龍灘水庫夏季溶解無機碳、氮空間分布特征

曹玉平 袁熱林 焦樹林 張倩 鄧飛艷

摘要：為探究筑壩對河流溶解無機碳、溶解無機碳氮空間分布的影響，2016年9月（豐水期）在巖溶區深水水庫（龍灘水庫）進行分層采樣，獲取水體主要的理化參數，運用經典統計學和地統計學方法揭示了水中溶解無機碳（DIC）、氮（D/Ⅳ）及溶解無機碳氮比（C/N）的空間變異特征。結果表明：龍灘水庫夏季出現明顯熱分層現象，導致總溶解固體、酸堿度、堿度、DIC、DIN出現空間分層;除水溫、pH外，水中主要理化參數在空間上變異較大，DIC、DIN、C/N的空間變異總體表現為DIC>C/N>DIN;庫區DIC、DIN、C/N的水平變異呈現從壩前向庫尾逐漸遞減的趨勢;由試驗隨機誤差產生的空間異質性較小，自然結構因素對DIC、DIN、C/N引起的空間異質性起主導作用。

關鍵詞：溶解無機碳;溶解無機氮;半方差變異函數;空間異質性;熱分層;巖溶區

中圖分類號：X524，P95

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 13 79.2019.02.019

近年來全球變暖受到普遍重視[1-2]，全球碳循環問題成為研究熱點，河流碳循環作為全球碳循環的重要組成部分受到廣泛關注[3-5]。水電作為清潔能源在我國不斷推廣和發展，截至2015年年底我國共有水庫97 988座，其中西南地區19 774座，占全國的20.18%[6]。水庫修建給河流水化學環境、水動力條件帶來了嚴重影響，由筑壩產生的“水庫效應”成為當前研究的熱點之一。筑壩阻斷了河流天然連續性，改變了水體自然性質，使之成為介于湖泊和河流之間的半自然態水體[7-8]，改變了自然狀態下河流生態系統的碳、氮循環，形成新的水域生態系統和碳、氮循環模式[9-10]。目前關于溶解無機碳、溶解無機氮空間分布特征的研究主要集中在一些河流河口或大中型水庫[11-13]。焦樹林等[12]認為西江河口段溶解無機碳穩定同位素組成平均值夏秋季小于冬春季，存在明顯的季節性差異：吳起鑫等[13]認為筑壩沒有改變河流溶解無機碳的地球化學行為過程：趙敏等[14]認為，土地利用方式改變影響水中溶解無機碳、氮的組成和變化，在巖溶地區水中溶解無機碳受石漠化影響比受原始森林影響的比重大，土壤巖溶作用對水中溶解無機碳起控制作用。但關于水庫中溶解無機碳、氮空間分異格局的相關研究較少。

龍灘水庫是一座兼具防洪、發電、航運、養殖、灌溉等多功能的大型水利樞紐工程，在國內其裝機容量和庫容僅次于長江三峽水庫。龍灘水庫水溫呈明顯季節性分層，目前對龍灘水庫的研究主要集中在水體富營養化和浮游植物群落空間分布兩方面[15-16]。本文運用半方差變異函數理論模型探討了巖溶區龍灘水庫夏季溶解無機碳、氮的空間分異格局。

1 材料與方法

1.1 試驗采樣與分析

龍灘水庫位于紅水河上游廣西天峨縣境內，壩址距離天峨縣城15 km.壩址以上流域面積98 500 km，占紅水河流域面積的71%，其庫容273億m，回水長度120 km，正常蓄水位378 m，最大水深173.5 m，平均水深92.7 m，裝機容量為540萬kW。龍灘水庫回水區域狹長，為保證采樣點均勻分布，從壩前逆流向上游設置7個采樣點，并用GPS確定采樣點位置（見圖1）。2016年9月（豐水期）在巖溶區深水水庫（龍灘水庫）進行分層采樣。采用自制雙通采水器采集垂直斷面水樣，從表層至底層間隔10 m分層采樣，直到采取庫底沉積物為止。現場利用美國麥隆公司生產的Ultru -Ⅱ（6P）水質參數儀測定水樣的溫度（T）、氧化還原電位（ORP）、酸堿度（pH值）、電導率（Cond）、總溶解固體（TDS）含量，并用稀鹽酸滴定水樣堿度（ALK）。每個采樣點用水樣清洗3次后裝瓶，密封帶回實驗室用HI83200色譜儀測定樣品營養鹽含量。

