龍灘水庫(kù)夏季溶解無機(jī)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(duì)河流溶解無機(jī)碳、溶解無機(jī)碳氮空間分布的影響，2016年9月（豐水期）在巖溶區(qū)深水水庫(kù)（龍灘水庫(kù)）進(jìn)行分層采樣，獲取水體主要的理化參數(shù)，運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法揭示了水中溶解無機(jī)碳（DIC）、氮（D/Ⅳ）及溶解無機(jī)碳氮比（C/N）的空間變異特征。結(jié)果表明：龍灘水庫(kù)夏季出現(xiàn)明顯熱分層現(xiàn)象，導(dǎo)致總?cè)芙夤腆w、酸堿度、堿度、DIC、DIN出現(xiàn)空間分層;除水溫、pH外，水中主要理化參數(shù)在空間上變異較大，DIC、DIN、C/N的空間變異總體表現(xiàn)為DIC>C/N>DIN;庫(kù)區(qū)DIC、DIN、C/N的水平變異呈現(xiàn)從壩前向庫(kù)尾逐漸遞減的趨勢(shì);由試驗(yàn)隨機(jī)誤差產(chǎn)生的空間異質(zhì)性較小，自然結(jié)構(gòu)因素對(duì)DIC、DIN、C/N引起的空間異質(zhì)性起主導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：溶解無機(jī)碳;溶解無機(jī)氮;半方差變異函數(shù);空間異質(zhì)性;熱分層;巖溶區(qū)

中圖分類號(hào)：X524，P95

文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)問題成為研究熱點(diǎn)，河流碳循環(huán)作為全球碳循環(huán)的重要組成部分受到廣泛關(guān)注[3-5]。水電作為清潔能源在我國(guó)不斷推廣和發(fā)展，截至2015年年底我國(guó)共有水庫(kù)97 988座，其中西南地區(qū)19 774座，占全國(guó)的20.18%[6]。水庫(kù)修建給河流水化學(xué)環(huán)境、水動(dòng)力條件帶來了嚴(yán)重影響，由筑壩產(chǎn)生的“水庫(kù)效應(yīng)”成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。筑壩阻斷了河流天然連續(xù)性，改變了水體自然性質(zhì)，使之成為介于湖泊和河流之間的半自然態(tài)水體[7-8]，改變了自然狀態(tài)下河流生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮循環(huán)，形成新的水域生態(tài)系統(tǒng)和碳、氮循環(huán)模式[9-10]。目前關(guān)于溶解無機(jī)碳、溶解無機(jī)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(kù)[11-13]。焦樹林等[12]認(rèn)為西江河口段溶解無機(jī)碳穩(wěn)定同位素組成平均值夏秋季小于冬春季，存在明顯的季節(jié)性差異：吳起鑫等[13]認(rèn)為筑壩沒有改變河流溶解無機(jī)碳的地球化學(xué)行為過程：趙敏等[14]認(rèn)為，土地利用方式改變影響水中溶解無機(jī)碳、氮的組成和變化，在巖溶地區(qū)水中溶解無機(jī)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(duì)水中溶解無機(jī)碳起控制作用。但關(guān)于水庫(kù)中溶解無機(jī)碳、氮空間分異格局的相關(guān)研究較少。

龍灘水庫(kù)是一座兼具防洪、發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖、灌溉等多功能的大型水利樞紐工程，在國(guó)內(nèi)其裝機(jī)容量和庫(kù)容僅次于長(zhǎng)江三峽水庫(kù)。龍灘水庫(kù)水溫呈明顯季節(jié)性分層，目前對(duì)龍灘水庫(kù)的研究主要集中在水體富營(yíng)養(yǎng)化和浮游植物群落空間分布兩方面[15-16]。本文運(yùn)用半方差變異函數(shù)理論模型探討了巖溶區(qū)龍灘水庫(kù)夏季溶解無機(jī)碳、氮的空間分異格局。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)采樣與分析

