典型喀斯特流域旱雨季交替下溶解硅的輸送特征

郝 卓,高 揚,張晴雯,熊佰煉

1 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,農業清潔流域團隊,北京 100081 2 中國科學院地理科學與資源研究所,生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101 3 遵義師范學院資源與環境學院,遵義 563006

中國西南地區處于喀斯特關鍵帶,是世界三大喀斯特分布區之一,以貴州為中心的喀斯特集中分布區巖溶發育強烈,碳酸鹽巖及硅酸鹽巖礦物豐富[1-2]。喀斯特水系具有獨特的地表地下二元結構,降雨入滲后形成降雨-地表-地下“三水”承載的生源要素遷移轉化過程復雜[2- 4]。水流在溶洞,裂隙及管道中流動發生強烈的水力聯系,水流通過土壤孔隙,不僅與土壤直接接觸，還與巖石表面充分接觸,使得水體中的巖石溶解物質豐富[5-6]。硅(Si)是一種普遍存在的元素,并且與其他元素的生物地球化學循環具有復雜的相互作用[7- 9]。溶解硅(DSi)是淡水和海洋生態系統的重要營養物質,主要來自于土壤及表層巖石的化學風化作用。河流中的硅主要以徑流輸入的土壤、顆粒態硅(PSi)以及生物硅(BSi)的形式存在,PSi和BSi在水體的遷移過程中,部分沉積至河底,部分分解釋放為DSi參與河流的Si循環過程[7, 10-11]。河流作為連接陸地生態系統及海洋生態系統的重要紐帶,每年從河流輸送到海洋的溶解性及顆粒狀生源要素占陸地到海洋運輸量的90%[12]。全球DSi預算報告指出每年以全球河流系統進入海洋約為370 Mt SiO2[13-14]。因此,河流承載著DSi的外源輸入及遷移過程[11]。

隨著河流富營養化狀態日益加重,人為筑壩,生態破壞導致水文情勢的改變,引發藻類加速生長,使得河流DSi濃度顯著下降,對硅的地球化學循環平衡產生嚴重的影響,對河口及海洋引發不良的環境效應[11]。目前,關于水體DSi的研究逐漸成為熱點,但大多集中在河流入海口或流動性差的水庫探討Si的生物地球化學循環過程。我國喀斯特面積較大,巖溶發育強烈,但至今對于喀斯特地區DSi通量的研究鮮有報道[15]。本文選取貴州典型喀斯特流域,在巖溶流域尺度上對降雨、地表水及地下水DSi濃度進行了為期一年的監測,分析旱、雨季交替下水體DSi的運移通量變化特征,探討喀斯特流域水體DSi遷移的驅動機制及巖石風化作用對DSi濃度的影響,并結合當地人為活動評估其環境效應,以期為喀斯特地區河流營養鹽輸送及生態恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

后寨河流域位于貴州省安順市普定縣(26°17′05.30″N,105°39′21.44″E),流域面積為80.65 km2,海拔在1218—1585 m之間。研究區屬亞熱帶季風氣候,春季干燥,夏季濕潤,5—8月集中降雨,年平均降雨量為1314.6 mm,年平均溫度為15.1℃。流域內后寨河河床滲漏嚴重,河流明暗交替,后寨地下河水系相當發育,是普定縣重要的供水水源[4]。后寨河流域內基巖類型主要為三疊系中統關嶺組的石灰巖和白云巖,砂頁巖較少,土壤類型為黃壤、石灰土和水稻土,流域內土壤質量差,土層淺薄且不連續[16-17]。

1.2 采樣方法

常規采樣點：分別布置10個采樣點,1號點為后寨河總出口(包含地表水No.1S和地下水No.1G及交匯點No.1M)。No.1G為流域地下水出口處,在No.1G點處地下水涌上地面,直接人工采集樣品。每月固定時間人工采集2次河水樣品,采集100 mL河水裝入聚乙烯瓶(圖1)。

