湘西峒河流域水化學特征及無機碳通量計算

霍俊伊，于 奭，張清華，李 亮

(1.桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2.中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所/國土資源部廣西巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004)

CO2是重要的溫室氣體，其濃度的增加是全球氣候變暖的關(guān)鍵因素之一。工業(yè)革命以來大氣CO2含量迅速從280 ppmv增長到2005年的379 ppmv[1]，2016年已經(jīng)達到400 ppmv之上[2]。但是，截至目前全球碳收支并不平衡，存在較大的“剩余陸地碳匯”，在AR5報告中這一數(shù)值仍達2.5Pg C/a[3]。地質(zhì)作用碳匯效應常被忽視可能是大氣CO2收支不平衡的重要原因之一。研究表明，碳酸鹽巖積極參與全球碳循環(huán)[4]。河流在水循環(huán)和地球化學的循環(huán)中起著重要作用，能夠反映出巖石的化學風化與機械剝蝕作用的強弱以及承載流域巖石風化所消耗的CO2量等信息[5]。因此，利用河流水化學參數(shù)對流域內(nèi)巖石風化所產(chǎn)生碳匯量進行估算對當前全球氣候變化研究十分重要[6-7]。

峒河流域地處中國西南，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，巖性以碳酸鹽巖為主，為亞熱帶巖溶流域，是較為理想的巖溶研究區(qū)域。因此，近年來陸續(xù)開始有學者對峒河流域進行研究，何師意等[8]從水資源評價方面對峒河流域大龍洞地下河進行研究；鄧振平等[9]利用地下水示蹤實驗查明了大龍洞地下河與各泉水點的連通關(guān)系；王文娟[10]分別利用水化學徑流法和野外溶蝕實驗法計算出大龍洞地下河流域碳匯通量分別83.33×102tCO2/a和42.63×102tCO2/a，前者是后者的1.95倍；郭芳等[11]對峒河流域巖溶地下水水化學特征進行了分析。

河流作為地球化學信息的重要載體能體現(xiàn)出區(qū)域的各種特征。到目前為止，學者們對峒河地下水研究較多，但是對峒河地表水系的研究較少，為了完善對該類型流域特征的認識和查明該類型流域碳匯強度，有必要對研究區(qū)進行深入探究，從而進一步推廣到對大尺度流域的認知。本文通過對峒河流域地表河河水的研究，從水化學入手，著手分析其水化學離子的組成及特征，探究水中離子的來源及影響因素；并且計算流域無機碳通量，對量化流域內(nèi)巖溶發(fā)育過程對大氣CO2吸收的貢獻有著重要意義，也為巖溶地區(qū)碳匯的計算提供一定依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省吉首市境內(nèi)(圖1)，峒河流域發(fā)源于鳳凰縣臘爾山，河流全長68.3 km，流域出口斷面(吉首)控制面積約850 km2。流域?qū)儆趤啛釒絽^(qū)季風濕潤氣候，四季分明。多年平均降雨量1 350 mm，多年平均氣溫15℃，最低氣溫-5.5 ℃，最高氣溫40.5 ℃[12]。

2 樣品采集與分析

3 結(jié)果

峒河流域地表水的水化學參數(shù)以及主要的離子含量數(shù)據(jù)組成見表1，水體的pH值為7.75～8.70，平均值為8.31，總體呈微堿性，其中最低點位于小龍泉電站，最高點位于大龍洞電站門口?？傮wpH偏高的原因可能是人為因素的影響，如污染物的排放和農(nóng)業(yè)灌溉的淋濾帶入水體中。

峒河流域地表水TDS為119.00～211.40 mg/L，平均值為171.70 mg/L。此次調(diào)查的EC與TDS較高，主要與地層巖性有關(guān)。除此之外還可能與調(diào)查季節(jié)有關(guān)，7—8月是流域豐水期，降雨比較頻繁，雨水沖刷周邊的農(nóng)田，使泥土或農(nóng)民施用的化肥等物質(zhì)流入河流，增加河流的溶解性物質(zhì)，進而導致河水的EC和TDS偏高。此外，EC與TDS的變化范圍較大，這主要與流域內(nèi)巖性的分布有關(guān)。以TDS為例，TDS最大值出現(xiàn)在小龍洞電站，該地區(qū)的主要巖性為較純的碳酸鹽巖，所以導致河流的TDS相較于其他地方高。巖性為砂巖、頁巖以及碎屑巖為主的區(qū)域，其TDS值逐漸變小。

表1 峒河流域水化學含量Table 1 Hydrochemical indicators of waters from the Donghe River Basin

4 討論

4.1 巖石風化對流域水化學的控制

圖2 峒河流域河水中陰陽離子三角圖Fig.2 Triangle diagrams showing cation and anion composition in the water samples from the Donghe River Basin

圖3 峒河流域河水Gibbs圖Fig.3 Gibbs chart of the river water in the Donghe River Basin

4.2 河水中主要離子來源分析

河水中Na+通常來源于石鹽和硅酸鹽風化，K+一般來自于鉀長石和云母的風化[12]。Cl-與K+有一定的相關(guān)性(R2=0.25，P<0.01)，說明K+部分來自于蒸發(fā)巖。K+/Na+的平均比值為1.058，但Cl-與Na+卻不存在相關(guān)性，說明流域內(nèi)Na+來源不受巖鹽的影響。同時Na+與SiO2有著較高的相關(guān)性(R2=0.85，P<0.01)，說明Na+與硅酸鹽有著相同的來源。

表2 峒河流域河水中離子相關(guān)矩陣Table 2 Partial correlation matrix of ions concentrations of waters in the Donghe River Basin

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01

圖4 峒河流域河水中主要離子之間的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relationship among the major ions in water from the Donghe River Basin

4.3 子流域主要離子空間變化特征

表3 子流域主要離子平均濃度Table 3 Average concentration of ions in the subbasin

4.4 干流主要離子空間變化特征

5 峒河流域無機碳通量估算及分析

為了更準確地計算流域無機碳通量，在流域最終出口建立監(jiān)測站(吉首水文站斷面)，收集了2016年10月—2017年9月一個完整水文年的流量數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場測定的物理化學參數(shù)，見表4。

表4 吉首監(jiān)測站水化學指標(2016年10月—2017年9月)Table 4 Hydrochemical index at the Jishou monitoring station from October,2016 to September,2017

圖5 峒河干流主要離子變化Fig.5 Main ion changes of the Donghe river

式中：F——巖溶作用形成的碳匯量/(g·s-1)；

Q——流量/(m3·s-1)；

計算得到流域無機碳匯通量，見表5，運用水化學-徑流法估算出峒河流域無機碳通量為60 477.33 tCO2/a，碳匯強度為71.15 tCO2/(km2·a)。無機碳通量變化與流量變化趨勢基本一致，二者有著顯著的相關(guān)性。這說明流量越大，流域內(nèi)巖溶作用產(chǎn)生的大氣CO2“匯”值也越大[18]。

表5 吉首監(jiān)測站無機碳匯通量估算結(jié)果(2016年10月—2017年9月)Table 5 Estimated inorganic carbon sinks at the Jishou monitoring station from October,2016 to September,2017

6 結(jié)論

(3)運用水化學-徑流法估算出峒河流域無機碳通量為60 477.33 tCO2/a，碳匯強度為71.15 tCO2/(km2·a)。

本文對流域的水化學特征進行了分析并對碳匯強度進行了計算，但仍存在不足之處。例如碳匯通量的計算存在一定的誤差，計算時由于算法原因沒有扣除流域范圍內(nèi)非碳酸鹽巖的風化產(chǎn)生碳匯通量的部分。