环境变化研究的现状与展望

环境变化研究的现状与展望

20世纪以来，世界环境发生了重大变化。人类面临着人口、污染、气候变化、环境退化、生物物种灭绝、土壤侵蚀和缺水等全球环境问题。以地球系统科学理论为指导、以环境变化为研究内容的全球变化已成为当今国际地学界最为活跃的研究领域。国际上相继出台了国际地圈生物圈计划(IGBP)、世界气候研究计划(WCRP)、全球环境变迁人文因素计划(IHDP)、生物多样性计划(DIVERSITAS)等多项国际计划,旨在深入探索不同时间尺度的环境演变,揭示环境变化的原因,识别环境的自然演变过程与人类活动的影响机理,准确评价环境变化的影响,预测本世纪以及更远将来的环境状况。尽管人类对于地球上水的起源的认识还不完全,但地球系统之外的太阳与月球对地下水的影响却是肯定的。已有的观测研究表明,地下水水位随太阳黑子活动和月球绕地球的周期性运转而呈周期性变化。在地球系统内部,地下水的形成与演化受大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种物理、化学作用的制约,同时它又积极参与着上述各圈层间物质(如水、碳、氮等)循环与能量交换,是地质和环境过程中最活跃的因子。地下水因地球系统内外因素的变化而变化,使其具有了环境变化的“印记”,反过来,地下水的变化也会直接、间接地影响环境变化。地下水与环境之间的这种辩证关系,决定了地下水在环境变化研究中应当也必然占据不可替代的重要地位。1地下水的“古气候档案”地下水作为水圈的一部分,在与岩石圈、大气圈、生物圈相互作用过程中成为能量交换和物质循环的载体与纽带,环境变化所导致的上述圈层间物质循环与能量交换的变化必然在地下水中留下某种“印记”,从而使地下水具有了存储和保护环境变化信息的功能。而地下水流动与水-岩相互作用的时间尺度性使地下水成为一种探测天然与人类成因环境变化的理想介质。不同时间尺度的气候周期性变化,导致了地下水形成过程具有相应的周期性特征。在漫长的地下水形成地质历史过程中,它经历了万年尺度、千年尺度、百年尺度的多雨期与少雨期,或高温期与低温期,彼此交替出现,形成区域地下水主要补给期与非主要补给期相间分布。因此,地下水或含水层被人们誉为“陆地古气候变化档案(continentalpaleoclimaticarchives)”。地下水的“古气候档案”功能的发现使地下水成为继冰心、黄土、大洋沉积物、孢粉、树木年轮等之后的又一新的气候变化信息载体,同时也极大地革新了水文地质研究视角,即不再仅仅将地下水视为流体,而同时将其作为信息储存库进行研究。地下水年龄的确定取决于对含水层性质掌握的程度,因此,准确了解含水层的性质是地下水作为气候档案的前提。Mazor定义了两种基本的含水层类型:(1)积极含水层(activeaquifers),即具有明显的补给区和排泄区,含水层中的水流受地下水流速和降雨入渗速度控制;(2)被动含水层(passiveaquifers),即曾经存在过补给区,无明显的排泄区,含水层中的水迁移滞缓。位于排泄基准之上的承压含水层是典型的积极含水层,而位于局部排泄基准之下的、大陆沉降盆地中被掩埋的含水层是典型的被动含水层。在地下水测年方面,被动含水层较积极含水层有较大的优势,这是因为被动含水层地下水的年龄信号受干扰的因素较少。古气候信息常被“转译”为地下水中各种可测量的“示踪剂”。Edmunds认为地下水系统的3种变化,即测压水位的变化、天然化学基线(naturalbaselinechemistry)的变化及人类对地下水水质的影响,对50~100a时间尺度上出现的各种作用是敏感的。而更大时间尺度的水文地球环境变化则与全球气候变化有关。为此,他推荐了几种指示地下水系统中各种物理、化学作用和人类活动等的原生与次生指示剂。近年来,随着该研究的逐渐深入,大量地应用和发展了地球化学与同位素方法,利用地下水重建过去环境变化已成为可能。