典型喀斯特流域旱雨季交替下溶解硅的输送特征

郝 卓,高 扬,张晴雯,熊佰炼

1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,农业清洁流域团队,北京 100081 2 中国科学院地理科学与资源研究所,生态系统网络观测与模拟重点实验室,北京 100101 3 遵义师范学院资源与环境学院,遵义 563006

中国西南地区处于喀斯特关键带,是世界三大喀斯特分布区之一,以贵州为中心的喀斯特集中分布区岩溶发育强烈,碳酸盐岩及硅酸盐岩矿物丰富[1-2]。喀斯特水系具有独特的地表地下二元结构,降雨入渗后形成降雨-地表-地下“三水”承载的生源要素迁移转化过程复杂[2- 4]。水流在溶洞,裂隙及管道中流动发生强烈的水力联系,水流通过土壤孔隙,不仅与土壤直接接触，还与岩石表面充分接触,使得水体中的岩石溶解物质丰富[5-6]。硅(Si)是一种普遍存在的元素,并且与其他元素的生物地球化学循环具有复杂的相互作用[7- 9]。溶解硅(DSi)是淡水和海洋生态系统的重要营养物质,主要来自于土壤及表层岩石的化学风化作用。河流中的硅主要以径流输入的土壤、颗粒态硅(PSi)以及生物硅(BSi)的形式存在,PSi和BSi在水体的迁移过程中,部分沉积至河底,部分分解释放为DSi参与河流的Si循环过程[7, 10-11]。河流作为连接陆地生态系统及海洋生态系统的重要纽带,每年从河流输送到海洋的溶解性及颗粒状生源要素占陆地到海洋运输量的90%[12]。全球DSi预算报告指出每年以全球河流系统进入海洋约为370 Mt SiO2[13-14]。因此,河流承载着DSi的外源输入及迁移过程[11]。

随着河流富营养化状态日益加重,人为筑坝,生态破坏导致水文情势的改变,引发藻类加速生长,使得河流DSi浓度显著下降,对硅的地球化学循环平衡产生严重的影响,对河口及海洋引发不良的环境效应[11]。目前,关于水体DSi的研究逐渐成为热点,但大多集中在河流入海口或流动性差的水库探讨Si的生物地球化学循环过程。我国喀斯特面积较大,岩溶发育强烈,但至今对于喀斯特地区DSi通量的研究鲜有报道[15]。本文选取贵州典型喀斯特流域,在岩溶流域尺度上对降雨、地表水及地下水DSi浓度进行了为期一年的监测,分析旱、雨季交替下水体DSi的运移通量变化特征,探讨喀斯特流域水体DSi迁移的驱动机制及岩石风化作用对DSi浓度的影响,并结合当地人为活动评估其环境效应,以期为喀斯特地区河流营养盐输送及生态恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

后寨河流域位于贵州省安顺市普定县(26°17′05.30″N,105°39′21.44″E),流域面积为80.65 km2,海拔在1218—1585 m之间。研究区属亚热带季风气候,春季干燥,夏季湿润,5—8月集中降雨,年平均降雨量为1314.6 mm,年平均温度为15.1℃。流域内后寨河河床渗漏严重,河流明暗交替,后寨地下河水系相当发育,是普定县重要的供水水源[4]。后寨河流域内基岩类型主要为三叠系中统关岭组的石灰岩和白云岩,砂页岩较少,土壤类型为黄壤、石灰土和水稻土,流域内土壤质量差,土层浅薄且不连续[16-17]。

1.2 采样方法

常规采样点：分别布置10个采样点,1号点为后寨河总出口(包含地表水No.1S和地下水No.1G及交汇点No.1M)。No.1G为流域地下水出口处,在No.1G点处地下水涌上地面,直接人工采集样品。每月固定时间人工采集2次河水样品,采集100 mL河水装入聚乙烯瓶(图1)。

降雨过程样品：在1号点采集地表水(No.1S)及地下水(No.1G)收集3场完整降雨过程(3场次降雨事件)作为降雨驱动下的径流过程样品(降雨径流过程)共计12个,分为雨前,雨中,雨后进行采集。其中雨前采样2次,雨中采样8次(每次间隔20—30 min),雨后采样2次。采集100 mL河水装入聚乙烯瓶。

雨水采集：在试验区屋顶安装雨量计,每次降雨后,人工采集。所有样品采集后放置于培养箱中4°C冷藏保存并送至实验室试验及时分析。

在后寨河流域总出口处设置用于观测流量的导流渠和三角堰利用HOBO水位记录仪(U20型,美国ONET公司)每隔5 min监测获得连续的水位数据,根据堰流公式计算流量值。

