羌塘高原南部湖泊水化学特征及控制因素

郭 艺，甘甫平，闫柏琨，白 娟

中国自然资源航空物探遥感中心，北京100083

0 前言

湖泊是自然界中水循环的重要组成部分，蕴藏着丰富的水资源。湖泊的形成、扩张、收缩是大气圈、生物圈、岩石圈和水圈相互作用的结果[1，2]。湖泊水化学特征是湖泊的一个重要特征，能够反映湖泊水循环过程，揭示湖泊演化历史以及对气候变化的响应[3，4]。青藏高原上分布着世界上海拔最高、数量最多、面积最大的湖泊群，主要以盐湖和咸水湖为主[5]。受环境恶劣、地形复杂和交通不便等因素限制，目前对青藏高原湖泊的研究大多数是利用遥感技术监测湖面及水位的变化[6-12]。针对青藏高原湖水的水文地球化学特征的研究较少[13，14]，且主要为绕在单个湖泊，如青海湖[15，16]、羊卓雍错[17，18]、打加芒错[19]、纳木错[20]等。缺乏对流域尺度主要湖泊水文地球化学特征的整体讨论，特别是羌塘高原的湖泊水文地球化学特征调查研究较少。为此，本研究选取羌塘高原南部湖泊为研究对象，分析湖水水化学组成特征与类型，探讨主要离子来源及其控制因素，为高原湖泊水文地球化学研究及其保护提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

羌塘高原主要指的是沿冈底斯山及念青唐古拉山以北的广大藏北区域，主要包括那曲县、安多县、聂荣县、比如县、嘉黎县、巴青县、索县、班戈县、申扎县、尼玛县，是青藏高原的重要组成部分。羌塘高原北部为昆仑山和唐古拉山，南部与南木林县相邻，东部与生达、八宿县相邻，西部与改则县和搓青县相邻，总面积约59万km2。

受高原地形的影响，羌塘高原气候寒冷干燥，一年有7个月平均气温在0℃以下，其中1月平均气温在-10℃以下，极端气温达-35℃，6-9月各地气温较高，最暖月温度达12.1℃。降水量东西差别较大，从东南向西北逐渐减少，东部安多县和那曲县年平均降水量达360 mm，中部改则县年均降水量达180 mm，西部的狮泉河年均降水量只有75 mm。年蒸发量大于降水量。

西藏地区是我国湖泊最多的地区，湖泊总面积达23 800 km2，约占我国湖泊总面积的30%。按照水系和湖泊的分布特征，西藏湖泊可划分为藏东南外流湖区、藏南外流—内陆湖区、羌塘内陆湖区[21]（图1）。羌塘内陆湖区湖泊面积为21 396 km2，占西藏湖泊总面积的88.5%。该区北部降水少、水源不足，河流多为时令河，湖泊分散；南部降水较多，水系发育，湖泊相对密集。

图1 湖泊与采样点位置图Fig.1 Location map of lake and sampling points

1.2 样品采集与测试

于2020年8月在西藏进行了系统的野外考察和样品采集，共采集湖水样品27件，采样点的分布如图1。为对比分析，在藏南采集样品7件，分别位于羊卓雍错、佩古错、拉昂错和玛旁雍错，其余20件均位于羌塘高原。

取样时，先用湖水冲洗300 ml的聚乙烯塑料样品瓶3次，然后装样，之后密封并立即放入-4℃的冰箱低温冷藏。所采集的样品均在核工业分析中心分析测定。碳酸根（CO32-）和重碳酸根（HCO3-）采用酸碱指示剂滴定法测定（AT-510全自动滴定分析仪）（DZ/T006449-1993），F-、Cl-、SO42-、NO3-、使用ICS-1100离子色谱仪测定（DZ/T006451-1993），Ca2+、K+、Mg2+、Na+使用883 Basic IC plus 离子色谱仪测定（GB/T5750.6-2006）。

总硬度（TH）通过计算得出，TH=镁硬度+钙硬度=Mg2+（mg/l）×100÷24.4+Ca2+（mg/l）×100÷40[22]。总溶解性固体（TDS）含量利用各离子含量总和减去1/2的HCO3-含量计算。阴阳离子平衡是衡量水化学数据可靠性的一个重要指标，本研究中对样品数据进行阴阳离子平衡检验，发现所有样品误差均在3%以下，可认为所测水样数据准确可靠。

