典型喀斯特流域旱雨季交替下溶解硅的輸送特征

郝 卓,高 揚(yáng),張晴雯,熊佰煉

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,農(nóng)業(yè)清潔流域團(tuán)隊(duì),北京 100081 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 3 遵義師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,遵義 563006

中國西南地區(qū)處于喀斯特關(guān)鍵帶,是世界三大喀斯特分布區(qū)之一,以貴州為中心的喀斯特集中分布區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,碳酸鹽巖及硅酸鹽巖礦物豐富[1-2]?？λ固厮稻哂歇?dú)特的地表地下二元結(jié)構(gòu),降雨入滲后形成降雨-地表-地下“三水”承載的生源要素遷移轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜[2- 4]。水流在溶洞,裂隙及管道中流動發(fā)生強(qiáng)烈的水力聯(lián)系,水流通過土壤孔隙,不僅與土壤直接接觸，還與巖石表面充分接觸,使得水體中的巖石溶解物質(zhì)豐富[5-6]。硅(Si)是一種普遍存在的元素,并且與其他元素的生物地球化學(xué)循環(huán)具有復(fù)雜的相互作用[7- 9]。溶解硅(DSi)是淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要營養(yǎng)物質(zhì),主要來自于土壤及表層巖石的化學(xué)風(fēng)化作用。河流中的硅主要以徑流輸入的土壤、顆粒態(tài)硅(PSi)以及生物硅(BSi)的形式存在,PSi和BSi在水體的遷移過程中,部分沉積至河底,部分分解釋放為DSi參與河流的Si循環(huán)過程[7, 10-11]。河流作為連接陸地生態(tài)系統(tǒng)及海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要紐帶,每年從河流輸送到海洋的溶解性及顆粒狀生源要素占陸地到海洋運(yùn)輸量的90%[12]。全球DSi預(yù)算報告指出每年以全球河流系統(tǒng)進(jìn)入海洋約為370 Mt SiO2[13-14]。因此,河流承載著DSi的外源輸入及遷移過程[11]。

隨著河流富營養(yǎng)化狀態(tài)日益加重,人為筑壩,生態(tài)破壞導(dǎo)致水文情勢的改變,引發(fā)藻類加速生長,使得河流DSi濃度顯著下降,對硅的地球化學(xué)循環(huán)平衡產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,對河口及海洋引發(fā)不良的環(huán)境效應(yīng)[11]。目前,關(guān)于水體DSi的研究逐漸成為熱點(diǎn),但大多集中在河流入?？诨蛄鲃有圆畹乃畮焯接慡i的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。我國喀斯特面積較大,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,但至今對于喀斯特地區(qū)DSi通量的研究鮮有報道[15]。本文選取貴州典型喀斯特流域,在巖溶流域尺度上對降雨、地表水及地下水DSi濃度進(jìn)行了為期一年的監(jiān)測,分析旱、雨季交替下水體DSi的運(yùn)移通量變化特征,探討喀斯特流域水體DSi遷移的驅(qū)動機(jī)制及巖石風(fēng)化作用對DSi濃度的影響,并結(jié)合當(dāng)?shù)厝藶榛顒釉u估其環(huán)境效應(yīng),以期為喀斯特地區(qū)河流營養(yǎng)鹽輸送及生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

后寨河流域位于貴州省安順市普定縣(26°17′05.30″N,105°39′21.44″E),流域面積為80.65 km2,海拔在1218—1585 m之間。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,春季干燥,夏季濕潤,5—8月集中降雨,年平均降雨量為1314.6 mm,年平均溫度為15.1℃。流域內(nèi)后寨河河床滲漏嚴(yán)重,河流明暗交替,后寨地下河水系相當(dāng)發(fā)育,是普定縣重要的供水水源[4]。后寨河流域內(nèi)基巖類型主要為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組的石灰?guī)r和白云巖,砂頁巖較少,土壤類型為黃壤、石灰土和水稻土,流域內(nèi)土壤質(zhì)量差,土層淺薄且不連續(xù)[16-17]。

1.2 采樣方法

常規(guī)采樣點(diǎn)：分別布置10個采樣點(diǎn),1號點(diǎn)為后寨河總出口(包含地表水No.1S和地下水No.1G及交匯點(diǎn)No.1M)。No.1G為流域地下水出口處,在No.1G點(diǎn)處地下水涌上地面,直接人工采集樣品。每月固定時間人工采集2次河水樣品,采集100 mL河水裝入聚乙烯瓶(圖1)。

