羌塘高原南部湖泊水化學(xué)特征及控制因素

郭 藝，甘甫平，閆柏琨，白 娟

中國自然資源航空物探遙感中心，北京100083

0 前言

湖泊是自然界中水循環(huán)的重要組成部分，蘊(yùn)藏著豐富的水資源。湖泊的形成、擴(kuò)張、收縮是大氣圈、生物圈、巖石圈和水圈相互作用的結(jié)果[1，2]。湖泊水化學(xué)特征是湖泊的一個重要特征，能夠反映湖泊水循環(huán)過程，揭示湖泊演化歷史以及對氣候變化的響應(yīng)[3，4]。青藏高原上分布著世界上海拔最高、數(shù)量最多、面積最大的湖泊群，主要以鹽湖和咸水湖為主[5]。受環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜和交通不便等因素限制，目前對青藏高原湖泊的研究大多數(shù)是利用遙感技術(shù)監(jiān)測湖面及水位的變化[6-12]。針對青藏高原湖水的水文地球化學(xué)特征的研究較少[13，14]，且主要為繞在單個湖泊，如青海湖[15，16]、羊卓雍錯[17，18]、打加芒錯[19]、納木錯[20]等。缺乏對流域尺度主要湖泊水文地球化學(xué)特征的整體討論，特別是羌塘高原的湖泊水文地球化學(xué)特征調(diào)查研究較少。為此，本研究選取羌塘高原南部湖泊為研究對象，分析湖水水化學(xué)組成特征與類型，探討主要離子來源及其控制因素，為高原湖泊水文地球化學(xué)研究及其保護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

羌塘高原主要指的是沿岡底斯山及念青唐古拉山以北的廣大藏北區(qū)域，主要包括那曲縣、安多縣、聶榮縣、比如縣、嘉黎縣、巴青縣、索縣、班戈縣、申扎縣、尼瑪縣，是青藏高原的重要組成部分。羌塘高原北部為昆侖山和唐古拉山，南部與南木林縣相鄰，東部與生達(dá)、八宿縣相鄰，西部與改則縣和搓青縣相鄰，總面積約59萬km2。

受高原地形的影響，羌塘高原氣候寒冷干燥，一年有7個月平均氣溫在0℃以下，其中1月平均氣溫在-10℃以下，極端氣溫達(dá)-35℃，6-9月各地氣溫較高，最暖月溫度達(dá)12.1℃。降水量東西差別較大，從東南向西北逐漸減少，東部安多縣和那曲縣年平均降水量達(dá)360 mm，中部改則縣年均降水量達(dá)180 mm，西部的獅泉河年均降水量只有75 mm。年蒸發(fā)量大于降水量。

西藏地區(qū)是我國湖泊最多的地區(qū)，湖泊總面積達(dá)23 800 km2，約占我國湖泊總面積的30%。按照水系和湖泊的分布特征，西藏湖泊可劃分為藏東南外流湖區(qū)、藏南外流—內(nèi)陸湖區(qū)、羌塘內(nèi)陸湖區(qū)[21]（圖1）。羌塘內(nèi)陸湖區(qū)湖泊面積為21 396 km2，占西藏湖泊總面積的88.5%。該區(qū)北部降水少、水源不足，河流多為時令河，湖泊分散；南部降水較多，水系發(fā)育，湖泊相對密集。

圖1 湖泊與采樣點位置圖Fig.1 Location map of lake and sampling points

1.2 樣品采集與測試

于2020年8月在西藏進(jìn)行了系統(tǒng)的野外考察和樣品采集，共采集湖水樣品27件，采樣點的分布如圖1。為對比分析，在藏南采集樣品7件，分別位于羊卓雍錯、佩古錯、拉昂錯和瑪旁雍錯，其余20件均位于羌塘高原。

取樣時，先用湖水沖洗300 ml的聚乙烯塑料樣品瓶3次，然后裝樣，之后密封并立即放入-4℃的冰箱低溫冷藏。所采集的樣品均在核工業(yè)分析中心分析測定。碳酸根（CO32-）和重碳酸根（HCO3-）采用酸堿指示劑滴定法測定（AT-510全自動滴定分析儀）（DZ/T006449-1993），F(xiàn)-、Cl-、SO42-、NO3-、使用ICS-1100離子色譜儀測定（DZ/T006451-1993），Ca2+、K+、Mg2+、Na+使用883 Basic IC plus 離子色譜儀測定（GB/T5750.6-2006）。