图1 贵州普定后寨河流域采样点分布图Fig.1 The location of Puding in Guizhou and the sampling points in Houzhai River Basin.NO.1G：1号地下水采样点；NO.1S：1号地表水采样点；NO.1M：1号地表与地下水汇合采样点

1.3 样品分析

1.4 数据分析

1.4.1通量计算方法[18-19]

(8)

式中,F代表沉降通量(kg/hm2),p代表各场雨的降雨量(mm),c代表雨水中各离子的浓度(mg/L)。

1.4.2污染物负荷计算方法[20]：

(9)

式中,yj为第j种污染物的排放负荷(g)；ct为t时刻径流中第j种污染物的浓度(mg/L)；qt为t时刻的流量(m3/s)；ci为第j种污染物在样本i监测时的浓度(mg/L)；qi为样本i在监测时的流量(m3/s)；x为径流量(m3)；Δt为样本i和i+1的时间间隔(s)。

2 结果与分析

2.1 喀斯特流域内大气湿沉降溶解硅(DSi)变化特征

本研究在2017年4—9月共收集19场降雨,图2为次降雨DSi浓度及降雨量变化规律。如图2所示,其中小雨(0—10 mm)11场、中雨(10—30 mm)5场及暴雨(>50 mm)3场,降雨量峰值89 mm出现在2017年6月12日,且中雨及暴雨主要集中在夏季(6—8月)。DSi湿沉降浓度变化范围为0.22—1.35 mg/L。通过与降雨量加权平均浓度计算得到小雨过程DSi平均浓度为0.78 mg/L,中雨过程DSi平均浓度为0.43 mg/L及暴雨过程DSi平均浓度为0.34 mg/L,说明降雨稀释作用明显。降雨量大对大气中污染物的冲刷作用较强,导致雨水中DSi的浓度较低。但降雨历时长和降雨强度高直接导致DSi的沉降通量增加,3场暴雨、5场中雨、11场小雨的DSi输入通量分别为0.64、0.46、0.26 kg/hm2。

图2 湿沉降溶解硅浓度变化及降雨量Fig.2 Variation of dissolved silicon (DSi) concentration and rainfall in wet deposition

2.2 旱雨季交替下后寨河水体DSi浓度变化特征

本研究根据当地亚热带气候特点,将2017年1—4月划分为旱季,5—8月为雨季,9—12月为旱季,图3为后寨河流域水体各采样点DSi浓度变化特征。如图3所示,后寨河在旱季出现了断流的特征,在2号及9号采样点完全断流,在4号、5号、10号个别月份也出现断流的情况。1号采用的地下水浓度明显高于地表水,且浓度月变化较小,1号地表水旱季(1—4月)浓度为(1.14±0.26)mg/L,地下水平均浓度为(3.89±0.33)mg/L。1月份水体DSi浓度相对较高,浓度变化范围为1.20—5.72 mg/L,平均值为(4.14±2.00)mg/L,各采样点DSi浓度起伏较大。2月水体DSi平均浓度最低为(2.48±1.34)mg/L。在雨季,6—8月后寨河水量充足,这与雨季降水频繁有直接的关系,说明后寨河为季节性河流(图3)。如图3所示,5月各采样点浓度最低,平均浓度为(3.62±1.98)mg/L。6—8月DSi浓度差异不大,处于全年较高水平,平均浓度分别为(6.55±1.29)mg/L,(6.73±1.57)mg/L,(6.83 ±2.57)mg/L。在9—12月份的旱季,从10月份开始出现断流,各采样点浓度变化规律与1—4月的旱季基本相同。综合图3可知,无论旱、雨季各月份均为3号采样点DSi浓度最低,浓度最低值为0.59 mg/L,平均浓度为(0.66±0.36)mg/L。3号采样点处于青山水库的出口处,经过水库的沉积作用可能导致出口处水体中DSi浓度下降。另外,雨季后寨河水体DSi浓度明显高于旱季,说明降雨过程中对土壤淋溶作用强烈，且地表水地下水交换过程迅速，导致水体中DSi浓度升高明显。

图3 后寨河流域内水体DSi浓度月变化Fig.3 Monthly variation of DSi concentration in Houzhai River Basin