降雨過程樣品：在1號點(diǎn)采集地表水(No.1S)及地下水(No.1G)收集3場完整降雨過程(3場次降雨事件)作為降雨驅(qū)動下的徑流過程樣品(降雨徑流過程)共計(jì)12個,分為雨前,雨中,雨后進(jìn)行采集。其中雨前采樣2次,雨中采樣8次(每次間隔20—30 min),雨后采樣2次。采集100 mL河水裝入聚乙烯瓶。

雨水采集：在試驗(yàn)區(qū)屋頂安裝雨量計(jì),每次降雨后,人工采集。所有樣品采集后放置于培養(yǎng)箱中4°C冷藏保存并送至實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及時分析。

在后寨河流域總出口處設(shè)置用于觀測流量的導(dǎo)流渠和三角堰利用HOBO水位記錄儀(U20型,美國ONET公司)每隔5 min監(jiān)測獲得連續(xù)的水位數(shù)據(jù),根據(jù)堰流公式計(jì)算流量值。

圖1 貴州普定后寨河流域采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The location of Puding in Guizhou and the sampling points in Houzhai River Basin.NO.1G：1號地下水采樣點(diǎn)；NO.1S：1號地表水采樣點(diǎn)；NO.1M：1號地表與地下水匯合采樣點(diǎn)

1.3 樣品分析

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1通量計(jì)算方法[18-19]

(8)

式中,F代表沉降通量(kg/hm2),p代表各場雨的降雨量(mm),c代表雨水中各離子的濃度(mg/L)。

1.4.2污染物負(fù)荷計(jì)算方法[20]：

(9)

式中,yj為第j種污染物的排放負(fù)荷(g)；ct為t時刻徑流中第j種污染物的濃度(mg/L)；qt為t時刻的流量(m3/s)；ci為第j種污染物在樣本i監(jiān)測時的濃度(mg/L)；qi為樣本i在監(jiān)測時的流量(m3/s)；x為徑流量(m3)；Δt為樣本i和i+1的時間間隔(s)。

2 結(jié)果與分析

2.1 喀斯特流域內(nèi)大氣濕沉降溶解硅(DSi)變化特征

本研究在2017年4—9月共收集19場降雨,圖2為次降雨DSi濃度及降雨量變化規(guī)律。如圖2所示,其中小雨(0—10 mm)11場、中雨(10—30 mm)5場及暴雨(>50 mm)3場,降雨量峰值89 mm出現(xiàn)在2017年6月12日,且中雨及暴雨主要集中在夏季(6—8月)。DSi濕沉降濃度變化范圍為0.22—1.35 mg/L。通過與降雨量加權(quán)平均濃度計(jì)算得到小雨過程DSi平均濃度為0.78 mg/L,中雨過程DSi平均濃度為0.43 mg/L及暴雨過程DSi平均濃度為0.34 mg/L,說明降雨稀釋作用明顯。降雨量大對大氣中污染物的沖刷作用較強(qiáng),導(dǎo)致雨水中DSi的濃度較低。但降雨歷時長和降雨強(qiáng)度高直接導(dǎo)致DSi的沉降通量增加,3場暴雨、5場中雨、11場小雨的DSi輸入通量分別為0.64、0.46、0.26 kg/hm2。