總硬度（TH）通過計算得出，TH=鎂硬度+鈣硬度=Mg2+（mg/l）×100÷24.4+Ca2+（mg/l）×100÷40[22]?？?cè)芙庑怨腆w（TDS）含量利用各離子含量總和減去1/2的HCO3-含量計算。陰陽離子平衡是衡量水化學(xué)數(shù)據(jù)可靠性的一個重要指標(biāo)，本研究中對樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行陰陽離子平衡檢驗，發(fā)現(xiàn)所有樣品誤差均在3%以下，可認(rèn)為所測水樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2 結(jié)果與討論

2.1 主要離子組成與化學(xué)類型

羌塘高原湖水pH值較高，變化范圍為8.30~9.95，平均值為9.0，與前人的研究結(jié)果一致[23]，這可能與流域表層土壤都是堿性有關(guān)。湖水的TDS差別懸殊，介于238.50~122 605.90 mg/l，平均值為19 968.90 mg/l，礦化度整體較高。總硬度變化范圍為129.52~27 503.16 mg/l，平均為2 194.07 mg/l，高于世界衛(wèi)生組織建議的用水總硬度（500 mg/l）。按照礦化度的大小可將27個湖泊分為淡水湖（TDS<1 g/l）5個、咸水湖（1~35 g/l）17個、鹽湖（TDS>35 g/l）5個。按照硬度的大小可將湖水分為軟水（總硬度小于50 mg/l）、中等水（51~120 mg/l）和硬水（總硬度大于120 mg/l），本文中所有湖水樣品均為硬水。

5個淡水湖為恰規(guī)錯（Z-39）、錯愕（Z-42）、瑪旁雍錯（Z-14）、班公湖（Z-16）和拉昂錯（Z-12），陽離子質(zhì)量濃度由大到小為：Na+、Mg2+、Ca2+、K+，平均質(zhì)量濃度分別為3.85 mmol/l、2.31 mmol/l、0.46 mmol/l、0.26 mmol/l；而陰離子的質(zhì)量濃度由大到小依次為：HCO3-、Cl-、CO32-、SO42-，其平均質(zhì)量濃度分別為；4.95 mmol/l、1.33 mmol/l、0.87 mmol/l、0.65 mmol/l（圖2）。水體中檢測到微量的NO3-和F-，但含量低于1 mg/l。

17個咸水湖水樣中，陽離子質(zhì)量濃度由大到小依次為：Na+、Mg2+、K+、Ca2+，平均質(zhì)量濃度分別為3.85 mmol/l、2.31 mmol/l、0.46 mmol/l、0.26 mmol/l；而陰離子質(zhì)量濃度由大到小為：Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-，平均質(zhì)量濃度分別為：26.43 mmol/l、19.50 mmol/l、14.53 mmol/l、11.44 mmol/l（圖2）。水體中檢測到少量的NO3-和F-，含量低于5 mg/l。

5個鹽湖分別為洞錯（Z-30）、鹽湖（Z-23）、當(dāng)穹錯（Z-33-1/2）和聶耳錯（Z-22），其水樣的陽離子質(zhì)量濃度由大到小依次為：Na+、K+、Mg2+、Ca2+，平均質(zhì)量濃度分別為1 216.68 mmol/l、105.86 mmol/l、92.88 mmol/l、4.35 mmol/l；而陰離子的質(zhì)量濃度由大到小依次為：Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-、NO3-，其平均質(zhì)量濃度分別為：974.85 mmol/l、188.28 mmol/l、68.38 mmol/l、4.51 mmol/l、0.86 mmol/l（圖2）。水體中檢測到一些F-，含量低于6 mg/l。

圖2 湖水中主要離子濃度特征Fig.2 Characteristics of main ion concentrations in lake water

羌塘高原各湖泊水化學(xué)類型差異顯著，水中主要離子的百分比決定了水化學(xué)特征。在淡水湖中，HCO3-為主要陰離子，占陰離子總量的63.42%，Na+為主要的陽離子，占陽離子總量的55.97%；在咸水湖中，Cl-和SO42-為主要陰離子，占陰離子總量的29.78%和21.97%，Na+占陽離子的絕對優(yōu)勢，占陽離子總量的81.56%；在鹽湖中，Cl-和Na+占陰、陽離子的絕對優(yōu)勢，分別占陰陽離子總量的78.82%和85.70%。湖水中Cl-、SO42-、Mg2+和Na+濃度較高，這一特征在青藏高原其他湖泊中亦有所發(fā)現(xiàn)[24]。究其原因，主要是由于大多數(shù)湖泊為封閉型湖泊，湖水長期強(qiáng)烈蒸發(fā)使得湖水中的Ca2+和HCO3-析出并沉積到湖底，從而造成Mg2+、Na+和Cl-、SO42-比例相對升高。

