地表圈层物质生物地球化学循环及其与全球和区域环境变化的内在联系是目前环境科学与地球科学交叉研究领域的核心及前沿科学问题。本项研究针对西南喀斯特地区酸雨、水土流失、生态环境退化、水环境污染等一系列环境问题，以西南（贵州地区为主）大气降水、地表水和地下水以及大气微粒和河水中的悬浮物为主要研究对象，对不同水体和沉积物的化学组成和同位素组成在时间和空间上的变化规律进行了研究，对不同地球化学过程，如水/岩相互作用、水/粒界面作用，不同水体混合作用，生物地球化学作用等对水体化学组成和物质迁移转化的控制机理，对喀斯特生态环境中物质的水文地球化学循环特征及其与生态环境演变的内在联系有了新的系统认识，为喀斯特生态环境保护与治理提供了科学依据。

主要研究成果：

1、贵阳市大气环境质量的降水地球化学标志

贵阳市是我国西南酸雨危害较严重的城市之一，为了了解贵阳市大气质量变化特征、物质来源以及人为大气输入物质对喀斯特地区生态环境的影响，本项研究对贵阳市干湿沉降物的化学和同位素（34S, 15N, 87Sr/86Sr）组成变化进行了历时两年多的系统分析研究。成果发现，贵阳市降水的离子浓度、硫酸盐离子含量比世界许多地区雨水高：贵阳地区大部分雨水的pH值均小于5.6；雨水中Ca2＋是最主要的阳离子，其次为Mg2＋；SO42－是最主要的阴离子，其次为 NO3－。大气悬浮粒的SO42－，Ca2＋和NH4+为主要的无机离子。另外通过硫和氮同位素对雨水硫酸盐、氨和硝酸盐离子来源进行了系统示踪，发现不同季节和不同雨量的雨水的同位素组成变化大，结合大气沉降物的化学组成说明，贵阳市大气环境仍然受到酸雨影响，工业燃煤排放仍然是影响贵阳市区大气环境质量的主要原因。

有关研究成果已发表在《Atmospheric Environment》，《Science in China》，《地球化学》等国内外核心刊物上。

2、喀斯特流域侵蚀的自然与人为过程特征

流域侵蚀的自然和人为过程特征的识别是理解自然和人为因素对流域生态环境变化的影响、进行流域环境保护和治理的科学基础。河水地球化学直接反映了流域侵蚀过程特征及其与生态环境的关系。因此本项目对贵州省内三条河流：乌江、舞阳河和清水江的河水地球化学进行了研究。结果发现：（1）喀斯特地区河流水化学以高Ca、Mg和高碱度以及高硫酸盐含量为特征，与世界许多大河流水化学组成有显著差别，明显受碳酸盐岩的溶解过程控制；（2）河水中溶解质主要来源于石灰岩和白云岩的风化，不同碳酸盐岩风化来源的组成特征识别，为大陆地壳化学风化作用的河水地球化学研究提供重要理论基础；（3）利用化学质量平衡、化学计量学原理以及同位素来源示踪等手段，对流域化学风化的平均速率进行了计算，结果显示乌江流域的化学侵蚀速率比世界类似地质背景流域的风化速率明显偏高，对大气CO2的消耗大；（4）大气输入硫、硫化物和有机硫的氧化形成的硫酸参与了流域侵蚀，使碳酸盐岩的风化形成了CO2的源，提出了与至今人们认识不同的观点。

有关研究成果已发表在《Chemical Geology》，《Science in China》，《地球化学》等国内外核心刊物上。

3、喀斯特流域－湖泊系统营养元素（C、N、P、S等）循环与流失特征

(1)喀斯特流域营养元素的流失特征

乌江流域－湖泊系统营养元素地球化学循环的研究发现，虽然乌江河水流量只占长江上游所有主要支流的10％左右，但N、P和S的流失通量是长江上游所有支流贡献的30～50％，说明乌江流域的生源元素正发生大量流失。乌江流域大量营养元素的快速流失将对长江三峡水库库区以及下游生态环境造成影响。

乌江河水中N和硫的含量及占主要离子总量的比例较高。河水中的硫酸盐和硝酸盐的大气输入和农业活动输入特征显著，流域含煤地层中硫化物的氧化也是河水中硫酸盐的重要来源之一。除农肥使用外，乌江流域富集的P矿产的风化可能是P的主要来源之一。喀斯特河水相当数量的溶解无机碳来源于流域有机质的降解，喀斯特流域的有机C流失通量比非喀斯特流域有机C的流失通量明显要大，说明喀斯特环境土壤有机碳降解速率大。