圖2 濕沉降溶解硅濃度變化及降雨量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體DSi濃度變化特征

本研究根據(jù)當(dāng)?shù)貋啛釒夂蛱攸c(diǎn),將2017年1—4月劃分為旱季,5—8月為雨季,9—12月為旱季,圖3為后寨河流域水體各采樣點(diǎn)DSi濃度變化特征。如圖3所示,后寨河在旱季出現(xiàn)了斷流的特征,在2號及9號采樣點(diǎn)完全斷流,在4號、5號、10號個別月份也出現(xiàn)斷流的情況。1號采用的地下水濃度明顯高于地表水,且濃度月變化較小,1號地表水旱季(1—4月)濃度為(1.14±0.26)mg/L,地下水平均濃度為(3.89±0.33)mg/L。1月份水體DSi濃度相對較高,濃度變化范圍為1.20—5.72 mg/L,平均值為(4.14±2.00)mg/L,各采樣點(diǎn)DSi濃度起伏較大。2月水體DSi平均濃度最低為(2.48±1.34)mg/L。在雨季,6—8月后寨河水量充足,這與雨季降水頻繁有直接的關(guān)系,說明后寨河為季節(jié)性河流(圖3)。如圖3所示,5月各采樣點(diǎn)濃度最低,平均濃度為(3.62±1.98)mg/L。6—8月DSi濃度差異不大,處于全年較高水平,平均濃度分別為(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,從10月份開始出現(xiàn)斷流,各采樣點(diǎn)濃度變化規(guī)律與1—4月的旱季基本相同。綜合圖3可知,無論旱、雨季各月份均為3號采樣點(diǎn)DSi濃度最低,濃度最低值為0.59 mg/L,平均濃度為(0.66±0.36)mg/L。3號采樣點(diǎn)處于青山水庫的出口處,經(jīng)過水庫的沉積作用可能導(dǎo)致出口處水體中DSi濃度下降。另外,雨季后寨河水體DSi濃度明顯高于旱季,說明降雨過程中對土壤淋溶作用強(qiáng)烈，且地表水地下水交換過程迅速，導(dǎo)致水體中DSi濃度升高明顯。

圖3 后寨河流域內(nèi)水體DSi濃度月變化Fig.3 Monthly variation of DSi concentration in Houzhai River Basin

2.3 次降雨事件流域地表水徑流DSi動態(tài)變化特征

在雨季,由于降雨過程對水體DSi濃度影響較大,本研究于2017年8月在后寨河1號采樣點(diǎn)地表水及地下水出口處分別收集3場完整的降雨徑流過程分析DSi動態(tài)變化特征。圖4為地表水DSi濃度,降雨過程徑流量及水體pH值變化。如圖4所示,2017年8月25日(小雨6.4 mm)降雨徑流過程DSi濃度呈現(xiàn)雨中濃度降低,雨前及雨后較高,濃度變化范圍為2.39—3.15 mg/L, 8月27日(中雨13.4 mm)DSi濃度波動范圍與其他兩場降雨相比波動范圍最大2.32—3.76 mg/L。8月31日(小雨1.4mm)雨中濃度變化起伏最小(2.91—3.21 mg/L)。3場降雨徑流過程DSi濃度均低于同月的常規(guī)采樣中DSi濃度5.57 mg/L,說明降雨起到了一定的稀釋作用,并且中雨的沖刷作用明顯高于小雨。如圖4所示,3場降雨的徑流量變化特征,8月25日徑流量變化幅度較小,僅在降雨初期有小峰值為13.34 m2/h；8月27日中雨徑流量略高于8月25日降雨中有明顯的峰值為14.49 m2/h；8月31日徑流量明顯高于其他兩場降雨,可能由于多天連續(xù)降雨導(dǎo)致的,峰值在降雨中期為15.86 m2/h。3場次降雨的徑流量均呈現(xiàn)雨后徑流量下降的規(guī)律,說明地表水徑流量受降雨過程的直接影響。圖4表明降雨-過程中pH值變化特征,3場次降雨過程pH值變化范圍差異較小,但8月25日pH值偏高為7.84—7.93。8月31日pH值最低變化范圍為7.7—7.81。pH值變化規(guī)律與徑流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),說明后寨河流域地表水pH值受降雨徑流過程影響較大。

圖4 降雨徑流過程地表水DSi濃度變化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徑流DSi動態(tài)變化特征

圖5為降雨徑流過程中,地下水DSi濃度、徑流量及水體pH值變化。如圖5所示,3場次降雨事件的降雨徑流過程DSi濃度起伏很小,平均濃度分別為(5.75±0.12)mg/L,(5.84±0.10)mg/L及(5.73±0.09)mg/L,8月27日中雨濃度略高一些。同月的常規(guī)采樣中DSi濃度為5.87 mg/L,與降雨徑流過程濃度差異不大,說明中小雨的降雨過程對地下水DSi濃度的影響較小。在圖5中,3場降雨徑流過程地下水徑流量變化特征,三場次降雨事件在降雨過程中徑流量呈現(xiàn)平穩(wěn)下降的趨勢,徑流量最小為8月25日的(325.02±24.44)m2/h,最大值為8月31日的(481.63±17.51)m2/h,由于多天連續(xù)降雨導(dǎo)致徑流量明顯高于其他兩場降雨。三場次降雨的地下水徑流量變化規(guī)律與地表水相同(圖4),但起伏較小,地下水徑流量變化相對穩(wěn)定。如圖5所示,降雨徑流過程中pH值變化特征,三場次降雨過程pH值變化范圍差異較小,8月25日pH值偏高為7.86—7.97略高于地表水。其他2場次降雨事件pH值僅在降雨初期有些起伏,后期趨于穩(wěn)定且pH值基本一致,降雨徑流過程對地下水水體中pH值影響不明顯。