1.2 半方差變異函數模型

在水文學、地質學、生態學中許多變量都具有空間分布的特點，當一個變量呈現為空間分布時，就稱之為區域化變量[17]。水中溶解無機碳、氮可視為區域化變量，具有結構性（空間自相關性）和隨機性特征，同時庫區中溶解無機碳、氮變量滿足二階平穩假設條件，樣本空間足夠大時其半方差變異函數γ（h）的計算式為[18]Kolmogorov-Smironov（ K-S）在SPSS19.0中完成，用地統計學軟件包GS+ for Windows 9.1進行半方差函數γ（h）的計算，運用Surferll.0軟件進行克里金插值，用Origin9.0軟件進行基本統計分析。

2 結果與討論

2.1 統計分析與正態分布檢驗

水庫水體主要理化性質描述性統計結果見表1（其中“*”表示通過顯著性水平為0，05的顯著性檢驗;變異系數、偏度、峰度、檢驗概率P為無量綱）。巖溶區水體受巖溶作用的影響，pH值為7.63～ 8.30，平均值為8.02，水體總體上表現為弱堿性。夏季水體容易出現熱分層現象[15]，龍灘水庫出現明顯的水溫熱分層現象。0—10 m水體水溫形成溫躍層，10 m以下水體水溫相對較穩定，見圖2（a）。表層水溫變化梯度大于庫底層的，兩者溫度相差5.8℃。壩前水體的水溫相對變化小，分析其原因，壩前水體的涵熱作用使水溫的變幅較小[21]。由于夏季存在熱分層效應，因此水庫水體溫度、水生生物的分布及新陳代謝的強度和方向在不同水層存在顯著差異，水溫形成的密度分層限制上下水體交換，致使水庫水體總溶解固體、pH、堿度等物理化學性質差異較大且出現明顯的分層。從空間分布看，總溶解固體濃度表層小于底層，隨著水深的增加濃度隨之升高，在距離大壩40 km的水體中間形成一個高濃度區，網箱養魚眾多是該區域總溶解固體濃度大的主要原因，見圖2（b）。pH值在整個水體空間分布相對均勻，在受支流匯人擾動的條件下，pH值變化幅度較大，見圖2（c）。堿度也出現分層結構，壩前水體的堿度變化大于庫區上游地區的。在距大壩20～30 km處，堿度形成高值區域，分析認為主要受濛江和漕渡河支流匯人的影響，夏季上游巖溶溶蝕作用帶來豐富的碳酸鹽類溶解物，造成該區域堿度濃度升高，見圖2（d）。從各理化參數變異系數分析可知，除水溫、pH外，其余理化參數的空間變異較大，總體表現為NH4-N>ORP>TDS=ALK>DIC>C/N>DIN.

半方差函數主要通過區域化變量分割等距離采樣點間的差異來研究變量的空間結構和空間相關性。但空間相關分析的變量必需滿足正態分布，并且由隨機抽樣的方式獲得[22]。為了檢驗試驗數據是否符合半方差函數的分析條件，采用SPSS中Kolmogorov - Smi-ronov（K-S）正態分布檢驗概率（P）進行檢驗。檢驗時顯著性水平設定為α= 0.05，若P >0.05.則認為數據服從正態分布。由表1可知，水中DIC、DIN、C/N均大于0.05，說明數據服從正態分布，可進行空間自相關分析，并且DIC、C/N的P明顯優于DIN的。

2.2 庫區DIC、DIN、C/N各向同性下空間結構性

如果區域化變量在采樣尺度上具有空間依賴性（或者空間相關性），那么半方差函數值會隨著滯后距的增加而增大，并且在超過變程后逐漸趨近于基臺值或圍繞基臺值波動[22]。從圖3和表2可知，水體中DIC、DIN、C/N具有明顯的基臺值，說明水中溶解性DIC、DIN、C/N的分布具有一定的空間依賴性和結構性;基臺值DIN>C/N>DIC。本研究中水中溶解性C、N的分析采用不同的擬合模型，DIC適合球狀模型、DIN適合高斯模型、C/N適合系數模型。確定系數（R2）和殘差（RSS）可以評價模型擬合對研究對象的解釋效率。從表2可知，DIC、C/N的半方差函數γ（h）與空間距離h的理論模型解釋率比DIⅣ的高，DIC、C/N、DIN的解釋率分別為48%、56%、28%。

