植被变化对浅层喀斯特洞穴系统中滴水动态及地球化学指标的影响

《Journal of Hydrology》：Influence of vegetation change on drip water dynamics and geochemical proxies in a shallow karst cave system

浅层喀斯特洞穴滴水水化学受降雨强度和植被动态共同调控，本研究基于贵州Shawan溶洞2017-2023年连续监测数据，发现植被恢复导致土壤湿度阈值和水分渗透路径变化，使滴水δ1?O信号逐渐从年尺度降雨量记录转向夏季强降雨事件表征。揭示植被-土壤-地下水系统对洞穴滴水水化学信号传递的关键作用，为石笋δ1?O气候重建提供新机制解释。

　　

刘颖娜|罗伟军|乌斯蒂亚蒂克·雷尼|罗光杰|格塞特·阿莱娜|曾光能|王彦伟|陈佳|程安云|王世杰

中国贵州省教育大学地理与资源学院流域地理状态监测重点实验室，贵阳550018

摘要

洞穴滴水是气候和环境信息的基本载体，其地球化学特征被广泛用于基于洞穴沉积物的古气候重建。尽管这些特征已被充分研究，但降雨强度和植被驱动的渗透动态在塑造这些特征中的作用仍不够明确。为了解决这个问题，我们在中国西南部的沙湾洞穴系统进行了七年的监测，整合了降雨观测数据、每30分钟一次的连续滴水率测量结果以及滴水中的稳定同位素和元素/钙数据。我们的结果显示，2017年至2019年间，滴水在干湿季节都存在；而从2020年到2023年，滴水变得间歇性出现，且在湿季更为频繁。这可能归因于植被根系的加深，改变了土壤湿度以及降雨穿透土壤并渗入喀斯特洞穴系统所需的条件，从而改变了滴水的来源。我们认为，植被的恢复通过影响蒸发作用，可以调节滴水的流动路径，进而影响滴水中δ¹⁸O的富集程度。有趣的是，虽然2017–2018年的滴水δ¹⁸O并未完全反映降雨δ¹⁸O的变化，但在2022–2023年期间，滴水δ¹⁸O似乎继承了强降雨的δ¹⁸O特征。这表明滴水δ¹⁸O已逐渐从反映年际或多年降雨量转变为主要记录夏季季风的强降雨。这些观察结果表明，滴水信号不仅仅是降雨的直接记录，还受到地下水文过程的调节。我们认为，滴水来源的变化和流动路径的演变对降雨信号向洞穴环境的传递起着关键作用。认识到植被变化和储层演变的影响，可以更准确地解释洞穴沉积物代用指标，从而更可靠地重建亚年际到年际尺度的季风变化。

引言

洞穴沉积物已成为古气候重建最重要的档案之一，促使科学界研究多种代用指标的水文气候意义，特别是δ¹⁸O、δ¹³C和元素/钙比值（Baker等人，2019；Demény等人，2017；Duan等人，2023；Fairchild等人，2006b）。现代对洞穴滴水和降水中的δ¹⁸O、δ¹³C和元素/钙的监测揭示了外部气候信息如何传递到洞穴沉积物中的机制（Baldini，2010；Bernal等人，2023；Casteel等人，2015；Duan等人，2016；Lambert等人，2010；Li等人，2011；Mattey等人，2010；Yin等人，2021），特别是季节性降雨、植被生物量与洞穴沉积物代用指标之间的联系（McNeill-Jewer等人，2019；Railsback等人，2019）。

