喀斯特流域水土流失對水庫碳匯效應(yīng)的影響

王 翠, 周忠發(fā), 李永柳, 張勇榮

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/喀斯特研究院, 貴州 貴陽 550001;2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗室培育基地, 貴州 貴陽 550001)

水土流失影響生態(tài)安全、飲水安全、防洪安全、糧食安全，威脅并制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。近年來，隨著全球碳循環(huán)研究的深入，水土流失導(dǎo)致的土壤碳遷移已被廣泛關(guān)注。已開展降雨過程對土壤有機(jī)碳流失規(guī)律、有機(jī)碳在流失泥沙中的富集規(guī)律、泥沙含碳量與泥沙量的關(guān)系、泥沙有機(jī)碳富集比與雨強(qiáng)的關(guān)系等方面的研究[1-3]。還有水土保持措施減少土壤有機(jī)碳的輸出[4]、水土流失影響土壤有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化、二氧化碳的釋放和土壤碳匯、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的科學(xué)評估等[5]方面的研究。這些研究都是針對水土流失對土壤碳庫的影響，對沉積區(qū)碳庫的影響研究卻相對較少。水庫作為水土流失的沉積區(qū)，沉積物可揭示流域土壤侵蝕狀態(tài)[6]，是土壤碳庫與水庫碳庫產(chǎn)生交匯作用的重要區(qū)域，每年大概有1.50×1010～2.00×1010mg土壤有機(jī)碳及氮、磷、鉀、硫等元素通過水土流失途徑被輸送到河流湖庫中[7-8]。盡管我們知道水土流失帶來的顆粒性有機(jī)碳使水庫成為流失區(qū)碳的凈匯并向大氣釋放溫室氣體[9-10]，但這個結(jié)論仍是對土壤碳庫而言，水土流失對水庫碳匯來說是碳源還是碳匯目前判斷不一[11-14]。水庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是全球“碳遺失匯”的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)，前人因為對喀斯特作用的認(rèn)識不足，無法科學(xué)計算和評估喀斯特地區(qū)水庫碳匯效應(yīng)，因此開展喀斯特區(qū)域水土流失對水庫碳匯效應(yīng)的影響研究，是對喀斯特地區(qū)水庫碳匯效應(yīng)研究的補(bǔ)充。平寨水庫流域位于貴州省畢節(jié)市，喀斯特面積占區(qū)域總面積的73.34%。平寨水庫是流域內(nèi)唯一水庫，是長江上游一級支流烏江上游的大型水庫，也是貴州省首個大型跨地區(qū)、跨流域長距離水利調(diào)水工程的核心水源工程，其生態(tài)安全對貴州省實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略具有重要意義。目前在平寨水庫流域開展的研究多為水質(zhì)、水化學(xué)、生物碳泵等方面的研究[15-16]，尚未見流域水土流失對水庫碳匯效應(yīng)的研究報道。因此，本研究以平寨水庫流域為研究區(qū)，開展流域水土流失對水庫碳匯效應(yīng)的影響研究，為區(qū)域水土流失治理，科學(xué)評估喀斯特地區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為平寨水庫流域，是黔中水利樞紐工程的核心水源工程集雨區(qū)，流域面積833.77 km2。區(qū)域內(nèi)碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖交替出現(xiàn)，呈典型多層狀碳酸鹽巖組結(jié)構(gòu)。平寨水庫是研究區(qū)唯一水庫，屬典型喀斯特深水水庫。水庫主要干流為納雍河，還有水公河、張維河、白水河、扈家河4條支流。納雍河流域分布有煤炭資源和硫鐵礦礦床[17-18]，其余區(qū)域未見大型礦產(chǎn)資源分布。研究區(qū)地形包括山地和丘陵兩種，土地利用類型有耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地6類，地表覆被類型以耕地和林地為主(圖1)。水庫2015年4月下閘蓄水，2018年12月通過蓄水驗收并于月底開始向貴陽供水。

注：ZW，BS，HJ，PZ1，PZ2，SG1，SG2和NY分別為8個監(jiān)測點(diǎn)的編號。

1.2 樣品采集與分析

1.3 二氧化碳分壓計算

二氧化碳分壓根據(jù)亨利定律[20]進(jìn)行計算，計算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Ki為平衡常數(shù),計算方程為：

pKCO2=-7×10-5T2+0.016T+1.11

(5)

pK1=1.1×10-4T2-0.012T+6.58

(6)

pK2=9×10-5T2-0.013 7T+10.62

(7)

式中：T為溫度(℃)。

根據(jù)亨利定律，pCO2可根據(jù)以下公式計算：

(8)

α(H+)=10-[pH]

(9)

(10)

(11)

式中：α表示離子活度；I表示離子強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)水土流失分析

河流泥沙主要來源于流域水土流失，因此以干流納雍河陽長水文站2014—2018年水文數(shù)據(jù)為代表進(jìn)行流域水土流失分析(圖2)。2014—2018年，納雍河年流量最大1.66×109m3(2014年)，最小11.51 m3(2016年)。平寨水庫流域水資源為降雨補(bǔ)給型，因此河流年流量呈自然起伏狀態(tài)，降雨量多的年份流量大。泥沙通量在2.54×105～1.23×106t/a之間，最大值在2014年，最小值在2018年。年流量和年泥沙通量變化不同步，主要是由于2016年泥沙通量的突然升高。將平寨水庫2014—2018年年際間的流量和泥沙通量進(jìn)行相關(guān)分析，R2為0.486 4，無顯著相關(guān)性。泥沙通量在2016年突然升高是由于下閘蓄水后水面抬升，淹沒耕地和林地，淹沒區(qū)的沉積物或土壤被水流不斷侵蝕，短時間內(nèi)形成大量泥沙進(jìn)入河流。隨著水庫的調(diào)度運(yùn)轉(zhuǎn)，流速降低，河流兩岸可侵蝕面積穩(wěn)定，水庫泥沙通量逐年降低。