降雨過程樣品：在1號點采集地表水(No.1S)及地下水(No.1G)收集3場完整降雨過程(3場次降雨事件)作為降雨驅動下的徑流過程樣品(降雨徑流過程)共計12個,分為雨前,雨中,雨后進行采集。其中雨前采樣2次,雨中采樣8次(每次間隔20—30 min),雨后采樣2次。采集100 mL河水裝入聚乙烯瓶。

雨水采集：在試驗區屋頂安裝雨量計,每次降雨后,人工采集。所有樣品采集后放置于培養箱中4°C冷藏保存并送至實驗室試驗及時分析。

在后寨河流域總出口處設置用于觀測流量的導流渠和三角堰利用HOBO水位記錄儀(U20型,美國ONET公司)每隔5 min監測獲得連續的水位數據,根據堰流公式計算流量值。

圖1 貴州普定后寨河流域采樣點分布圖Fig.1 The location of Puding in Guizhou and the sampling points in Houzhai River Basin.NO.1G：1號地下水采樣點；NO.1S：1號地表水采樣點；NO.1M：1號地表與地下水匯合采樣點

1.3 樣品分析

1.4 數據分析

1.4.1通量計算方法[18-19]

(8)

式中,F代表沉降通量(kg/hm2),p代表各場雨的降雨量(mm),c代表雨水中各離子的濃度(mg/L)。

1.4.2污染物負荷計算方法[20]：

(9)

式中,yj為第j種污染物的排放負荷(g)；ct為t時刻徑流中第j種污染物的濃度(mg/L)；qt為t時刻的流量(m3/s)；ci為第j種污染物在樣本i監測時的濃度(mg/L)；qi為樣本i在監測時的流量(m3/s)；x為徑流量(m3)；Δt為樣本i和i+1的時間間隔(s)。

2 結果與分析

2.1 喀斯特流域內大氣濕沉降溶解硅(DSi)變化特征

本研究在2017年4—9月共收集19場降雨,圖2為次降雨DSi濃度及降雨量變化規律。如圖2所示,其中小雨(0—10 mm)11場、中雨(10—30 mm)5場及暴雨(>50 mm)3場,降雨量峰值89 mm出現在2017年6月12日,且中雨及暴雨主要集中在夏季(6—8月)。DSi濕沉降濃度變化范圍為0.22—1.35 mg/L。通過與降雨量加權平均濃度計算得到小雨過程DSi平均濃度為0.78 mg/L,中雨過程DSi平均濃度為0.43 mg/L及暴雨過程DSi平均濃度為0.34 mg/L,說明降雨稀釋作用明顯。降雨量大對大氣中污染物的沖刷作用較強,導致雨水中DSi的濃度較低。但降雨歷時長和降雨強度高直接導致DSi的沉降通量增加,3場暴雨、5場中雨、11場小雨的DSi輸入通量分別為0.64、0.46、0.26 kg/hm2。

圖2 濕沉降溶解硅濃度變化及降雨量Fig.2 Variation of dissolved silicon (DSi) concentration and rainfall in wet deposition