從Piper三線圖可以看出，淡水湖的主要化學(xué)類型為HCO3-Na-Mg，咸水湖的主要化學(xué)類型為Cl-SO4-Na-Mg，而鹽湖的主要化學(xué)類型為Cl-Na（圖3）。于昇松和唐淵（1981）研究表明羌塘高原的鹽湖水化學(xué)類型為硫酸鹽—碳酸鹽型，無氯化物型水[24]。表明過去的40年，羌塘高原的湖泊經(jīng)歷了高強(qiáng)度的蒸發(fā)結(jié)晶過程，使得湖水逐漸咸化。

圖3 湖水樣品Piper圖Fig.3 Piper diagram of lake samples

2.2 湖水主要離子來源與控制因素分析

2.2.1Gibbs圖

Gibbs總結(jié)了全球雨水、河水、湖泊等地表水的化學(xué)組成，提出了控制天然地表水中元素成因的3個自然因素：降水、巖石風(fēng)化、蒸發(fā)/結(jié)晶[25]。Gibbs圖的縱坐標(biāo)為TDS的對數(shù)，橫坐標(biāo)為Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+HCO3-）的比值。本研究中，羌塘高原湖水的Na+/（Na++Ca2+）值非常高，介于0.69～1之間，其中咸水湖和鹽湖的Na+/（Na++Ca2+）值接近于1，由圖4可看出大多數(shù)咸水湖和全部淡水湖數(shù)據(jù)落在TDS-Na+/（Na++Ca2+）圖的虛框外。造成上述現(xiàn)象的原因主是Gibbs圖主要基于大型湖泊和河流，對于一些小型水體以及干旱半干旱地區(qū)小型湖泊不一定適用。之前的研究中，孫瑞等（2012）發(fā)現(xiàn)羊卓雍錯、巴糾錯、沉錯的湖水樣品數(shù)據(jù)均在TDS-Na+/（Na++Ca2+）圖虛線框外[17]。但幾乎所有湖水?dāng)?shù)據(jù)落在TDS-Cl-/（Cl-+HCO3-）虛框內(nèi)，淡水湖樣品Cl-/（Cl-+HCO3-）較低，介于0.04～0.4之間，靠近巖石風(fēng)化端元，鹽湖樣品靠近海水端元，而咸水湖位于淡水湖和鹽湖中間，主要受蒸發(fā)結(jié)晶控制，說明咸水湖有繼續(xù)咸化的趨勢。

圖4 羌塘高原湖泊水化學(xué)吉布斯圖分布模式Fig 4.Gibbs diagram of water samples from Qiangtang Plateau

事實上，過去的百余年全球平均表面溫度升高了0.85℃，1951–2012年每10年溫度升高0.12℃[26]。在全球變暖的氣候背景下，青藏高原的氣候暖干化趨勢顯著[27-29]。氣候暖干化直接導(dǎo)致了以降水徑流補(bǔ)給為主的湖泊退縮、咸化乃至消亡。因此雖然羌塘高原湖水水化學(xué)組成的控制因素需要進(jìn)一步探討，但可以肯定的是蒸發(fā)—結(jié)晶作用是控制羌塘高原湖水化學(xué)性質(zhì)的重要過程。

2.2.2相關(guān)分析

運用相關(guān)矩陣分析，解釋湖水中主要陰陽離子之間的相關(guān)關(guān)系，如表1所示。Na+與Cl-和CO32-的相關(guān)性明顯（R2=0.99/0.86），同時和K+與Cl-的相關(guān)系數(shù)較高（R2=0.77），表明湖水中的Na+主要來自于蒸發(fā)鹽的溶解和鈉硅酸鹽礦物的風(fēng)化，K+主要來自于蒸發(fā)鹽的溶解。Mg2+和Ca2+一般來自于碳酸鹽礦物的溶解和硅酸鹽礦物的風(fēng)化，但其與HCO3-和CO32-的相關(guān)性較弱，甚至為負(fù)相關(guān)，與SO42-相關(guān)系數(shù)高（R2=0.97/0.95），表明硅酸鹽礦物的風(fēng)化作用是控制湖水離子的主要過程。相關(guān)系數(shù)表明除HCO3-外，所有離子的濃度與TDS成正相關(guān)關(guān)系，且Cl-與Na+與TDS的相關(guān)系最強(qiáng)（R2=0.96/0.98），表明蒸發(fā)濃縮起到主導(dǎo)作用。