1.1地下水水位、神头泉流量和气候变化地下水水位变化是地下水系统对外界影响的一种响应。严格地讲,对地下水系统的任何微弱的“扰动”,均会导致地下水水位的变化,只是“敏感性”不同的地下水系统所发生的水位变化幅度大小不同而已。太阳与月球对地球总引力可对地球表面固体产生固体潮,这主要是由于地球表层固体物质受引力作用使其密度产生变化,相应固体中空隙的体积变化导致其中的地下水水位产生变化而出现人类看不见的“液体潮”。与海洋水的潮汐相比,太阳和月球引起的地下水水位变化,也有日周期性和月周期性。此外,地震、火山喷发、滑坡等地质灾害的发生也会导致地下水水位变化“异常”。气候变化会导致地下水水位变化。在雨期,地下水系统不断得到大气降雨的补给,而出现地下水水位的上升;在旱季,蒸发会引起地下水水位的下降。大量的地下水动态研究表明,地下水水位变化在较大时间尺度上与太阳黑子活动存在很好的相关性,这可能也是由于太阳活动变化导致气候变化所引起的。Chen等通过对加拿大Manitoba南部一碳酸盐含水层中地下水水位与气候变化的相关性研究,揭示了该含水层年均地下水水位与月平均降雨和气温存在很好的对应关系(图1)。Jorgensen等利用考古学的方法研究了阿拉伯联合酋长国AlAin地区井深与地下水水位的关系,发现二者有很好的相关性,在此基础上,他们研究了过去4500年以来地下水水位与气候变化的关系,发现自青铜器以来的地下水水位持续降低与大气中CO2浓度的增加有很好的对应关系。泉流量同地下水水位一样,其变化是地下水系统对外界影响做出的一种响应。我们通过对我国北方岩溶大泉——神头泉流量与气候变化研究表明,泉流量亦可很好地指示短时间尺度的气候变化,见图2和图3。由图2可见,神头泉流量对于大气降水的响应延迟长达11年(接近太阳黑子活动周期);而由图3可知,1956—2000年泉流量与全球气温的变化过程可划分为6个阶段。(1)第1阶段(1956—1960),全球气温呈上升趋势,岩溶泉流量呈波动中略有下降的特征;(2)第2阶段(1960—1964),全球气温呈下降趋势,岩溶泉流量则明显上升;(3)第3阶段(1964—1976),气温变化曲线比较平缓,岩溶泉流量则逐年递减;(4)第4阶段(1976—1986)、第5阶段(1986—1994)与第6阶段(1994—2000),全球气温的上升与岩溶泉流量的衰减明显对应。有趣的是,这3个阶段两条曲线的拐点的吻合程度也很高。可见,山西岩溶泉流量在近50年来的衰减总趋势对同期的全球变暖及干旱化过程具有深刻的指示意义。泉流量变化有效地记载了全球气候的规律性变化。综上所述,地下水水位、泉流量等是气候变化的有效指示剂,可以很好地指示短时间尺度的气候变化。但它们与气候变量间存在一定的时间滞后,有效识别滞后时间是地下水诸如地下水水位等物理指示剂用作指示气候变化要解决的关键问题之一。与此同时,古地下水位与泉流量系列的建立则可能是它们指示古气候变化难以逾越的障碍,而Jorgensen等所推荐的考古学方法为解决这一难题提供了可能。1.2地下水的年龄和地层关系大气降水中稳定同位素组成揭示了诸多环境参数(如水蒸气源、空气温度、降水量、季节与高程等)间的密切关系。气候与降雨的年平均稳定同位素含量间的关系为研究古气候状态提供了重要参考。地下水中同位素与元素组成受其接受补给时气候条件的影响,可以用作气候变化的指示剂。水分子的稳定同位素组成可以提供如下气候变化信息:(1)如果可以从同位素组成信息中找到蒸散作用的影响,则可获取云气凝结温度;(2)如果识别出氘过剩,则可识别出水蒸气源及古风向。由于稳定同位素受多种因素的影响,其对古气候变化信息的解释常具有一定的不确定性。但相对于其他古气候代理,稳定同位素的优势在于,稳定同位素比值的影响因素较少或是已知的。一般地,水分子稳定同位素组成与补给其的大气降雨的同位素组成有关,这样引起大气降雨同位素组成变化的气候将被反映在地下水同位素组成上。