2 结果与讨论

2.1 主要离子组成与化学类型

羌塘高原湖水pH值较高，变化范围为8.30~9.95，平均值为9.0，与前人的研究结果一致[23]，这可能与流域表层土壤都是碱性有关。湖水的TDS差别悬殊，介于238.50~122 605.90 mg/l，平均值为19 968.90 mg/l，矿化度整体较高。总硬度变化范围为129.52~27 503.16 mg/l，平均为2 194.07 mg/l，高于世界卫生组织建议的用水总硬度（500 mg/l）。按照矿化度的大小可将27个湖泊分为淡水湖（TDS<1 g/l）5个、咸水湖（1~35 g/l）17个、盐湖（TDS>35 g/l）5个。按照硬度的大小可将湖水分为软水（总硬度小于50 mg/l）、中等水（51~120 mg/l）和硬水（总硬度大于120 mg/l），本文中所有湖水样品均为硬水。

5个淡水湖为恰规错（Z-39）、错愕（Z-42）、玛旁雍错（Z-14）、班公湖（Z-16）和拉昂错（Z-12），阳离子质量浓度由大到小为：Na+、Mg2+、Ca2+、K+，平均质量浓度分别为3.85 mmol/l、2.31 mmol/l、0.46 mmol/l、0.26 mmol/l；而阴离子的质量浓度由大到小依次为：HCO3-、Cl-、CO32-、SO42-，其平均质量浓度分别为；4.95 mmol/l、1.33 mmol/l、0.87 mmol/l、0.65 mmol/l（图2）。水体中检测到微量的NO3-和F-，但含量低于1 mg/l。

17个咸水湖水样中，阳离子质量浓度由大到小依次为：Na+、Mg2+、K+、Ca2+，平均质量浓度分别为3.85 mmol/l、2.31 mmol/l、0.46 mmol/l、0.26 mmol/l；而阴离子质量浓度由大到小为：Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-，平均质量浓度分别为：26.43 mmol/l、19.50 mmol/l、14.53 mmol/l、11.44 mmol/l（图2）。水体中检测到少量的NO3-和F-，含量低于5 mg/l。

5个盐湖分别为洞错（Z-30）、盐湖（Z-23）、当穹错（Z-33-1/2）和聂耳错（Z-22），其水样的阳离子质量浓度由大到小依次为：Na+、K+、Mg2+、Ca2+，平均质量浓度分别为1 216.68 mmol/l、105.86 mmol/l、92.88 mmol/l、4.35 mmol/l；而阴离子的质量浓度由大到小依次为：Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-、NO3-，其平均质量浓度分别为：974.85 mmol/l、188.28 mmol/l、68.38 mmol/l、4.51 mmol/l、0.86 mmol/l（图2）。水体中检测到一些F-，含量低于6 mg/l。

图2 湖水中主要离子浓度特征Fig.2 Characteristics of main ion concentrations in lake water

羌塘高原各湖泊水化学类型差异显著，水中主要离子的百分比决定了水化学特征。在淡水湖中，HCO3-为主要阴离子，占阴离子总量的63.42%，Na+为主要的阳离子，占阳离子总量的55.97%；在咸水湖中，Cl-和SO42-为主要阴离子，占阴离子总量的29.78%和21.97%，Na+占阳离子的绝对优势，占阳离子总量的81.56%；在盐湖中，Cl-和Na+占阴、阳离子的绝对优势，分别占阴阳离子总量的78.82%和85.70%。湖水中Cl-、SO42-、Mg2+和Na+浓度较高，这一特征在青藏高原其他湖泊中亦有所发现[24]。究其原因，主要是由于大多数湖泊为封闭型湖泊，湖水长期强烈蒸发使得湖水中的Ca2+和HCO3-析出并沉积到湖底，从而造成Mg2+、Na+和Cl-、SO42-比例相对升高。

从Piper三线图可以看出，淡水湖的主要化学类型为HCO3-Na-Mg，咸水湖的主要化学类型为Cl-SO4-Na-Mg，而盐湖的主要化学类型为Cl-Na（图3）。于昇松和唐渊（1981）研究表明羌塘高原的盐湖水化学类型为硫酸盐—碳酸盐型，无氯化物型水[24]。表明过去的40年，羌塘高原的湖泊经历了高强度的蒸发结晶过程，使得湖水逐渐咸化。

图3 湖水样品Piper图Fig.3 Piper diagram of lake samples

2.2 湖水主要离子来源与控制因素分析

2.2.1Gibbs图

Gibbs总结了全球雨水、河水、湖泊等地表水的化学组成，提出了控制天然地表水中元素成因的3个自然因素：降水、岩石风化、蒸发/结晶[25]。Gibbs图的纵坐标为TDS的对数，横坐标为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之间，其中咸水湖和盐湖的Na+/（Na++Ca2+）值接近于1，由图4可看出大多数咸水湖和全部淡水湖数据落在TDS-Na+/（Na++Ca2+）图的虚框外。造成上述现象的原因主是Gibbs图主要基于大型湖泊和河流，对于一些小型水体以及干旱半干旱地区小型湖泊不一定适用。之前的研究中，孙瑞等（2012）发现羊卓雍错、巴纠错、沉错的湖水样品数据均在TDS-Na+/（Na++Ca2+）图虚线框外[17]。但几乎所有湖水数据落在TDS-Cl-/（Cl-+HCO3-）虚框内，淡水湖样品Cl-/（Cl-+HCO3-）较低，介于0.04～0.4之间，靠近岩石风化端元，盐湖样品靠近海水端元，而咸水湖位于淡水湖和盐湖中间，主要受蒸发结晶控制，说明咸水湖有继续咸化的趋势。