表1 湖水不同離子濃度的相關(guān)系數(shù)Table 1 correlation analysis of ion concentration in lake water

圖5更清晰的揭示了不同類型湖泊中各個離子濃度與礦化度的關(guān)系。羌塘高原所有湖水樣品中，Cl-、Na+、K+離子濃度均隨著TDS的增加而增加；淡水湖和咸水湖湖水中SO42-、Mg2+、CO32-、總堿度離子濃度隨著TDS的增加而增加，而鹽湖中雖然上述離子的濃度均比咸水湖中的高，但與TDS無明顯相關(guān)性；淡水湖和咸水湖湖水中HCO3-離子濃度隨著TDS的增加而增加，但鹽湖中HCO3-平均值卻低于淡水湖和咸水湖，且隨著TDS的增加而減?。籆a2+離子濃度與TDS無相關(guān)性，表明Ca2+離子具有多重來源，咸水湖中Ca2+離子濃度跨度最大，但平均值最小。

圖5 湖水中主要離子濃度與TDS的關(guān)系Fig.5 Relationship between TDS and concentration of major ions in lake water

相關(guān)系數(shù)和不同離子濃度與TDS的關(guān)系揭示了湖水的演化歷史，即隨著TDS的不斷升高，溶解度小的鈣、鎂的重碳酸鹽部分析出，SO42-、Cl-及Na+逐漸成為主要成分，隨礦化度繼續(xù)升高，水中硫酸鹽達(dá)到飽和并開始析出，形成以Cl-、Na+為主的高礦化水。

2.2.3主要離子來源分析

羌塘高原氣候干燥，降水稀少，因此降水對本區(qū)湖水離子濃度影響不大。盡管人類活動對青藏高原水體化學(xué)性質(zhì)的影響遠(yuǎn)低于東部地區(qū)，但本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)穹錯湖水中的NO3-已經(jīng)高達(dá)111 mg/l，因此應(yīng)引起重視。

本文主要探討可溶巖風(fēng)化溶解對湖水化學(xué)性質(zhì)的影響。在天然條件下，水體中的Na++K+主要來源于蒸發(fā)巖或硅酸鹽礦物的溶解，Ca2+和Mg2+主要來源于碳酸鹽礦物、蒸發(fā)巖或硅酸鹽礦物的溶解，Cl-和SO42-主要來源于蒸發(fā)巖的溶解，HCO3-主要來源于碳酸鹽礦物的溶解，因此水中（Ca2++Mg2+）/（Na++K+）的比值和（HCO3-+CO32-）/（SO42-+Cl-）的比值可以作為判別不同類型巖石風(fēng)化貢獻(xiàn)程度的指標(biāo)。圖6a和6b表明從淡水湖到咸水湖到鹽湖，（Ca2++Mg2+）/（Na++K+）和（HCO3-+CO32-）/（SO42-+Cl-）的比值逐漸降低，表明碳酸鹽巖溶解對淡水湖的水化學(xué)性質(zhì)的影響較大，而對咸水湖和淡水湖的影響較小。

淡水湖的水樣中（Ca2++Mg2+）與（HCO3-+CO32-+SO42-）的當(dāng)量濃度比值近似等于1（圖6c），說明這些水中的Ca2+和Mg2+主要來源于碳酸鹽礦物（如方解石、白云石）和硫酸鹽礦物（如石膏）的溶解。而咸水湖和鹽湖的水樣中（Ca2++Mg2+）與（HCO3-+CO32-+SO42-）的當(dāng)量濃度比值均小于1，這說明這些水體中Ca2+和Mg2+除了受碳酸鹽的溶解作用外，硫酸鹽巖（芒硝等）和蒸發(fā)鹽（石鹽等）的溶解作用也具有影響。同時湖水中Mg2+是除Na+外的主要陽離子，且Mg2+/Ca2+的比例很高，這和青海湖的水質(zhì)相似[18]，表明白云巖的溶解高于方解石的溶解。