2.2 旱雨季交替下后寨河水體DSi濃度變化特征

本研究根據當地亞熱帶氣候特點,將2017年1—4月劃分為旱季,5—8月為雨季,9—12月為旱季,圖3為后寨河流域水體各采樣點DSi濃度變化特征。如圖3所示,后寨河在旱季出現了斷流的特征,在2號及9號采樣點完全斷流,在4號、5號、10號個別月份也出現斷流的情況。1號采用的地下水濃度明顯高于地表水,且濃度月變化較小,1號地表水旱季(1—4月)濃度為(1.14±0.26)mg/L,地下水平均濃度為(3.89±0.33)mg/L。1月份水體DSi濃度相對較高,濃度變化范圍為1.20—5.72 mg/L,平均值為(4.14±2.00)mg/L,各采樣點DSi濃度起伏較大。2月水體DSi平均濃度最低為(2.48±1.34)mg/L。在雨季,6—8月后寨河水量充足,這與雨季降水頻繁有直接的關系,說明后寨河為季節性河流(圖3)。如圖3所示,5月各采樣點濃度最低,平均濃度為(3.62±1.98)mg/L。6—8月DSi濃度差異不大,處于全年較高水平,平均濃度分別為(6.55±1.29)mg/L,(6.73±1.57)mg/L,(6.83 ±2.57)mg/L。在9—12月份的旱季,從10月份開始出現斷流,各采樣點濃度變化規律與1—4月的旱季基本相同。綜合圖3可知,無論旱、雨季各月份均為3號采樣點DSi濃度最低,濃度最低值為0.59 mg/L,平均濃度為(0.66±0.36)mg/L。3號采樣點處于青山水庫的出口處,經過水庫的沉積作用可能導致出口處水體中DSi濃度下降。另外,雨季后寨河水體DSi濃度明顯高于旱季,說明降雨過程中對土壤淋溶作用強烈，且地表水地下水交換過程迅速，導致水體中DSi濃度升高明顯。

圖3 后寨河流域內水體DSi濃度月變化Fig.3 Monthly variation of DSi concentration in Houzhai River Basin

2.3 次降雨事件流域地表水徑流DSi動態變化特征

在雨季,由于降雨過程對水體DSi濃度影響較大,本研究于2017年8月在后寨河1號采樣點地表水及地下水出口處分別收集3場完整的降雨徑流過程分析DSi動態變化特征。圖4為地表水DSi濃度,降雨過程徑流量及水體pH值變化。如圖4所示,2017年8月25日(小雨6.4 mm)降雨徑流過程DSi濃度呈現雨中濃度降低,雨前及雨后較高,濃度變化范圍為2.39—3.15 mg/L, 8月27日(中雨13.4 mm)DSi濃度波動范圍與其他兩場降雨相比波動范圍最大2.32—3.76 mg/L。8月31日(小雨1.4mm)雨中濃度變化起伏最小(2.91—3.21 mg/L)。3場降雨徑流過程DSi濃度均低于同月的常規采樣中DSi濃度5.57 mg/L,說明降雨起到了一定的稀釋作用,并且中雨的沖刷作用明顯高于小雨。如圖4所示,3場降雨的徑流量變化特征,8月25日徑流量變化幅度較小,僅在降雨初期有小峰值為13.34 m2/h；8月27日中雨徑流量略高于8月25日降雨中有明顯的峰值為14.49 m2/h；8月31日徑流量明顯高于其他兩場降雨,可能由于多天連續降雨導致的,峰值在降雨中期為15.86 m2/h。3場次降雨的徑流量均呈現雨后徑流量下降的規律,說明地表水徑流量受降雨過程的直接影響。圖4表明降雨-過程中pH值變化特征,3場次降雨過程pH值變化范圍差異較小,但8月25日pH值偏高為7.84—7.93。8月31日pH值最低變化范圍為7.7—7.81。pH值變化規律與徑流量呈現負相關,說明后寨河流域地表水pH值受降雨徑流過程影響較大。

圖4 降雨徑流過程地表水DSi濃度變化Fig.4 Variation of DSi concentration in surface water under rainfall-runoff process