龍灘水庫(kù)位于紅水河上游廣西天峨縣境內(nèi)，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(kù)容273億m，回水長(zhǎng)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(jī)容量為540萬(wàn)kW。龍灘水庫(kù)回水區(qū)域狹長(zhǎng)，為保證采樣點(diǎn)均勻分布，從壩前逆流向上游設(shè)置7個(gè)采樣點(diǎn)，并用GPS確定采樣點(diǎn)位置（見圖1）。2016年9月（豐水期）在巖溶區(qū)深水水庫(kù)（龍灘水庫(kù)）進(jìn)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(kù)底沉積物為止?，F(xiàn)場(chǎng)利用美國(guó)麥隆公司生產(chǎn)的Ultru -Ⅱ（6P）水質(zhì)參數(shù)儀測(cè)定水樣的溫度（T）、氧化還原電位（ORP）、酸堿度（pH值）、電導(dǎo)率（Cond）、總?cè)芙夤腆w（TDS）含量，并用稀鹽酸滴定水樣堿度（ALK）。每個(gè)采樣點(diǎn)用水樣清洗3次后裝瓶，密封帶回實(shí)驗(yàn)室用HI83200色譜儀測(cè)定樣品營(yíng)養(yǎng)鹽含量。

1.2 半方差變異函數(shù)模型

在水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生態(tài)學(xué)中許多變量都具有空間分布的特點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)變量呈現(xiàn)為空間分布時(shí)，就稱之為區(qū)域化變量[17]。水中溶解無機(jī)碳、氮可視為區(qū)域化變量，具有結(jié)構(gòu)性（空間自相關(guān)性）和隨機(jī)性特征，同時(shí)庫(kù)區(qū)中溶解無機(jī)碳、氮變量滿足二階平穩(wěn)假設(shè)條件，樣本空間足夠大時(shí)其半方差變異函數(shù)γ（h）的計(jì)算式為[18]Kolmogorov-Smironov（ K-S）在SPSS19.0中完成，用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件包GS+ for Windows 9.1進(jìn)行半方差函數(shù)γ（h）的計(jì)算，運(yùn)用Surferll.0軟件進(jìn)行克里金插值，用Origin9.0軟件進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 統(tǒng)計(jì)分析與正態(tài)分布檢驗(yàn)

水庫(kù)水體主要理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1（其中“*”表示通過顯著性水平為0，05的顯著性檢驗(yàn);變異系數(shù)、偏度、峰度、檢驗(yàn)概率P為無量綱）。巖溶區(qū)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(xiàn)為弱堿性。夏季水體容易出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象[15]，龍灘水庫(kù)出現(xiàn)明顯的水溫?zé)岱謱蝇F(xiàn)象。0—10 m水體水溫形成溫躍層，10 m以下水體水溫相對(duì)較穩(wěn)定，見圖2（a）。表層水溫變化梯度大于庫(kù)底層的，兩者溫度相差5.8℃。壩前水體的水溫相對(duì)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(yīng)，因此水庫(kù)水體溫度、水生生物的分布及新陳代謝的強(qiáng)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(kù)水體總?cè)芙夤腆w、pH、堿度等物理化學(xué)性質(zhì)差異較大且出現(xiàn)明顯的分層。從空間分布看，總?cè)芙夤腆w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(gè)高濃度區(qū)，網(wǎng)箱養(yǎng)魚眾多是該區(qū)域總?cè)芙夤腆w濃度大的主要原因，見圖2（b）。pH值在整個(gè)水體空間分布相對(duì)均勻，在受支流匯人擾動(dòng)的條件下，pH值變化幅度較大，見圖2（c）。堿度也出現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，壩前水體的堿度變化大于庫(kù)區(qū)上游地區(qū)的。在距大壩20～30 km處，堿度形成高值區(qū)域，分析認(rèn)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(qū)域堿度濃度升高，見圖2（d）。從各理化參數(shù)變異系數(shù)分析可知，除水溫、pH外，其余理化參數(shù)的空間變異較大，總體表現(xiàn)為NH4-N>ORP>TDS=ALK>DIC>C/N>DIN.