以往的研究经常利用降雨δ¹⁸O与洞穴沉积物δ¹⁸O之间的关系来重建与轨道强迫相关的季风变化（Cheng等人，2016；Hu等人，2008；Liu等人，2020）。在某些洞穴中，滴水δ¹⁸O值相对于降雨δ¹⁸O较为稳定，反映了较长的停留时间和信号整合（Li等人，2011；Riechelmann等人，2011；Genty等人，2014）。而在其他洞穴中，滴水δ¹⁸O更紧密地追踪降雨季节性（Cruz等人，2005；Cobb等人，2007；Pape等人，2010），表明水文传递更为直接。这些不同的行为表明，洞穴沉积物δ¹⁸O可以根据特定地点的水文条件，保留平滑的或事件级别的降雨信号（Pérez-Mejías等人，2018）。越来越多的研究开始包括δ¹³C_DIC和元素/钙比值，以评估降雨变化和植被动态的影响（Hess等人，2024）。例如，洞穴水δ¹³C_DIC反映了由降雨驱动的补给、植被生物量和土壤CO₂产生的湿/干条件（Li等人，2021；Yin等人，2021；Wu等人，2020）。同样，降雨量与蒸散作用之间的平衡对Mg/Ca和Sr/Ca比值的变异性有主导作用，这些比值在干旱年份较高，在湿润年份较低（Cheng等人，2022；Dhungana等人，2019；Tremaine等人，2013）。

多项研究强调了风暴事件通过活塞流、稀释作用和土壤CO₂交换对滴水地球化学的影响（Pu等人，2014）。在降雨期间，方解石的溶解消耗了洞穴空气中的CO₂，降低了洞穴空气中的CO₂分压；而在干旱时期，非饱和的表层喀斯特允许土壤空气中的CO₂进入洞穴，提高了洞穴空气中的CO₂分压（Cao等人，2021；Cuezva等人，2011）。这些过程进一步影响了滴水中的δ¹⁸O、δ¹³C_DIC和元素/钙。为了研究降雨量对滴水代用指标的控制作用，需要确定滴水对降雨量的响应方式。人们使用变异系数与最大流量之间的对数线性相关性来分类滴水的渗流模式（Baldini等人，2006）。然而，降雨量必须克服蒸散损失和地下水分不足的影响，这些因素会影响滴水流量的变化，从而控制滴水代用指标（Baker等人，2021）。这意味着洞穴上方的植被生物量可以显著影响滴水流量和地球化学变化，尽管其背后的机制尚不清楚。

最近的洞穴监测通过结合多种代用指标（δ¹⁸O、δ¹³C_DIC和元素/钙）来识别多年时间尺度上的季节性和年度模式（Oster等人，2012；Mattey等人，2010；Yin等人，2023；Bao等人，2023）。这些研究通常利用氧和碳同位素来推断渗透过程和非饱和带的停留时间（Tooth等人，2003；Fairchild等人，2009）。然而，将滴水流量与降雨量进行比较后发现，滴水流量在降雨事件发生几天后响应更为强烈，这种滞后并不总是等同于非饱和带的停留时间（Ruiz等人，2024）。滴水对降雨输入的响应不同，表明存在以前未考虑的复杂性（Zhang等人，2019）。这些复杂性强调了需要在不同降雨强度下收集高频滴水流量和地球化学数据，以测试δ¹⁸O、δ¹³C_DIC和元素/钙的敏感性，并提高洞穴沉积物记录在重建短期气候变化方面的可靠性。

尽管取得了这些进展，但仍存在一些重要空白。首先，大多数研究尚未完全探讨流动路径和储层对降雨信号传递到滴水中的影响。其次，尽管认识到植被变化是一个关键控制因素，但很少有研究直接将植被恢复与土壤湿度阈值的变化和优先流动联系起来，这些变化会改变滴水动态。第三，结合同位素、元素比值和连续滴水率监测的高分辨率长期数据集仍然很少，限制了我们区分降雨强度和植被对滴水代用指标共同影响的能力。