其实,指示末次冰期到全新世的气候变化的地下水稳定同位素组成在许多含水层的不同年龄的地下水中已被识别出。冰期降雨中重同位素含量亏损是一个很常见的现象,并不只出现于中高纬度地区。同位素含量的亏损指示了补给时的温度较低,较低的温度导致了空气饱和度的改变,进而使降雨量增加。换句话说,过去或当前循环系统中空气饱和度的变化使温度降低,进而增加了大气的湿度,这意味着水量丰沛和水文网的极大发展。放射性同位素可作为测年工具。尽管在对它们的解释方面还存在很多局限,但水相碳中14C含量是推算地下水年龄最有效的记年计。对于不同研究及其不同地区古气候事件的对比,构建一个正确的年龄模型是至关重要的。水的14C表观年龄可以用不同的方法进行校正,如δ13C混合模型。土壤相所有14C年龄已被标定为日历年龄。其他潜在的放射性同位素(4He,39Ar,81Kr,226Ra,234U/238U,36Cl和87Sr/86Sr)除指示地下水的滞留时间外,可更有效地指示地球化学过程(例如,盐源、海水入侵)和其他过程(如水岩反应动力学)。惰性气体示踪剂同样可以反映地下水补给的有关条件。惰性气体的含量反映了水进入承压含水层时的地下平均温度。例如,起源于含水层基质或地壳散射的He,惰性气体与当天的温度状态及降雨的同位素有关。由放射性碳和稳定同位素得出的最后冰期的补给温度比现在低4~6℃。这样,我们可以用补给温度重建当时全球温度的分布。这些气候变化信息与含水层所在的区域气候有关。含水系统中保存的同位素信息同时受地质条件和水动力弥散影响。Edmunds等在对英国EastMidlands三叠系含水层中地下水滞留时间的指示剂进行研究时,将地下水滞留时间指示剂分为两种,即非反应性指示剂(如δ18O,δ2H,36Cl,惰性气体比,卤素(Cl,Br,F,I)及其元素比)和反应性指示剂(如δ13C,Mg/Ca,Sr/Ca,Na/Cl),前者在出露区无明显人类活动条件下可以较好地反映入渗补给的降雨的变化及古气候条件,而后者可指示水岩相互作用的时间及其沿流线的变化趋势。在此基础上,他们用Li和相关的5种微量元素(Li,Rb,Sr,Mn和Mo)建立了两个化学时间尺度。研究结果表明,这两个化学时间尺度可以标定100ka以上的地下水年龄,并很好地指示了Devensian冰期地下水的半连续补给特点。该方法极大地拓宽了地下水的测年范围。过去的30年中REEs是被广泛用作解决各种地质、地球化学问题的工具。特别是其独特的化学连贯行为在地质系统分析中得到了广泛的关注。由于其与三价的锕系元素(Am3+,Cm3+)在价态、离子半径和电子结构方面存在着较高的相似性,REEs被用来预测溶液中锕系元素的行为,从而为废物处置环境中超铀锕系元素的迁移性提供了有效途径。掌握地下水水质变化历史及氧化还原状态在核废物处置场安全性评价时是非常重要的。地下水水质的直接分析仅能提供地下水水质历史的部分信息,而更多的古地下水水质状况信息可以从含水层的结构、矿物和裂隙充填物的化学性质获得。Lee等利用REEs揭示了Samkwang矿区断裂带上方解石沉淀的化学证据,从而有效地指示了裂隙岩系统中地下水环境的变化。1.3古气候代用的研究进展碳酸盐沉积物,如石笋、泉钙华、方解石脉等是岩溶地下水系统中水岩相互作用的产物,可有效地、高分辨率地指示古气候变化。Winograd等报道了美国内华达南部Devils洞取得一段发育于寒武系石灰岩中14cm长的方解石脉(DH2),用铀系法确定沉积年代为(51±2.8)~(308±10.2)kaBP。把该方解石脉的氧同位素变化曲线与深海及南极冰心氧同位素变化曲线进行对比发现,末次冰期在方解石中的记录比海洋记录提前17000年,比南极冰心记录提前7000年,即开始于(147±3)ka。这一结果震动了第四纪科学界。1992年Winograd等又报道了Devils洞另一方解石脉的研究成果,即一个36cm长的方解石脉(DH11),它记录了60~566kaBP的气候变化记录,该记录与标准海洋记录SPECMAP的不同之处在于它提供了第7阶段δ18O峰高随年代减小而降低的证据,并得到了其他海洋记录印证。