2.3 次降雨事件流域地表水径流DSi动态变化特征

在雨季,由于降雨过程对水体DSi浓度影响较大,本研究于2017年8月在后寨河1号采样点地表水及地下水出口处分别收集3场完整的降雨径流过程分析DSi动态变化特征。图4为地表水DSi浓度,降雨过程径流量及水体pH值变化。如图4所示,2017年8月25日(小雨6.4 mm)降雨径流过程DSi浓度呈现雨中浓度降低,雨前及雨后较高,浓度变化范围为2.39—3.15 mg/L, 8月27日(中雨13.4 mm)DSi浓度波动范围与其他两场降雨相比波动范围最大2.32—3.76 mg/L。8月31日(小雨1.4mm)雨中浓度变化起伏最小(2.91—3.21 mg/L)。3场降雨径流过程DSi浓度均低于同月的常规采样中DSi浓度5.57 mg/L,说明降雨起到了一定的稀释作用,并且中雨的冲刷作用明显高于小雨。如图4所示,3场降雨的径流量变化特征,8月25日径流量变化幅度较小,仅在降雨初期有小峰值为13.34 m2/h；8月27日中雨径流量略高于8月25日降雨中有明显的峰值为14.49 m2/h；8月31日径流量明显高于其他两场降雨,可能由于多天连续降雨导致的,峰值在降雨中期为15.86 m2/h。3场次降雨的径流量均呈现雨后径流量下降的规律,说明地表水径流量受降雨过程的直接影响。图4表明降雨-过程中pH值变化特征,3场次降雨过程pH值变化范围差异较小,但8月25日pH值偏高为7.84—7.93。8月31日pH值最低变化范围为7.7—7.81。pH值变化规律与径流量呈现负相关,说明后寨河流域地表水pH值受降雨径流过程影响较大。

图4 降雨径流过程地表水DSi浓度变化Fig.4 Variation of DSi concentration in surface water under rainfall-runoff process

2.4 次降雨事件流域地下水径流DSi动态变化特征

图5为降雨径流过程中,地下水DSi浓度、径流量及水体pH值变化。如图5所示,3场次降雨事件的降雨径流过程DSi浓度起伏很小,平均浓度分别为(5.75±0.12)mg/L,(5.84±0.10)mg/L及(5.73±0.09)mg/L,8月27日中雨浓度略高一些。同月的常规采样中DSi浓度为5.87 mg/L,与降雨径流过程浓度差异不大,说明中小雨的降雨过程对地下水DSi浓度的影响较小。在图5中,3场降雨径流过程地下水径流量变化特征,三场次降雨事件在降雨过程中径流量呈现平稳下降的趋势,径流量最小为8月25日的(325.02±24.44)m2/h,最大值为8月31日的(481.63±17.51)m2/h,由于多天连续降雨导致径流量明显高于其他两场降雨。三场次降雨的地下水径流量变化规律与地表水相同(图4),但起伏较小,地下水径流量变化相对稳定。如图5所示,降雨径流过程中pH值变化特征,三场次降雨过程pH值变化范围差异较小,8月25日pH值偏高为7.86—7.97略高于地表水。其他2场次降雨事件pH值仅在降雨初期有些起伏,后期趋于稳定且pH值基本一致,降雨径流过程对地下水水体中pH值影响不明显。

图5 降雨径流过程地下水DSi浓度变化Fig.5 Variation of DSi concentration in groundwater under rainfall-runoff process

3 讨论

3.1 喀斯特流域硅酸盐岩的风化过程

水体中的Si主要受硅酸盐矿物溶解及铝硅酸盐矿物的水解。径流对于硅酸岩风化速率有着强有力的控制作用[21],水体中Na++K+主要来自于硅酸岩风化,但水体中的部分Na+离子又与Cl-来自蒸发岩风化过程,故排除蒸发岩风化的影响,DSi/(Na+*+K+)的比值可以反应硅酸岩风化程度[22-23]。本研究区在旱季(1—4月)DSi/(Na+*+K+)的比值约为 1.07,雨季DSi/(Na+*+K+)为1.56,旱季(9—12月)比值为0.58。本研究DSi/(Na+*+K+)的比值较低,当比值<1时说明该流域硅酸盐岩风化过程不强烈[21],仅雨季硅酸盐风化作用稍明显,故后寨喀斯特流域水体中DSi浓度(72±26)μmol/L明显低于全球河流DSi含量(133.02 μmol/L)及全球湖泊及水库DSi浓度(122.13 μmol/L)[22, 24-25]。

图6 旱、雨季交替下后寨河流域水体水化学阳离子、阴离子三角分析图Fig.6 The Ternary diagram of cationic and anion in the dry and wet seasons in Houzhai river basin