图4 羌塘高原湖泊水化学吉布斯图分布模式Fig 4.Gibbs diagram of water samples from Qiangtang Plateau

事实上，过去的百余年全球平均表面温度升高了0.85℃，1951–2012年每10年温度升高0.12℃[26]。在全球变暖的气候背景下，青藏高原的气候暖干化趋势显著[27-29]。气候暖干化直接导致了以降水径流补给为主的湖泊退缩、咸化乃至消亡。因此虽然羌塘高原湖水水化学组成的控制因素需要进一步探讨，但可以肯定的是蒸发—结晶作用是控制羌塘高原湖水化学性质的重要过程。

2.2.2相关分析

运用相关矩阵分析，解释湖水中主要阴阳离子之间的相关关系，如表1所示。Na+与Cl-和CO32-的相关性明显（R2=0.99/0.86），同时和K+与Cl-的相关系数较高（R2=0.77），表明湖水中的Na+主要来自于蒸发盐的溶解和钠硅酸盐矿物的风化，K+主要来自于蒸发盐的溶解。Mg2+和Ca2+一般来自于碳酸盐矿物的溶解和硅酸盐矿物的风化，但其与HCO3-和CO32-的相关性较弱，甚至为负相关，与SO42-相关系数高（R2=0.97/0.95），表明硅酸盐矿物的风化作用是控制湖水离子的主要过程。相关系数表明除HCO3-外，所有离子的浓度与TDS成正相关关系，且Cl-与Na+与TDS的相关系最强（R2=0.96/0.98），表明蒸发浓缩起到主导作用。

表1 湖水不同离子浓度的相关系数Table 1 correlation analysis of ion concentration in lake water

图5更清晰的揭示了不同类型湖泊中各个离子浓度与矿化度的关系。羌塘高原所有湖水样品中，Cl-、Na+、K+离子浓度均随着TDS的增加而增加；淡水湖和咸水湖湖水中SO42-、Mg2+、CO32-、总碱度离子浓度随着TDS的增加而增加，而盐湖中虽然上述离子的浓度均比咸水湖中的高，但与TDS无明显相关性；淡水湖和咸水湖湖水中HCO3-离子浓度随着TDS的增加而增加，但盐湖中HCO3-平均值却低于淡水湖和咸水湖，且随着TDS的增加而减小；Ca2+离子浓度与TDS无相关性，表明Ca2+离子具有多重来源，咸水湖中Ca2+离子浓度跨度最大，但平均值最小。

图5 湖水中主要离子浓度与TDS的关系Fig.5 Relationship between TDS and concentration of major ions in lake water

相关系数和不同离子浓度与TDS的关系揭示了湖水的演化历史，即随着TDS的不断升高，溶解度小的钙、镁的重碳酸盐部分析出，SO42-、Cl-及Na+逐渐成为主要成分，随矿化度继续升高，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，形成以Cl-、Na+为主的高矿化水。

2.2.3主要离子来源分析

羌塘高原气候干燥，降水稀少，因此降水对本区湖水离子浓度影响不大。尽管人类活动对青藏高原水体化学性质的影响远低于东部地区，但本研究发现当穹错湖水中的NO3-已经高达111 mg/l，因此应引起重视。

本文主要探讨可溶岩风化溶解对湖水化学性质的影响。在天然条件下，水体中的Na++K+主要来源于蒸发岩或硅酸盐矿物的溶解，Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐矿物、蒸发岩或硅酸盐矿物的溶解，Cl-和SO42-主要来源于蒸发岩的溶解，HCO3-主要来源于碳酸盐矿物的溶解，因此水中（Ca2++Mg2+）/（Na++K+）的比值和（HCO3-+CO32-）/（SO42-+Cl-）的比值可以作为判别不同类型岩石风化贡献程度的指标。图6a和6b表明从淡水湖到咸水湖到盐湖，（Ca2++Mg2+）/（Na++K+）和（HCO3-+CO32-）/（SO42-+Cl-）的比值逐渐降低，表明碳酸盐岩溶解对淡水湖的水化学性质的影响较大，而对咸水湖和淡水湖的影响较小。