半方差函數(shù)主要通過區(qū)域化變量分割等距離采樣點(diǎn)間的差異來研究變量的空間結(jié)構(gòu)和空間相關(guān)性。但空間相關(guān)分析的變量必需滿足正態(tài)分布，并且由隨機(jī)抽樣的方式獲得[22]。為了檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合半方差函數(shù)的分析條件，采用SPSS中Kolmogorov - Smi-ronov（K-S）正態(tài)分布檢驗(yàn)概率（P）進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時(shí)顯著性水平設(shè)定為α= 0.05，若P >0.05.則認(rèn)為數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。由表1可知，水中DIC、DIN、C/N均大于0.05，說明數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，可進(jìn)行空間自相關(guān)分析，并且DIC、C/N的P明顯優(yōu)于DIN的。

2.2 庫(kù)區(qū)DIC、DIN、C/N各向同性下空間結(jié)構(gòu)性

如果區(qū)域化變量在采樣尺度上具有空間依賴性（或者空間相關(guān)性），那么半方差函數(shù)值會(huì)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(tái)值或圍繞基臺(tái)值波動(dòng)[22]。從圖3和表2可知，水體中DIC、DIN、C/N具有明顯的基臺(tái)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(jié)構(gòu)性;基臺(tái)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(shù)模型。確定系數(shù)（R2）和殘差（RSS）可以評(píng)價(jià)模型擬合對(duì)研究對(duì)象的解釋效率。從表2可知，DIC、C/N的半方差函數(shù)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(rèn)為區(qū)域化變量的空間異質(zhì)性（SHZ）由空間自相關(guān)（SHA）和隨機(jī)誤差（SHR）兩部分組成。B表示空間自相關(guān)引起的空間異質(zhì)性，塊金值Bo表示隨機(jī)誤差的空間異質(zhì)性，所以基臺(tái)值Bo+B越大，區(qū)域化變量的空間異質(zhì)性越高。B/（B0+B）反映了結(jié)構(gòu)因素SHA對(duì)SHZ的貢獻(xiàn)程度，Bo/（B0+B）反映了隨機(jī)誤差SHR引起的空間異質(zhì)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(jié)構(gòu)因素對(duì)其空間異質(zhì)性的貢獻(xiàn)率分別高達(dá)99.97%、99.91%、76.56%。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[23-24]，當(dāng)B0/（B0+B）≥0.75時(shí)，變量的空間相關(guān)性很弱;當(dāng)0.25≤Bo/（Bo+B）<0.75時(shí)，變量具有中等程度的空間相關(guān)性;當(dāng)B0/（ B0+B）<0.25時(shí)，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。結(jié)合該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，庫(kù)區(qū)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(qiáng)烈的空間相關(guān)性。隨機(jī)試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差（B0）對(duì)水中溶解性C、N的影響較小，受水體本身的性質(zhì)和流域物質(zhì)輸出的影響較大，研究表明水體中溶解性離子濃度是區(qū)域氣候、地層、巖石、土壤、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和人為排放等環(huán)境因子的函數(shù)[10]。同時(shí)，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(qū)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(nèi)存在空間異質(zhì)性。相比而言，水中溶解無機(jī)碳和溶解無機(jī)氮的變程分別為2.00、6.47 km，說明水中溶解無機(jī)碳在空間距離超過2 km后空間相關(guān)性消失，而水中溶解無機(jī)氮在較長(zhǎng)的距離內(nèi)存在空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，當(dāng)超過變程6.47km后空間相關(guān)性消失。

2.3 庫(kù)區(qū)DIC、DIN、C/N各向異性下空間結(jié)構(gòu)性

為了研究水體中DIC、DIN和C/N在不同方向上的特點(diǎn)，即各向異性，對(duì)不同方向的半方差函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)將全方位平均分為4個(gè)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(tái)值遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)。其中DIC的半方差函數(shù)γ（h）與空間距離h的關(guān)系符合指數(shù)模型.DIN與C/N的符合高斯模型。從確定系數(shù)R2和殘差RSS對(duì)模型的解釋率可知，與各向同性半方差函數(shù)模型相比，DIC、DIN和C/N各向異性半方差函數(shù)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(guān)性來說，水中C、N各向異性的空間相關(guān)性降低，C/N的空間相關(guān)性由強(qiáng)烈的空間相關(guān)性變?yōu)橹械葟?qiáng)度的空間相關(guān)性。綜上所述，結(jié)構(gòu)因素是庫(kù)區(qū)DIC、DIN、C/N的空間異質(zhì)性的主要影響因素，與各向同性下的分析結(jié)果一致。

DIC、DIN和C/N各向異性的半方差變異函數(shù)與空間距離關(guān)系見圖4，結(jié)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(kù)區(qū)上游方向DIC、DIN空間變化最大;C/N在0°、45°兩個(gè)方向上變化最大。