3.2 旱雨季交替下流域水体DSi通量收支特征

硅酸盐岩溶解及含硅土壤流失通过逐级河流输送DSi入海提供浮游植物的必要营养[26]。DSi迁移是流域生态系统硅循环的重要过程,在本研究后寨河流域溶解硅通量及迁移情况如图7所示,2017年全年DSi沉降通量为4.52 kg/hm2,其中8月份沉降通量为最大值1.16 kg/hm2。后寨河流域面积为80.65 km2,故2017年DSi湿沉降负荷为36.45 t/a。后寨河流域出口处地表水DSi输出负荷为49.70 t/a,地下水的DSi输出负荷为161.69 t/a,是地表水的3.25倍。后寨河流域地处亚热带季风气候,旱雨季差异明显,雨季DSi湿沉降负荷为25.32 t占全年的69.5%。流域地表水DSi迁移受到降雨过程的驱动影响十分显著[27],呈现明显的正相关关系(R2=0.76),雨季输出量为48.75 t/a占全年输出负荷的98.1%。地下水径流量与降雨量也呈现一定的正相关(R2=0.43),由于降雨-地表水-地下水补给关系复杂,故仅与降水的相关性不高,但雨季输出量为83.15 t/a占全年输出负荷的51.4%。后寨河流域为下级水系输送的DSi总负荷为211.39 t/a。与受硅酸盐岩控制的流域相比,九龙江北溪和西溪两大干流的年均向海输送DSi通量分别为59.3 kg/hm2、95.0 kg/hm2[28],是后寨河流域的26.2 kg/hm2的2倍和3倍。

图7 旱、雨季交替下后寨河流域降雨量、径流量、DSi沉降通量及输出负荷变化特征 Fig.7 The variation characteristics of rainfall, discharge, DSi deposition flux and export load in the dry and wet seasons in Houzhai river basin

3.3 旱雨季交替下流域水体DSi动态变化引起的环境效应

河流DSi不仅受到流域岩石风化过程的影响,也受到人为活动的干扰。流域内长期的农业生产活动及土地利用变化共同影响水体DSi含量。后寨河流经青山水库后经过3号采样点,从图3可知DSi浓度明显下降旱季(1—4月)浓度下降29.0%、雨季下降70.9%。水体经过湖泊或水库,流速减缓,水体中DSi是通过生物利用转化为无定形的生物硅(BSi)。水库中硅藻吸收利用也是导致DSi浓度下降的原因[29]。研究表明：河流DSi浓度随着水库面积百分比的增加而降低,主要是由水流停留时间增长导致的,在低流速下DSi浓度下降明显,由于水更清澈,硅藻的光合作用限制小,生长不受影响,吸收利用DSi效率较高[26]。在旱季较低的流量条件下,DSi浓度和通量较低,水体停留时间增长提高了DSi在水库中生物利用度,导致下游河道的DSi浓度明显下降。由于喀斯特流域是以碳酸盐岩溶解为主导的河流,水体DIC浓度远高于DSi浓度,故DSi浓度是硅藻生长的主要限制因子。在旱雨季交替下,河流DSi浓度差异性较大,硅藻生长受到限制,藻类群落结构发生改变,可能会改变河流中的营养成分并影响初级生产力,甚至可能会改变后寨河流域浮游植物群的营养供应[30-31],引发水质问题。对于流域水体营养物质供应的问题还需对农业活动及土地利用方式的影响开展长期研究,从长远的角度来预测浮游植物群落随着DSi浓度的动态变化后的改变。在未来的研究中,除DSi外,还应增加对BSi的监测来进一步研究陆地生态系统的硅循环过程和相关的环境效应。

4 结论

(1)亚热带季风气候的喀斯特流域DSi湿沉降浓度变化与降雨量变化有密切的关系,小雨DSi平均浓度为0.78 mg/L,暴雨DSi平均浓度为0.34 mg/L。河流中DSi浓度变化雨季较高,旱季较低,说明降雨过程中对土壤淋溶作用影响强烈,并且在地表水和地下水迅速交换过程中导致DSi浓度升高明显。另外,地表水径流量及DSi浓度对降雨径流过程的响应比地下水明显。

(2)后寨河流域DSi沉降通量及输出通量呈明显的旱、雨季差异。2017年全年DSi沉降通量为4.52 kg/hm2,DSi湿沉降负荷为36.45 t/a,雨季DSi湿沉降负荷为25.32 t占全年的69.5%。流域河流DSi输出负荷受到降雨过程的驱动影响显著,地表水雨季输出量为48.75 t/a占全年输出负荷的98.1%,地下水雨季输出量为83.15 t/a占全年输出负荷的51.4%。

(3)后寨河流域水体为重碳酸-钙型,主要受到碳酸盐岩及蒸发岩控制。流域硅酸盐岩风化过程不强烈,仅雨季稍明显。后寨喀斯特流域水体中DSi浓度(72±26)μmol/L明显低于全球河流DSi含量(133.02 μmol/L)。流域DSi浓度受人为水库影响明显,旱季(1—4月)浓度下降29.0%、雨季下降70.9%,旱雨季交替下,DSi浓度差异性较大,藻类群落结构易发生改变,引发水质问题。