（2）湖泊－水库系统中营养元素的生物地球化学循环

对乌江流域三个水库的研究表明，库区水相对于入库河水和下泻水有较高的有机碳和较低的硅含量，指示了库区生物作用对营养元素循环的影响。河水通过水库后，其不同形态磷的含量都有明显增加，可能反映了湖泊沉积物/水界面过程、水/粒相互作用以及水库泄洪作用等对磷的共同影响。

通过对贵阳市的三个水源地，即红枫湖、百花湖和阿哈湖以及乌江干流水库的研究建立了喀斯特地区流域－湖泊C、N和Si交换的质量平衡模式，揭示了湖泊C、N营养元素的内源本质，以及C、N循环的湖泊水环境效应：湖泊中氮和碳的含量高低主要决定于湖泊中氮和碳的生物地球化学循环过程；湖泊内部有机碳与无机碳之间的生物地球化学转换是导致湖泊水环境变化的主要驱动因素之一；湖泊有机质矿化降解过程中，C－N－S的相互作用对湖泊水质产生了强烈的影响；湖泊水－沉积物界面生物地球化学过程研究表明湖泊沉积物是湖泊N、P营养元素内源释放的主要源头。

有关研究成果已发表在《Chemical Geology》，《Water Research》《Water, Air and Soil Pollution》，《地球化学》等国内外核心刊物上。

4、喀斯特流域重金属循环特征及其有关环境问题

（1）矿山排放中的重金属

本项目对贵州喀斯特流域6个矿山环境重金属地球化学循环进行了研究。从Biolog、DNA水平探讨了土法炼锌产生的重金属积累对土壤微生物群落结构的可能影响，对土法炼锌释放的重金属Pb、Zn、Cd在喀斯特水体—悬浮物—沉积物之间的转化行为有了系统认识。明显不同于酸性矿山废水，喀斯特地区矿山排放中悬浮物含量高、废水高碱性，重金属以颗粒态迁移为主。通过同位素等手段确定了流域下游沉积物中污染物质的矿山来源，其存在状态。结论认为，喀斯特地区矿山环境Pb、Zn对流域沉积物的影响具有长期性，矿山污染可影响至下游数十公里，并在一定条件下发生再次污染。喀斯特地区治理矿山污染的重要途径是防止污染沉积物的扩散。

（2）流域重金属（和稀土元素）循环与水体“二次污染”

喀斯特河流溶解态重金属和稀土元素浓度因较高的pH值而不具有较高的含量，稀土元素总体上含量与海水相似，轻稀土元素较高，而重稀土元素比海水低。其它重金属元素，如Pb，As，Cu，Zn等比海水略高。pH和水/粒相互作用以及河水化学性质控制了河水重金属浓度的变化：重金属元素以颗粒态形式迁移为主。溶解态重金属元素主要以碳酸盐离子络合物和重碳酸盐离子络合物为主。由于阿哈湖上游煤矿开采的影响，湖水中铁、锰、硫及微量重金属含量较高，表层沉积物中存在着重金属的强烈富集，沉积物/水界面存在强烈的Fe—Mn－S界面循环。微生物实验证实Fe－Mn－S循环是在微生物参与下完成的。沉积物/水界面Fe－Mn－S循环主要控制了湖泊水体“二次污染”的发生或消失：本研究能为喀斯特湖泊常发生的“二次污染”环境问题提供理论解释。

有关研究成果已发表在《Applied Geochemistry》，《Water, Air and Soil Pollution》，《环境科学》等国内外核心刊物上。

5、喀斯特地表水/地下水相互作用的地球化学过程机理

通过研究贵阳和遵义地区夏季和冬季地下水/地表水的化学组成发现，无论是地下水还是地表水，枯水期（冬季）总溶解质普遍高于丰水期（夏季），而且不同岩性储水层的地下水具有不同的总溶解质含量，一般石膏盐层水>白云岩层水>石灰岩层水（石灰岩夹碎屑岩）>地表河水。主要溶解阳离子的来源完全可以用三个端员组分（石灰岩、白云岩和碎屑岩风化物质）的混合来加以解释。通过对表征人为活动的化学组分NO3-、Cl-、SO42-、K+及δ13C、δ15N、87Sr/86Sr和δ34S空间和季节分布特征研究结果揭示，地表水/地下水交换速率快，水/岩作用程度较低，地下水水文系统很容易受到地表人为活动的影响。