2.4 次降雨事件流域地下水徑流DSi動態變化特征

圖5為降雨徑流過程中,地下水DSi濃度、徑流量及水體pH值變化。如圖5所示,3場次降雨事件的降雨徑流過程DSi濃度起伏很小,平均濃度分別為(5.75±0.12)mg/L,(5.84±0.10)mg/L及(5.73±0.09)mg/L,8月27日中雨濃度略高一些。同月的常規采樣中DSi濃度為5.87 mg/L,與降雨徑流過程濃度差異不大,說明中小雨的降雨過程對地下水DSi濃度的影響較小。在圖5中,3場降雨徑流過程地下水徑流量變化特征,三場次降雨事件在降雨過程中徑流量呈現平穩下降的趨勢,徑流量最小為8月25日的(325.02±24.44)m2/h,最大值為8月31日的(481.63±17.51)m2/h,由于多天連續降雨導致徑流量明顯高于其他兩場降雨。三場次降雨的地下水徑流量變化規律與地表水相同(圖4),但起伏較小,地下水徑流量變化相對穩定。如圖5所示,降雨徑流過程中pH值變化特征,三場次降雨過程pH值變化范圍差異較小,8月25日pH值偏高為7.86—7.97略高于地表水。其他2場次降雨事件pH值僅在降雨初期有些起伏,后期趨于穩定且pH值基本一致,降雨徑流過程對地下水水體中pH值影響不明顯。

圖5 降雨徑流過程地下水DSi濃度變化Fig.5 Variation of DSi concentration in groundwater under rainfall-runoff process

3 討論

3.1 喀斯特流域硅酸鹽巖的風化過程

水體中的Si主要受硅酸鹽礦物溶解及鋁硅酸鹽礦物的水解。徑流對于硅酸巖風化速率有著強有力的控制作用[21],水體中Na++K+主要來自于硅酸巖風化,但水體中的部分Na+離子又與Cl-來自蒸發巖風化過程,故排除蒸發巖風化的影響,DSi/(Na+*+K+)的比值可以反應硅酸巖風化程度[22-23]。本研究區在旱季(1—4月)DSi/(Na+*+K+)的比值約為 1.07,雨季DSi/(Na+*+K+)為1.56,旱季(9—12月)比值為0.58。本研究DSi/(Na+*+K+)的比值較低,當比值<1時說明該流域硅酸鹽巖風化過程不強烈[21],僅雨季硅酸鹽風化作用稍明顯,故后寨喀斯特流域水體中DSi濃度(72±26)μmol/L明顯低于全球河流DSi含量(133.02 μmol/L)及全球湖泊及水庫DSi濃度(122.13 μmol/L)[22, 24-25]。

圖6 旱、雨季交替下后寨河流域水體水化學陽離子、陰離子三角分析圖Fig.6 The Ternary diagram of cationic and anion in the dry and wet seasons in Houzhai river basin

3.2 旱雨季交替下流域水體DSi通量收支特征

硅酸鹽巖溶解及含硅土壤流失通過逐級河流輸送DSi入海提供浮游植物的必要營養[26]。DSi遷移是流域生態系統硅循環的重要過程,在本研究后寨河流域溶解硅通量及遷移情況如圖7所示,2017年全年DSi沉降通量為4.52 kg/hm2,其中8月份沉降通量為最大值1.16 kg/hm2。后寨河流域面積為80.65 km2,故2017年DSi濕沉降負荷為36.45 t/a。后寨河流域出口處地表水DSi輸出負荷為49.70 t/a,地下水的DSi輸出負荷為161.69 t/a,是地表水的3.25倍。后寨河流域地處亞熱帶季風氣候,旱雨季差異明顯,雨季DSi濕沉降負荷為25.32 t占全年的69.5%。流域地表水DSi遷移受到降雨過程的驅動影響十分顯著[27],呈現明顯的正相關關系(R2=0.76),雨季輸出量為48.75 t/a占全年輸出負荷的98.1%。地下水徑流量與降雨量也呈現一定的正相關(R2=0.43),由于降雨-地表水-地下水補給關系復雜,故僅與降水的相關性不高,但雨季輸出量為83.15 t/a占全年輸出負荷的51.4%。后寨河流域為下級水系輸送的DSi總負荷為211.39 t/a。與受硅酸鹽巖控制的流域相比,九龍江北溪和西溪兩大干流的年均向海輸送DSi通量分別為59.3 kg/hm2、95.0 kg/hm2[28],是后寨河流域的26.2 kg/hm2的2倍和3倍。