通常認為區域化變量的空間異質性（SHZ）由空間自相關（SHA）和隨機誤差（SHR）兩部分組成。B表示空間自相關引起的空間異質性，塊金值Bo表示隨機誤差的空間異質性，所以基臺值Bo+B越大，區域化變量的空間異質性越高。B/（B0+B）反映了結構因素SHA對SHZ的貢獻程度，Bo/（B0+B）反映了隨機誤差SHR引起的空間異質性占SHZ的比例。由表2可知，水中DIC、DIN、C/N的B/（B0+B）值均較高，說明結構因素對其空間異質性的貢獻率分別高達99.97%、99.91%、76.56%。按照區域化變量空間相關性的分級標準[23-24]，當B0/（B0+B）≥0.75時，變量的空間相關性很弱;當0.25≤Bo/（Bo+B）<0.75時，變量具有中等程度的空間相關性;當B0/（ B0+B）<0.25時，變量具有強烈的空間相關性。結合該分級標準，庫區水中溶解性DIC、DIN、C/N的B0/（B0 +B）值都小于<0.25%，說明變量具有強烈的空間相關性。隨機試驗產生的誤差（B0）對水中溶解性C、N的影響較小，受水體本身的性質和流域物質輸出的影響較大，研究表明水體中溶解性離子濃度是區域氣候、地層、巖石、土壤、農業活動和人為排放等環境因子的函數[10]。同時，水生生物的光合和呼吸作用是引起水體C、N空間分布差異的主要原因之一。

變程反映的是區域化變量的空間影響范圍。從表2和圖3可知，水中C/N值的變程為0.15 km，是最小的，說明水中C、N比值在較短的距離內存在空間異質性。相比而言，水中溶解無機碳和溶解無機氮的變程分別為2.00、6.47 km，說明水中溶解無機碳在空間距離超過2 km后空間相關性消失，而水中溶解無機氮在較長的距離內存在空間結構異質性，當超過變程6.47km后空間相關性消失。

2.3 庫區DIC、DIN、C/N各向異性下空間結構性

為了研究水體中DIC、DIN和C/N在不同方向上的特點，即各向異性，對不同方向的半方差函數進行計算。計算時將全方位平均分為4個方向，即0°、45°、90°、135°，分別代表東一西、東北一西南、南一北、西北一東南方向。從表3可知，水體中DIC、DIN和C/N的基臺值遠大于塊金值，表明在不同方向上三者同樣具有明顯的空間結構。其中DIC的半方差函數γ（h）與空間距離h的關系符合指數模型.DIN與C/N的符合高斯模型。從確定系數R2和殘差RSS對模型的解釋率可知，與各向同性半方差函數模型相比，DIC、DIN和C/N各向異性半方差函數模型的解釋率都較高，解釋率分別為71%、62%、54%。另外，從表3可以看出，水體中DIC、DIⅣ和C/N的B/（B0+B）值相差不大，分別為0.778、0.776、0.736，說明DIC、DIⅣ和C/N在各方向上的空間變異程度差異明顯。各向異性下，水中DIC、DIN和C/N的B0/（B0 +B）值分別為0.222、0.224、0.264，相較于各向同性的空間相關性來說，水中C、N各向異性的空間相關性降低，C/N的空間相關性由強烈的空間相關性變為中等強度的空間相關性。綜上所述，結構因素是庫區DIC、DIN、C/N的空間異質性的主要影響因素，與各向同性下的分析結果一致。

DIC、DIN和C/N各向異性的半方差變異函數與空間距離關系見圖4，結合表3，水體中DIC、DIN和C/Ⅳ三者在空間上各方向的變程各不相同。DIC、DIN在空間各方向上的變異以0°方向變異為主，也就是說從壩前到庫區上游方向DIC、DIN空間變化最大;C/N在0°、45°兩個方向上變化最大。