淡水湖的水样中（Ca2++Mg2+）与（HCO3-+CO32-+SO42-）的当量浓度比值近似等于1（图6c），说明这些水中的Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐矿物（如方解石、白云石）和硫酸盐矿物（如石膏）的溶解。而咸水湖和盐湖的水样中（Ca2++Mg2+）与（HCO3-+CO32-+SO42-）的当量浓度比值均小于1，这说明这些水体中Ca2+和Mg2+除了受碳酸盐的溶解作用外，硫酸盐岩（芒硝等）和蒸发盐（石盐等）的溶解作用也具有影响。同时湖水中Mg2+是除Na+外的主要阳离子，且Mg2+/Ca2+的比例很高，这和青海湖的水质相似[18]，表明白云岩的溶解高于方解石的溶解。

通常水中的Na+和K+主要来自于蒸发岩的溶解，如钠长石、钾长石、云母等硅酸盐及铝硅酸盐矿物。当蒸发岩（NaCl和KCl）的溶解对水化学组成起主要作用时，水中（Na++K+）与Cl-的当量浓度比值应等于1。羌塘高原的水样中Cl-/Na+（图6d）和Cl-/（Na++K+）（图6e）均小于1，其中淡水湖和咸水湖湖水的Cl-/Na+的平均值分别为0.29和0.28，有研究发现藏南的淡水湖打加芒错湖水的Cl-/Na+为0.46，而盐湖中Cl-/Na+为0.77，说明除了石盐的溶解，硅酸盐的风化对Na+也有很大的影响。

图6 不同类型湖泊湖水离子比例Fig.6 ion ratio of different types of lakes

常用Na*（Na*=Na+-Cl-）表示来自地表硅酸盐风化所供应的那部分Na+，因此（Na*+K+）/TZ（TZ=Na++K++2Ca2++2Mg2+）的比值来指示地表钠硅酸盐岩风化对水体中阳离子的贡献。研究区淡水湖湖水中（Na*+K+）/TZ比值最高为0.35，平均值0.28；咸水湖湖水中（Na*+K+）/TZ比值最高为0.82，平均值0.45；盐湖湖水中（Na*+K+）/TZ比值最高为0.49，平均值0.24，说明石盐的溶解和钠硅酸盐岩风化对湖水中Na+的贡献较大。

2.3 饱和指数

饱和指数（SI）是指示矿物与水体之间所处状态的参数，反映了水体化学成分的变化趋势。利用Phreeqc软件计算湖水矿物饱和指数，结果显示湖水中方解石、白云石的饱和指数大于0，表明随着湖水矿化度的增加，更多的Ca2+、Mg2+和HCO3-将会沉淀，使得湖水中上述离子浓度降低。石膏和石盐的饱和指数则小于0，表明随着湖水矿化度的增加，更多的SO42-、Cl-和Na+会溶解，使得湖水中上述离子浓度增加。因此矿物的饱和指数揭示了青藏高原上淡水湖泊演变成咸水湖的变化过程，并指出羌塘高原的湖水有进一步的咸化的趋势。

图7 湖水中矿物饱和指数Fig.7 Mineral saturation index in lake water samples

2.4 湖水离子浓度空间变化

受气候条件、水文条件和地质条件的控制，由藏东南向藏西北，湖水矿化度逐渐增高[21]。羌塘内陆湖区的湖泊矿化度较高，区内南北两部分也有较大差别，南部湖泊中咸水湖所占的比重最大。由图8可以看出，羌塘高原北纬33°附近发育有众多咸水湖。同时，湖水的矿化度分布就有经向的条带分布，由西向东主要有82.2°、83.5°、84.7°、86.7°、88.3°和89.8°六个条带。郑绵平和刘喜方（2010）通过调查研究青藏高原550个盐湖，发现西藏中、西部的盐湖一般在海拔4 600~5 100 m[13]，而本研究发现羌塘高原的盐湖主要发育在湖面海拔4 600 m以下（图8）。

图8 羌塘高原湖水矿化度（TDS）空间分布图Fig.8 Spatial distribution of TDS in lake water of Qiangtang Plateau

3 结论

青藏高原湖泊具有高生态价值和高脆弱性并存的特点，本研究探讨了淡水湖、咸水湖和盐湖三种类型湖水的主要化学组分特征，探讨其主要离子来源、控制因子和演化趋势，对区域水资源开发利用与保护具有重要意义。羌塘高原内湖泊湖水的离子浓度具有明显的空间差异性，多以咸水湖为主，蒸发结晶作用是控制其水文地球化学特征的主要因素，受全球和区域气候变化的影响，羌塘高原的湖水会进一步咸化。

本研究仍有工作需要进一步深入，探讨湖泊水质对气候变化的响应，亟需长时间序列的数据支持，因此需要全面分析流域内不同水体、不同季节的水化学特征，并基于同位素等研究手段，进一步定量研究高原湖泊水化学成分的来源以及对气候变化的响应。