2017–2019年在沙湾洞穴的先前研究表明，植被恢复的初期阶段影响了滴水中的δ¹⁸O、δ¹³C_DIC和离子浓度（Lyu等人，2020）。相比之下，本研究探讨了植被转变（从低矮灌木到接近成熟的灌木或树木）在更长时间尺度上对滴水动态及其相关地球化学指标的影响。在这里，我们展示了对中国贵州省沙湾洞穴七年来的降雨和植被对滴水流量及滴水地球化学影响的研究。这个浅层喀斯特系统上的植被已自然从农作物（玉米和油菜）恢复为茂密的灌木（Lyu等人，2020）。我们的数据集包括2018年和2022年的滴水δ¹⁸O、δ¹³C_DIC、Mg/Ca和Sr/Ca测量结果，以及降雨事件期间每30分钟记录一次的滴水流量数据。主要目的是评估降雨强度和植被变化如何调节滴水流量和代用指标的变异性。这项研究为解释洞穴沉积物记录的季风变化提供了关键的基线信息，而这一领域的长期高分辨率监测仍然有限。

章节片段

气候背景

沙湾洞穴（北纬26.36°，东经105.76°）位于中国西南部（图1a），具有亚热带季风气候，夏季湿润，冬季干燥。中国气象数据网络的历史数据显示，1981年至2010年的30年间，沙湾洞穴以上的年降雨量为1,341毫米，年平均气温为15.2℃。2017年至2021年的监测期间，年平均地表气温分别为17.4℃、16.4℃、16.3℃、16.3℃和16.4℃。

气象、植被和洞穴微环境监测

在2017年至2023年的监测期间，我们使用位于沙湾洞穴上方的气象站每小时记录地表气温和降雨量。植被生物量（W）使用异速生长方程W = a(D²H)^b计算（Liu等人，2009），其中D是胸高直径，H是高度，a和b是特定物种的常数。为了获得D，我们分析了沙湾洞穴外部一百棵树的年轮。

降雨、植被、土壤湿度、降雨δ¹⁸O和洞穴空气CO₂

2017年至2023年间，沙湾洞穴外的年平均降雨量为1,182毫米。2018年和2020年的年降雨量分别为1,408毫米和1,403毫米，比7年平均值高出226毫米和221毫米。2019年、2021年和2022年的年降雨量分别为1,064毫米、1,013毫米和1,071毫米，比7年平均值分别低118毫米、169毫米和111毫米。2017年和2023年的降雨量分别为1,166毫米和1,150毫米，接近7年平均值（图2h）。沙湾洞穴上的植被生物量

滴水渗透和传输随时间的变化

在喀斯特系统中，影响滴水流量的主要因素是季节性降雨分布、气温、水运动和水库。通常，滴水可能由不同的水运动供给，例如快速优先流（裂隙和导管流）和缓慢的基质流，或者两者的组合。滴水流量的速度取决于基质流和优先流的相对比例（Baker等人，2003；Bradley等人，2010）。水库是

结论

本研究结合了滴水流量、δ¹⁸O、δ¹³C_DIC、Mg/Ca和Sr/Ca的高分辨率监测，研究了2017年至2023年间降雨和植被变化如何影响沙湾洞穴中的滴水动态。2017年至2019年，滴水在干湿季节都存在；但从2020年到2023年，滴水变得间歇性出现，主要发生在湿季，而在干季几乎消失。我们将这种变化归因于植被的恢复，其中更深的根系

未引用的参考文献

Baker和Brunsdon，2003；Casteel和Banner，2015；Dhungana和Aharon，2019；Fairchild等人，2006；Fairchild和Treble，2009；Fairchild等人，2006；Lambert和Aharon，2010；Robertson和Gazis，2006；Tremaine和Froelich，2013；Zhang和Li，2019。

CRediT作者贡献声明

刘颖娜：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。罗伟军：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取。乌斯蒂亚蒂克·雷尼：撰写——审稿与编辑、可视化、正式分析。罗光杰：撰写——审稿与编辑、资源管理、研究。格塞特·阿莱娜：撰写——审稿与编辑、可视化。曾光能：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（42407352、42273021、W2412149、U2244216）、贵州省科技项目（Qiankehejichu-ZK[2023]Yiban475）以及中国烟草总公司贵州省公司的科技项目（2023XM17）的共同支持。我们衷心感谢编辑和匿名审稿人的宝贵意见和建议。