岩性及气候对风化速率的影响：斯洛伐克喀斯特地区标准石灰岩与地方石灰岩样本的启示

《CATENA》：Lithological and climatic controls on denudation rates: Insights from standard and local limestone tablets in the Slovak karst

　　

阿莱娜·格塞特|兹登科·霍赫穆特

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  与气温相比，水文条件对石灰岩风化的控制作用更为显著。
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  积雪持续存在及春季融雪会加剧碳酸盐的溶解。
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  最大的风化作用发生在生物活性较强的土壤层中（深度约20厘米）。
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  岩石化学性质的差异会影响溶解作用的湿度敏感性。
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  标准石灰岩样本与本地石灰岩样本在风化反应上存在差异。

引言

研究喀斯特地区的风化过程是实验地质学与地貌学交叉的重要领域，这一过程受物理、化学或生物因素驱动。对喀斯特风化过程的研究有助于我们更好地理解化学风化与机械风化的动态及其相互作用，为喀斯特景观与地形的形成与演化提供重要见解。先前的研究表明，风化过程深受气候、地质和地形条件的影响，这些因素会显著影响风化作用的空间和时间变化规律（例如Krklec等人，2021年；Plan，2005年）。然而，岩石成分的差异以及实验设计的不同（如使用标准石灰岩样本还是本地样本）对观测到的风化速率的影响程度目前仍不明确。

可通过多种方法对风化作用进行量化，比如水化学分析法（Plan，2005年；Pulina、Fagundo，1999年；Prelov?ek，2012年；Trost等人，2018年；Gessert等人，2021年）、通过实验样本测量重量损失的方法（Trudgill，1977年；Gams，1985年；Matsukura和Hirose，1999年；Zhang，2011年；Akiyama等人，2015年；Trost等人，2018年；Krklec等人，2021年、2024年、2026年；Bufe等人，2022年；Gessert和Hochmuth，2023年；Entrena等人，2026年）、利用微侵蚀仪或巡测微侵蚀仪等仪器直接测量侵蚀量的方法（Hanna，1966年；High和Hanna，1970年；Trudgill，1979年、1986年；Cucchi等人，1994年；Cucchi等人，2006年；Klimchouk等人，1996年；Inkpen等人，2012年）、宇宙成因核素分析方法（Stone等人，1998年；Matsushi等人，2010年；Xu等人，2013年；Krklec等人，2018年；Wittmann等人，2024年），以及反复拍摄和扫描的技术（Pentacost，1991年；Inkpen等人，2000年；Williams等人，2000年；Bourke等人，2008年；Dornbusch等人，2009年；Krklec等人，2018年；Wittmann等人，2024年）。其中，石灰岩样本法能够直接且全面地反映自然环境条件下的碳酸盐溶解情况，已被广泛用于短期和长期的风化研究。与水化学分析或基于单点的测量方法相比，这种样本法能够在自然野外条件下长期监测溶解过程，尤其适合捕捉季节性和深度差异带来的变化。以往的研究已成功运用该方法来量化短期风化动态，但其区分岩石化学差异与特定地点环境因素影响的的能力仍有限，这一局限性也为本研究提供了依据。

由于喀斯特地区的矿物组成特点，其地形极易受到化学风化的影响，而溶解过程则明显受pH值、含水量和温度等环境因素的控制（Krklec等人，2021年）。水文条件，尤其是水在岩石和土壤系统中的流动，对增强化学作用并控制溶解速率起着关键作用（Gams，1966年）。

不同学者（Molina Ballesteros等人，2013年；Murphy等人，2016年；Xie等人，2022年；Ott等人，2023年；Wittmann等人，2024年）指出，在生物活动产生的有机酸所导致的酸性环境中，碳酸盐溶解作用更为显著，从而加快了有植被覆盖的喀斯特地区的风化速率。同时，化学溶解与机械侵蚀之间的相互作用会根据当地环境条件的不同，要么加速整体风化，要么抑制风化进程（Dingle等人，2025年）。海相环境的差异还会通过影响二氧化碳浓度、水分供应和溶解动力学来进一步调节这些过程（Dong等人，2024年；Ott等人，2023年）。因此，喀斯特环境中的风化作用是气候因素、水文过程和岩石性质之间复杂相互作用的体现，在不同的环境条件下，化学风化和机械风化的主导作用也会有所不同（Plan等人，2018年）。