圖7 旱、雨季交替下后寨河流域降雨量、徑流量、DSi沉降通量及輸出負荷變化特征 Fig.7 The variation characteristics of rainfall, discharge, DSi deposition flux and export load in the dry and wet seasons in Houzhai river basin

3.3 旱雨季交替下流域水體DSi動態變化引起的環境效應

河流DSi不僅受到流域巖石風化過程的影響,也受到人為活動的干擾。流域內長期的農業生產活動及土地利用變化共同影響水體DSi含量。后寨河流經青山水庫后經過3號采樣點,從圖3可知DSi濃度明顯下降旱季(1—4月)濃度下降29.0%、雨季下降70.9%。水體經過湖泊或水庫,流速減緩,水體中DSi是通過生物利用轉化為無定形的生物硅(BSi)。水庫中硅藻吸收利用也是導致DSi濃度下降的原因[29]。研究表明：河流DSi濃度隨著水庫面積百分比的增加而降低,主要是由水流停留時間增長導致的,在低流速下DSi濃度下降明顯,由于水更清澈,硅藻的光合作用限制小,生長不受影響,吸收利用DSi效率較高[26]。在旱季較低的流量條件下,DSi濃度和通量較低,水體停留時間增長提高了DSi在水庫中生物利用度,導致下游河道的DSi濃度明顯下降。由于喀斯特流域是以碳酸鹽巖溶解為主導的河流,水體DIC濃度遠高于DSi濃度,故DSi濃度是硅藻生長的主要限制因子。在旱雨季交替下,河流DSi濃度差異性較大,硅藻生長受到限制,藻類群落結構發生改變,可能會改變河流中的營養成分并影響初級生產力,甚至可能會改變后寨河流域浮游植物群的營養供應[30-31],引發水質問題。對于流域水體營養物質供應的問題還需對農業活動及土地利用方式的影響開展長期研究,從長遠的角度來預測浮游植物群落隨著DSi濃度的動態變化后的改變。在未來的研究中,除DSi外,還應增加對BSi的監測來進一步研究陸地生態系統的硅循環過程和相關的環境效應。

4 結論

(1)亞熱帶季風氣候的喀斯特流域DSi濕沉降濃度變化與降雨量變化有密切的關系,小雨DSi平均濃度為0.78 mg/L,暴雨DSi平均濃度為0.34 mg/L。河流中DSi濃度變化雨季較高,旱季較低,說明降雨過程中對土壤淋溶作用影響強烈,并且在地表水和地下水迅速交換過程中導致DSi濃度升高明顯。另外,地表水徑流量及DSi濃度對降雨徑流過程的響應比地下水明顯。

(2)后寨河流域DSi沉降通量及輸出通量呈明顯的旱、雨季差異。2017年全年DSi沉降通量為4.52 kg/hm2,DSi濕沉降負荷為36.45 t/a,雨季DSi濕沉降負荷為25.32 t占全年的69.5%。流域河流DSi輸出負荷受到降雨過程的驅動影響顯著,地表水雨季輸出量為48.75 t/a占全年輸出負荷的98.1%,地下水雨季輸出量為83.15 t/a占全年輸出負荷的51.4%。

(3)后寨河流域水體為重碳酸-鈣型,主要受到碳酸鹽巖及蒸發巖控制。流域硅酸鹽巖風化過程不強烈,僅雨季稍明顯。后寨喀斯特流域水體中DSi濃度(72±26)μmol/L明顯低于全球河流DSi含量(133.02 μmol/L)。流域DSi濃度受人為水庫影響明顯,旱季(1—4月)濃度下降29.0%、雨季下降70.9%,旱雨季交替下,DSi濃度差異性較大,藻類群落結構易發生改變,引發水質問題。