2.4 庫區DIC、DIN、C/N及NH4 -N的空間分布格局

水中溶解性C、N的組成和變化是一個十分復雜的綜合過程，受流域侵蝕、地形、氣候、植被、人為干擾活動，以及水中生物光合、呼吸作用及硝化細菌硝化作用等影響[11]。水庫蓄水后改變河流原始狀態下C、N的地球化學過程，水庫對水體營養物質具有明顯截留效應[25]。水中溶解性C、N具有空間變異性。基于半方差函數的建立，通過正態分布檢驗，水中DIC、DIN、C/N、NH4 -N均服從正態分布，采用Surferll.0軟件中克里金插值法繪制水中DIC、DIN、C/N、NH4 -N空間等值線分布圖，以直觀反映水中C、N在空間上的分布特征。龍灘水庫水溫在夏季出現明顯熱分層效應，水庫的熱分層阻礙了水中其他物質在上下層之間的交換。從圖5可以看出，DIC、DIN、C/N、NH4 -N呈明顯分層。

在垂直方向上.DIC表層水體濃度變化梯度大于底層水體的，隨著水深的增加DIC濃度升高，夏季水生生物光合作用強，受光透深度、水體熱分層等因素影響，上層水體是水庫初級生產力的主要產生區域。上層水體光合作用一定程度上降低了水體的DIC濃度[26]，庫底DIC長期滯留，補充表層DIC，是表層DIC的重要來源。受水庫蓄熱作用影響[21]，在壩前深度為10、30、40 m處出現了半閉合DIC等值線，見圖5（a）。

DIN空間分布大致上是中間水層濃度大，上下兩層濃度小，呈斑塊狀分布，空間上相關性不強，具有高度空間異質性，見圖5（b）。這與張壘[15]等研究的龍灘水庫總氮分布特征一致，中表層水體氮含量最大。龍灘水庫屬于深水水庫，庫內水體更新交換的時間較長，從圖5（b）可以得出這樣的結論，水庫底層長期滯留N元素，形成DIN富集區。

水體中C/N空間分布受N03 -N、NH4 -N、DIC、DIⅣ等的綜合影響。研究區C/N的空間分布與DIC的具有相似性，在縱向上出現高值斑塊區，表層水體的C/N出現明顯分層，見圖5（c），主要是受庫區一支流交互作用的影響。夏季降水充沛，流域侵蝕作用強烈，上游來水攜帶了大量的營養鹽，加上受水體頂托作用的影響，在干、支流交匯處容易出現營養鹽富集。在深水水庫中，水體達到一定深度時，水中光合作用減弱，水生生物以呼吸作用為主，造成水庫底層缺氧的環境。在缺氧的條件下，反硝化細菌反硝化作用明顯，還原硝酸鹽，釋放出分子態氮（N2）或一氧化二氮（N20），造成水中溶解性N濃度降低。NH4 -N在水中分布比較紊亂，高、低值斑塊交錯出現，上游地區NH4 -N分層現象比壩前水體明顯（圖5（d））。在整個水體中NH4 -N/DIN為1%，水中DIN的形態主要是N02 -N，比例達98%。

3 結語

筑壩改變原自然狀態河流水環境、水動力條件，導致水中溶解無機碳、氮的生物地球化學行為過程發生改變。筆者運用經典統計學，結合地統計學中半方差變異函數理論模型，探討了巖溶區深水水庫溶解無機碳、氮的空間分異特征。龍灘水庫夏季水溫出現明顯熱分層效應，導致水中TDS、pH值、ALK、DIC、DIN、C/Ⅳ及NH4 -N出現空間分層現象，除水溫、pH值外，水中主要理化參數在空間上變異性相差較大，總體表現為NH4 -N>ORP> TDS= ALK> DIC> C/N> DIⅣ;庫區DIC、DIN、C/N的水平變異具有明顯的水平空間結構，水平變異呈現從壩前向庫尾逐漸遞減的趨勢;DIC、DIN、C/N在空間上具有強烈的空間自相關性，由試驗隨機誤差（Bo）產生的空間異質性較小，自然結構因素（B）對DIC、DIN、C/N引起的空間異質性起主導作用;DIN在空間分布上出現明顯的高、低值斑塊區，表現為高異質性，總體上呈現中間高、兩端低的分布格局。

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