最重要的是,DH11记录指示了气候变化是非周期性的;特殊气候事件出现的时间表明,由轨道控制的日照变化并非是引起冰消的主要因素。这是近年来洞穴碳酸钙古气候记录对全球变化所做出的最重要贡献。袁道先等通过对荔蒲丰鱼岩正在生长的13cm石笋作TIMS、210Pb定年、高密度同位素及Mg/Sr比综合研究,揭示了1560AD(明穆宗)至1880AD(清光绪)之间小冰期在南方的气候反映,而且发现在1780年(清乾隆晚年)后δ13C的明显上升,可能指示了当时为经济发展大量砍伐森林而造成森林退化的过程。Yuan等通过对我国贵州董哥洞中2个石笋(D3,D4)的230Th和氧同位素比的研究,揭示了160kaBP以来低纬度区降雨和亚洲季风特点。李义连通过对娘子关泉群泉钙华δ13C、δ18O的分析,发现泉钙华所指示的古气候变化与我国北方黄土、孢粉分析结果在20万年时间尺度上有较好的对应关系。总之,岩溶地下水系统沉积物是一种很有发展前景的古气候代用指标。随着研究的进一步深入,其指示的气候分辨率可能会达到季。2对地下水水和岩相互作用的影响大量观测证据表明,由于大气中温室气体浓度的增加,我们正处于一个气候变暖期。19世纪以来,全球平均地面温度已升高了0.3~0.6℃,全球海平面高度上升了10~25cm。IPCC(1995)预测,21世纪全球气温的升高可能超过过去10000年所观测到的气温。最近的研究认为2050年全球升温的最佳估计为1.2℃,中国东部和东南部地区为1.0~1.5℃,东北、华北和西北部地区为1.5~2.0℃。全球变暖的一个直接后果就是水循环将发生重大改变,伴随着降雨和蒸发的变化,全球水资源将重新分布。气候变化不仅影响着地下水的补给与循环交替,同时也通过大气降雨化学组成和地表温度的变化来影响水-岩相互作用,进而使地下水水质发生变化。Torbert等强调,大气中CO2浓度增高对于农业生态系统中地下水水质的影响,是全球气候变化研究的空白领域。大气中CO2浓度增高会导致植物生长条件和C/N比的改变,从而影响土壤中C和N的循环,进而影响淋滤进入地下水中的硝酸盐的浓度;Bouraoui等研究了用于评价气候变化对地下水影响的可产生CO2倍增情况下的“局部气候发生器(localweathergenerator)”;Allen等研究了加拿大BritishColumbia南部GrandForks含水层对气候变化的敏感性。地下水作为重要的淡水资源,在当前全球淡水资源严重短缺的条件下,开展气候变化对地下水资源的影响研究对于水资源的可持续利用有着重要的意义。Chen等指出,气候参数的任何变化都可能会影响大的地下水系统的补给条件,从而影响地下水的可持续利用,加拿大草原过去40~50年年均气温升高、降水减少的趋势使人们开始担心该地区地下水的可否持续利用。为此,他们基于简化的水流和水均衡模型,给出了一个把气候参数与地下水水位相联系的经验模型。该模型在加拿大马尼托巴南部上部灰岩含水层得到成功应用;Loiciga等模拟了美国最大的地下水系统之一,德克萨斯州EdwardsBFZ岩溶含水层在2×CO2气候条件以及地下水开采量增加25%条件下,极度缺水、接近平均补给和超出平均补给三种情景的泉流量的变化,结论是在2×CO2气候条件下,该地区水资源将受到严重威胁,除非对开采活动加以精心的控制;Brouyère等在比利时Geer盆地建立了一个包含地下水流动的综合水文模型,用于评价气候变化对地下水的影响。综上所述,气候变化对地下水的影响是一个值得关注的研究方向,但目前的研究方法还欠完善,评价对象还主要局限于水量,预测精度较低,大量细致的研究工作尚需进一步展开。3全球生态循环作为全球物质循环与能量交换的积极参与者的地下水,在受环境变化影响的同时,它也会影响环境。例如,张宗祜等的研究