2.4 庫(kù)區(qū)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(gè)十分復(fù)雜的綜合過程，受流域侵蝕、地形、氣候、植被、人為干擾活動(dòng)，以及水中生物光合、呼吸作用及硝化細(xì)菌硝化作用等影響[11]。水庫(kù)蓄水后改變河流原始狀態(tài)下C、N的地球化學(xué)過程，水庫(kù)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有明顯截留效應(yīng)[25]。水中溶解性C、N具有空間變異性?；诎敕讲詈瘮?shù)的建立，通過正態(tài)分布檢驗(yàn)，水中DIC、DIN、C/N、NH4 -N均服從正態(tài)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(kù)水溫在夏季出現(xiàn)明顯熱分層效應(yīng)，水庫(kù)的熱分層阻礙了水中其他物質(zhì)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(qiáng)，受光透深度、水體熱分層等因素影響，上層水體是水庫(kù)初級(jí)生產(chǎn)力的主要產(chǎn)生區(qū)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(kù)底DIC長(zhǎng)期滯留，補(bǔ)充表層DIC，是表層DIC的重要來源。受水庫(kù)蓄熱作用影響[21]，在壩前深度為10、30、40 m處出現(xiàn)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(guān)性不強(qiáng)，具有高度空間異質(zhì)性，見圖5（b）。這與張壘[15]等研究的龍灘水庫(kù)總氮分布特征一致，中表層水體氮含量最大。龍灘水庫(kù)屬于深水水庫(kù)，庫(kù)內(nèi)水體更新交換的時(shí)間較長(zhǎng)，從圖5（b）可以得出這樣的結(jié)論，水庫(kù)底層長(zhǎng)期滯留N元素，形成DIN富集區(qū)。

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(qū)C/N的空間分布與DIC的具有相似性，在縱向上出現(xiàn)高值斑塊區(qū)，表層水體的C/N出現(xiàn)明顯分層，見圖5（c），主要是受庫(kù)區(qū)一支流交互作用的影響。夏季降水充沛，流域侵蝕作用強(qiáng)烈，上游來水?dāng)y帶了大量的營(yíng)養(yǎng)鹽，加上受水體頂托作用的影響，在干、支流交匯處容易出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)鹽富集。在深水水庫(kù)中，水體達(dá)到一定深度時(shí)，水中光合作用減弱，水生生物以呼吸作用為主，造成水庫(kù)底層缺氧的環(huán)境。在缺氧的條件下，反硝化細(xì)菌反硝化作用明顯，還原硝酸鹽，釋放出分子態(tài)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(cuò)出現(xiàn)，上游地區(qū)NH4 -N分層現(xiàn)象比壩前水體明顯（圖5（d））。在整個(gè)水體中NH4 -N/DIN為1%，水中DIN的形態(tài)主要是N02 -N，比例達(dá)98%。

3 結(jié)語(yǔ)

筑壩改變?cè)匀粻顟B(tài)河流水環(huán)境、水動(dòng)力條件，導(dǎo)致水中溶解無機(jī)碳、氮的生物地球化學(xué)行為過程發(fā)生改變。筆者運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)中半方差變異函數(shù)理論模型，探討了巖溶區(qū)深水水庫(kù)溶解無機(jī)碳、氮的空間分異特征。龍灘水庫(kù)夏季水溫出現(xiàn)明顯熱分層效應(yīng)，導(dǎo)致水中TDS、pH值、ALK、DIC、DIN、C/Ⅳ及NH4 -N出現(xiàn)空間分層現(xiàn)象，除水溫、pH值外，水中主要理化參數(shù)在空間上變異性相差較大，總體表現(xiàn)為NH4 -N>ORP> TDS= ALK> DIC> C/N> DIⅣ;庫(kù)區(qū)DIC、DIN、C/N的水平變異具有明顯的水平空間結(jié)構(gòu)，水平變異呈現(xiàn)從壩前向庫(kù)尾逐漸遞減的趨勢(shì);DIC、DIN、C/N在空間上具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，由試驗(yàn)隨機(jī)誤差（Bo）產(chǎn)生的空間異質(zhì)性較小，自然結(jié)構(gòu)因素（B）對(duì)DIC、DIN、C/N引起的空間異質(zhì)性起主導(dǎo)作用;DIN在空間分布上出現(xiàn)明顯的高、低值斑塊區(qū)，表現(xiàn)為高異質(zhì)性，總體上呈現(xiàn)中間高、兩端低的分布格局。

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