有关研究成果已发表在《Groundwater》、《地球化学》和《水科学进展》等国内外核心刊物上。

成果特色

1、直接服务于喀斯特地区社会经济和资源环境可持续发展目标

该项研究由国家环境地球化学重点实验室的主要力量、明确直接针对喀斯特地区一系列生态环境问题进行的系统基础研究。该项成果作为主要部分获的2004年度贵州省科技进步奖一等奖，该成果将为贵州省主要生态环境问题的评价、预测和治理发挥重要的指导意义。

2、项目的前沿性和创新性

从基础研究理论上，该项研究站在当前世界地球系统科学的前沿，围绕地球表面各圈层之间物质的循环过程及其与全球和区域环境变化的关系这一核心科学问题，利用多学科交叉理论和方法开展了我省喀斯特流域物质水文和生物地球化学循环的研究。这是我国第一个有关特定流域、特别是喀斯特流域环境物质循环的系统研究，其研究目标、研究内容、研究手段和研究成果的系统性和创新性在国际上也可以说至今未有过的。国际上（如前南斯拉夫、法国、美国）和国内对喀斯特的研究主要是喀斯特水文地质和地理的研究，类似该项目的研究还没有。

3、获得大量重要的基础理论研究成果并产生一定影响

本项研究成果迄今已发表SCI论文22篇，CSCD论文42篇，国际会议论文（详细）摘要19余篇，国内学术会议（详细）摘要11篇，博士生学位论文9部。

另外，发表的成果在很短的时间内就被他人引用了50余次。地球化学权威杂志《Chem. Geol.》的主编对其中有关水圈重金属的稀土元素地球化学行为的研究给予了高度评价：（1）“You have made an impressive systematic study of chemical changes along an esturary flow path, documenting compex changes in heavy metal concentration”，（2）“As this is among the first studies aimed at the behavior of REE in rainwater, and as studies like this have potial to 1）illuminate our understanding of the global REE cycle and 2) better define the transport of pollutants in the atmosphere. I feel this study will be widely appreciated by the geochemical community.”。

4、提出了许多新的科学问题

通过该项目的研究工作为基础而发现许多的前沿性科学问题，因此申请到了大量国家自然科学基金项目（约16项）。

代表性论文

1. Han, G.L. and Liu, C.-Q., 2004. Water Geochemistry Controlled by Carbonate Dissolution: A Study of The River Waters Draining Karst-Dominated Terrain, Guizhou Province, China. Chem. Geol. 204, 1-21.
2. Zhang, G., Liu, C.-Q., Yang, Y.P. and Wu, P., 2004. The Characteristics of Heavy Metals and Sulfur Isotope in Water and sediments of Mine-tailing area reach in Carbonate. Water, Air and Soil Pollution 155, 51-62.
3. Xiao, H.Y. and Liu, C.-Q., 2002. Sources of Nitrogen and Sulfur in Wet Deposition at Guiyang, Southwest China. Atmospheric Environment 36, 5121-5130.
4. Wang, Z.L. and Liu, C.-Q., 2000. Distributions of Dissolved Rare Earth Elements During Estuarine Mixing at the ChangjiangRiver Mouth. Chinese Science Bulletin 45(19), 1795-1799.
5. Wang, Z.L. and Liu, C.-Q., 2003. Distribution and Partition Behavior of Heavy Metals between Dissolved and Acid-Soluble Fractions along a salinity gradient in the Changjiang Estuarine, Eastern China. Chemical Geology 202, 383-396.
6. Wang, F.S., Liu, C.-Q., Liang, X.B. and Wei, Z.Q., 2003. Remobiliazation of Trace Metals Induced by Microbiological Activities near Sediment-Water Interface, Aha Lake, Guiyang. Chinese Science Bulletin 48(21), 2352-2356.
7. Wu, F.C., Qing, H. and Wan, G.J., 2001. Regeneration of N, P, and Si near the Sediment/Water Interface of Lakes from Southwestern China Plateau. Water Research 35(5), 1334-1337.
8. Xiao, H.-Y. and Liu, C.-Q., 2004. Chemical characteristics of water-soluble components in TSP over Guiyang, SW China. Atmos. Environ. 38, 6297-6306.
9. Zhang, G., Liu, C.-Q., Wu, P., and Yang, Y., 2004. The geochemical characteristics of mine-waste calcinesand runoff from the Wanshan mercury mine, Guizhou, China. Appl. Geochem 19, 1735-1744.