通常水中的Na+和K+主要來自于蒸發(fā)巖的溶解，如鈉長石、鉀長石、云母等硅酸鹽及鋁硅酸鹽礦物。當(dāng)蒸發(fā)巖（NaCl和KCl）的溶解對水化學(xué)組成起主要作用時，水中（Na++K+）與Cl-的當(dāng)量濃度比值應(yīng)等于1。羌塘高原的水樣中Cl-/Na+（圖6d）和Cl-/（Na++K+）（圖6e）均小于1，其中淡水湖和咸水湖湖水的Cl-/Na+的平均值分別為0.29和0.28，有研究發(fā)現(xiàn)藏南的淡水湖打加芒錯湖水的Cl-/Na+為0.46，而鹽湖中Cl-/Na+為0.77，說明除了石鹽的溶解，硅酸鹽的風(fēng)化對Na+也有很大的影響。

圖6 不同類型湖泊湖水離子比例Fig.6 ion ratio of different types of lakes

常用Na*（Na*=Na+-Cl-）表示來自地表硅酸鹽風(fēng)化所供應(yīng)的那部分Na+，因此（Na*+K+）/TZ（TZ=Na++K++2Ca2++2Mg2+）的比值來指示地表鈉硅酸鹽巖風(fēng)化對水體中陽離子的貢獻(xiàn)。研究區(qū)淡水湖湖水中（Na*+K+）/TZ比值最高為0.35，平均值0.28；咸水湖湖水中（Na*+K+）/TZ比值最高為0.82，平均值0.45；鹽湖湖水中（Na*+K+）/TZ比值最高為0.49，平均值0.24，說明石鹽的溶解和鈉硅酸鹽巖風(fēng)化對湖水中Na+的貢獻(xiàn)較大。

2.3 飽和指數(shù)

飽和指數(shù)（SI）是指示礦物與水體之間所處狀態(tài)的參數(shù)，反映了水體化學(xué)成分的變化趨勢。利用Phreeqc軟件計算湖水礦物飽和指數(shù)，結(jié)果顯示湖水中方解石、白云石的飽和指數(shù)大于0，表明隨著湖水礦化度的增加，更多的Ca2+、Mg2+和HCO3-將會沉淀，使得湖水中上述離子濃度降低。石膏和石鹽的飽和指數(shù)則小于0，表明隨著湖水礦化度的增加，更多的SO42-、Cl-和Na+會溶解，使得湖水中上述離子濃度增加。因此礦物的飽和指數(shù)揭示了青藏高原上淡水湖泊演變成咸水湖的變化過程，并指出羌塘高原的湖水有進(jìn)一步的咸化的趨勢。

圖7 湖水中礦物飽和指數(shù)Fig.7 Mineral saturation index in lake water samples

2.4 湖水離子濃度空間變化

受氣候條件、水文條件和地質(zhì)條件的控制，由藏東南向藏西北，湖水礦化度逐漸增高[21]。羌塘內(nèi)陸湖區(qū)的湖泊礦化度較高，區(qū)內(nèi)南北兩部分也有較大差別，南部湖泊中咸水湖所占的比重最大。由圖8可以看出，羌塘高原北緯33°附近發(fā)育有眾多咸水湖。同時，湖水的礦化度分布就有經(jīng)向的條帶分布，由西向東主要有82.2°、83.5°、84.7°、86.7°、88.3°和89.8°六個條帶。鄭綿平和劉喜方（2010）通過調(diào)查研究青藏高原550個鹽湖，發(fā)現(xiàn)西藏中、西部的鹽湖一般在海拔4 600~5 100 m[13]，而本研究發(fā)現(xiàn)羌塘高原的鹽湖主要發(fā)育在湖面海拔4 600 m以下（圖8）。

圖8 羌塘高原湖水礦化度（TDS）空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of TDS in lake water of Qiangtang Plateau

3 結(jié)論

青藏高原湖泊具有高生態(tài)價值和高脆弱性并存的特點，本研究探討了淡水湖、咸水湖和鹽湖三種類型湖水的主要化學(xué)組分特征，探討其主要離子來源、控制因子和演化趨勢，對區(qū)域水資源開發(fā)利用與保護(hù)具有重要意義。羌塘高原內(nèi)湖泊湖水的離子濃度具有明顯的空間差異性，多以咸水湖為主，蒸發(fā)結(jié)晶作用是控制其水文地球化學(xué)特征的主要因素，受全球和區(qū)域氣候變化的影響，羌塘高原的湖水會進(jìn)一步咸化。

本研究仍有工作需要進(jìn)一步深入，探討湖泊水質(zhì)對氣候變化的響應(yīng)，亟需長時間序列的數(shù)據(jù)支持，因此需要全面分析流域內(nèi)不同水體、不同季節(jié)的水化學(xué)特征，并基于同位素等研究手段，進(jìn)一步定量研究高原湖泊水化學(xué)成分的來源以及對氣候變化的響應(yīng)。