本研究旨在通过对比在斯洛伐克喀斯特地区相同野外条件下的标准化石灰岩样本与本地采集的石灰岩样本，揭示岩石成分的差异与环境条件如何共同影响有植被覆盖的喀斯特地区的风化速率。具体而言，本研究探讨石灰岩的岩石化学性质如何影响溶解速率，以及这些影响又会如何与季节性气候变化相互作用。此外，研究还评估标准化样本得出的结果是否与本地样本具有可比性，以此判断它们在反映特定地点风化过程方面的代表性。研究结果有望帮助人们更深入地理解喀斯特风化过程中气候与岩石性质之间的相互作用，而不仅仅局限于局部区域。因此，对本地样本与标准化样本进行系统比较，对于全面了解风化过程至关重要。由当地材料制成的本地样本能够为风化与侵蚀过程的变异提供重要信息，而这些过程又直接受到特定环境与地理因素的影响。由于喀斯特地区的气候、岩石和水利条件存在较大差异，使用本地样本能够更精准地评估风化速率及其控制机制（Veress，2020年；Thomas等人，2018年）。同时，当地的水质、植被和气候条件也会显著影响风化强度。例如，Starke等人（2017年）就证明了即使在相同的岩石类型中，由于地质和气候因素的差异，风化速率也可能有所不同，这凸显出有必要在标准化条件下评估这些因素的影响。这种结合多种方法的研究方式能够得出更为可靠的结论，也能发现仅使用单一类型样本时可能无法察觉的规律（Ott等人，2019年）。因此，这种双重研究方法为厘清气候与岩石性质对喀斯特风化作用的调控机制提供了重要的方法论基础。

章节要点

斯洛伐克喀斯特地区

这片广阔的喀斯特区域被斯洛伐克与匈牙利的边界分为两个不同的区域（以及国家公园），即斯洛伐克喀斯特和阿格特尔克喀斯特（见图1）。斯洛伐克喀斯特是斯洛伐克最具代表性的喀斯特景观，大多数喀斯特地貌都分布在高原的地表、坡地以及山脚地带（Gessert，2016年）。该地区的海拔范围从特尔尼亚恩斯卡盆地和罗日尼亚夫斯卡盆地的约200米，到马捷索瓦斯卡拉山的925米不等。

标准化样本与本地样本的风化对比及季节变化

通过对雅索夫高原和西利卡高原上的标准化石灰岩样本与本地采集的石灰岩样本的平均风化速率进行比较分析（见图4），可以发现明显的时空差异规律。该图表展示了13个监测周期内风化强度的变化情况，体现了季节性变化以及岩石成分对风化作用的影响。

总体而言，标准化石灰岩样本的风化速率略高，尤其是在西利卡高原，春季时

气候对季节性风化变化的影响

两个实验地点的石灰岩风化过程中的季节性变化主要受气候因素调控，其中水文条件的影响比单纯的气温更具决定性。研究结果表明，斯洛伐克喀斯特地区的风化作用受到季节性气候条件的强烈控制，冬季末和春季风化速率较高，而夏季则较低。这种季节性差异反映了水分供应、土壤中二氧化碳生成量等多种因素的共同作用。

结论

本研究通过在地理位置相似但气候和岩石化学性质存在差异的两个高原地点，对标准化石灰岩样本和本地采集的石灰岩样本进行为期三年的暴露试验，对斯洛伐克喀斯特地区的石灰岩风化作用进行了详细的实验研究。研究结果表明，碳酸盐风化作用是气候因素与岩石所在介质的岩石化学性质共同作用的结果，而水文条件则起到了

CRediT作者贡献说明

阿莱娜·格塞特：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，数据可视化，结果验证，研究指导，方法设计，实地调查，资金筹集，正式数据分析，数据整理，研究构思。兹登科·霍赫穆特：资金筹集，实地调查，方法设计。

资金支持

本研究得到了斯洛伐克研究与开发署 [APVV-22-0024]以及中国国家自然科学基金委员会 [W2412149]的资助。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

我们要感谢所有为这项研究做出贡献的人士，包括那些参与石灰岩样本挖掘、将其搬运到研究区域及实验室的人员。尤其要感谢已故的乔日科·科瓦利克、卡尔斯滕·格塞特以及玛丽亚·奇尔乔娃，感谢他们的协助与支持。