水的调蓄能力，使地表水与地下水分配结构引起较大变化，也直接影响岩溶地下水的化学组成。

相关分析结果表明(表 3)，喀斯特岩溶地下水的HCO₃^-、Ca²⁺含量与森林覆盖率之间均存在显著的正相关，而K⁺、NH₄⁺含量与森林覆盖率之间存在显著的负相关。岩溶地下水的HCO₃^-、Ca²⁺、K⁺、NH₄⁺含量与基岩裸露率之间也存在显著的相关性，它们的相关关系与森林覆盖率正好相反。随着森林覆盖率下降、基岩裸露率增加，加剧了水生态环境退化的强度和速度，特别是喀斯特森林严重退化后，改变了水土或水岩界面的交换时间和空间以及物质的迁移通量，不仅减弱岩溶作用，影响成土过程，还加剧了K⁺、NH₄⁺等养分流失。可见，喀斯特森林植被可以保持浅薄的土壤层，保证植物必须的养分和水分来源，减少水土流失，还可以提高土壤溶液的溶蚀能力，促进成土作用。因此，通过保护天然林、退耕还林还草等措施恢复植被，可以促进喀斯特森林生态系统的恢复，也是提高该地区水资源潜力的有效途径。

表 3 岩溶地下水离子含量与森林覆盖度、基岩裸露率的相关系数^① Tab.3 Correlation coefficients of ion concentration with vegetation coverage rate or rocky coverage rate

表 3 岩溶地下水离子含量与森林覆盖度、基岩裸露率的相关系数① Tab.3 Correlation coefficients of ion concentration with vegetation coverage rate or rocky coverage rate

喀斯特森林生态系统降雨中离子浓度大小的排序为SO₄^2->K⁺、Ca²⁺、HCO₃^-> Na⁺、Mg²⁺、Cl^->NO₃^-、NH₄⁺> PO₄^3-，径流中离子浓度的大小排序为HCO₃^->SO₄^2-、Ca²⁺>Mg²⁺、Cl^->K⁺、Na⁺、NO₃^-> NH₄⁺> PO₄^3-，降雨通过林冠层、枯落物层后其化学特性发生改变，HCO₃^-浓度明显增加，SO₄^2-浓度明显下降。岩溶地下水离子组成与径流总体相似，但岩溶地下水中HCO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺的含量和电导率明显高于地表径流，随着森林群落的退化，这种变化趋势出现减弱。

喀斯特森林群落从阔叶林群落向灌木林群落、灌草群落方向演替，其岩溶地下水中HCO₃^-和Ca²⁺比例明显减少，而SO₄^2-比例明显增加。喀斯特岩溶地下水的HCO₃^-、Ca²⁺含量与森林覆盖率之间均存在显著的正相关，而K⁺、NH₄⁺含量与森林覆盖率之间存在显著的负相关；岩溶地下水的HCO₃^-、Ca²⁺、K⁺、NH₄⁺含量与岩石裸露率之间也存在显著的相关性。随着森林覆盖率下降、基岩裸露率增加，加剧了水生态环境退化的强度和速度。

随着喀斯特森林群落退化与溶蚀作用的减弱，岩溶地下水中可溶性盐的总量逐渐下降。HCO₃^-含量是影响岩溶水电导率的最重要因子，其次是Ca²⁺，再次是K⁺、Mg²⁺。随着HCO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺含量提高，岩溶水电导率不断增加。在同一条件下，随着K⁺含量增加，岩溶水电导率下降。岩溶水电导率可以反映森林植被变化对水环境质量的影响，可以采用岩溶地下水电导率作为数量指标来评价森林群落退化对生态环境的影响。