圖2 納雍河2014-2018年水流量與泥沙通量變化

按月時間尺度對納雍河流量和含沙量作對數(shù)、線性、指數(shù)、乘冪和多項式回歸分析，含沙量與降雨的變化趨勢分析，含沙量與降雨等的相關(guān)分析，分析結(jié)果見圖3和表1。流量與泥沙含量回歸方程R2最大為0.760 1，為指數(shù)回歸模型，該結(jié)果與長江宜昌站分析結(jié)果不同[21]，表明研究區(qū)不同，水土流失機(jī)制和河流水文情勢有差異，影響含沙量與流量關(guān)系。平寨水庫流域降雨和含沙量表現(xiàn)為春夏季逐漸增大，秋冬季逐漸降低的變化周期，峰值出現(xiàn)在夏季。含沙量隨降雨的變化而變化，峰值一般與降雨峰值同時出現(xiàn)。相關(guān)分析表明，研究區(qū)月時間尺度上含沙量與降雨、蒸發(fā)量、流量、流速都呈極顯著正相關(guān)，流量和流速對含沙量的影響更大。因此在平寨水庫流域，降雨是造成流域內(nèi)水土流失的主要原因之一，短時強(qiáng)降雨對水庫泥沙通量影響顯著，春夏季水土流失劇烈，秋冬季減弱。

表1 研究區(qū)含沙量與降雨等參數(shù)的相關(guān)分析

圖3 納雍河月流量與含沙量回歸分析與變化趨勢分析

2.2 水庫水化學(xué)分析

表2 水化學(xué)基本參數(shù)及水化學(xué)類型

圖4 平寨水庫水化學(xué)分析結(jié)果

2.3 水庫碳匯效應(yīng)分析

根據(jù)碳通量計算公式：

Flux=K(Cwater-Cair)

式中：Flux為CO2交換通量〔mg/(m2·h)〕；Cwater為CO2在水體中的濃度(mmol/L)；Cair為空氣中CO2濃度(mmol/L)；K為CO2交換系數(shù)(cm/h)。

當(dāng)K>0時,水庫二氧化碳分壓大于大氣二氧化碳分壓,水庫向大氣排放二氧化碳,為碳源,反之為碳匯。

表3 pH值、葉綠素a及與二氧化碳分壓相關(guān)分析

圖5 平寨水庫二氧化碳分壓

圖6 平寨水庫碳匯效應(yīng)季節(jié)變化

3 討 論

3.1 平寨水庫流域水土流失變化及對水環(huán)境的影響

研究認(rèn)為流量與泥沙含量一般規(guī)律為流量增加，水動力增強(qiáng)，水流挾沙力增大，泥沙含量升高[27]。平寨水庫筑壩后水位上升，水動力減弱，河流泥沙通量逐年降低，與長江主要干支流水庫建設(shè)對河流輸沙量的影響研究結(jié)果一致[28]。

平寨水庫流域水土流失與降雨、蒸發(fā)量、流速、流量在月時間尺度上呈極顯著正相關(guān)，在年時間尺度上無相關(guān)性。一是用于統(tǒng)計分析的含沙量是水土流失的一部分，從年時間尺度上看，樣本含量較少。二是由于水庫筑壩破壞河流連續(xù)和洪水脈動規(guī)律，水流對泥沙的裹挾能力減弱，在此作用下，水土流失與降雨等影響因素失去年時間尺度上的相關(guān)性。三是影響水土流失的因素眾多，各作用因子對水土流失的影響差異大[29-30]，在各因子的交互作用下，平寨水庫流域降雨、流量、流速與水土流失在年際間較難形成相關(guān)關(guān)系，但在短時間尺度上，降雨是造成平寨水庫流域水土流失的重要原因。

3.2 平寨水庫流域水土流失對水庫碳匯效應(yīng)的影響

4 結(jié) 論

(1) 2014—2018年平寨水庫流域干流納雍河流量1.15×109～1.66×109m3/a，泥沙通量2.54×105～1.23×106t/a，泥沙通量和流量在年際間無相關(guān)性，在月時間尺度上極顯著正相關(guān)，含沙量與流量是指數(shù)回歸關(guān)系，與降雨峰值一般同時出現(xiàn)，短時強(qiáng)降雨是流域發(fā)生水土流失的主要原因之一。流域內(nèi)春夏季水土流失劇烈，秋冬季減弱。

(3) 平寨水庫二氧化碳分壓具有時空異質(zhì)性，表現(xiàn)為：冬季>秋季>春季>夏季，秋冬季為碳源，春夏季為碳匯。平寨水庫流域水土流失與水庫碳匯效應(yīng)且具有相同的季節(jié)變化周期，水土流失會減弱水庫的碳匯效應(yīng)。