圖5 降雨徑流過程地下水DSi濃度變化Fig.5 Variation of DSi concentration in groundwater under rainfall-runoff process

3 討論

3.1 喀斯特流域硅酸鹽巖的風(fēng)化過程

水體中的Si主要受硅酸鹽礦物溶解及鋁硅酸鹽礦物的水解。徑流對于硅酸巖風(fēng)化速率有著強(qiáng)有力的控制作用[21],水體中Na++K+主要來自于硅酸巖風(fēng)化,但水體中的部分Na+離子又與Cl-來自蒸發(fā)巖風(fēng)化過程,故排除蒸發(fā)巖風(fēng)化的影響,DSi/(Na+*+K+)的比值可以反應(yīng)硅酸巖風(fēng)化程度[22-23]。本研究區(qū)在旱季(1—4月)DSi/(Na+*+K+)的比值約為 1.07,雨季DSi/(Na+*+K+)為1.56,旱季(9—12月)比值為0.58。本研究DSi/(Na+*+K+)的比值較低,當(dāng)比值<1時說明該流域硅酸鹽巖風(fēng)化過程不強(qiáng)烈[21],僅雨季硅酸鹽風(fēng)化作用稍明顯,故后寨喀斯特流域水體中DSi濃度(72±26)μmol/L明顯低于全球河流DSi含量(133.02 μmol/L)及全球湖泊及水庫DSi濃度(122.13 μmol/L)[22, 24-25]。

圖6 旱、雨季交替下后寨河流域水體水化學(xué)陽離子、陰離子三角分析圖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體DSi通量收支特征

硅酸鹽巖溶解及含硅土壤流失通過逐級河流輸送DSi入海提供浮游植物的必要營養(yǎng)[26]。DSi遷移是流域生態(tài)系統(tǒng)硅循環(huán)的重要過程,在本研究后寨河流域溶解硅通量及遷移情況如圖7所示,2017年全年DSi沉降通量為4.52 kg/hm2,其中8月份沉降通量為最大值1.16 kg/hm2。后寨河流域面積為80.65 km2,故2017年DSi濕沉降負(fù)荷為36.45 t/a。后寨河流域出口處地表水DSi輸出負(fù)荷為49.70 t/a,地下水的DSi輸出負(fù)荷為161.69 t/a,是地表水的3.25倍。后寨河流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候,旱雨季差異明顯,雨季DSi濕沉降負(fù)荷為25.32 t占全年的69.5%。流域地表水DSi遷移受到降雨過程的驅(qū)動影響十分顯著[27],呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.76),雨季輸出量為48.75 t/a占全年輸出負(fù)荷的98.1%。地下水徑流量與降雨量也呈現(xiàn)一定的正相關(guān)(R2=0.43),由于降雨-地表水-地下水補(bǔ)給關(guān)系復(fù)雜,故僅與降水的相關(guān)性不高,但雨季輸出量為83.15 t/a占全年輸出負(fù)荷的51.4%。后寨河流域?yàn)橄录壦递斔偷腄Si總負(fù)荷為211.39 t/a。與受硅酸鹽巖控制的流域相比,九龍江北溪和西溪兩大干流的年均向海輸送DSi通量分別為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。

圖7 旱、雨季交替下后寨河流域降雨量、徑流量、DSi沉降通量及輸出負(fù)荷變化特征 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體DSi動態(tài)變化引起的環(huán)境效應(yīng)

河流DSi不僅受到流域巖石風(fēng)化過程的影響,也受到人為活動的干擾。流域內(nèi)長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動及土地利用變化共同影響水體DSi含量。后寨河流經(jīng)青山水庫后經(jīng)過3號采樣點(diǎn),從圖3可知DSi濃度明顯下降旱季(1—4月)濃度下降29.0%、雨季下降70.9%。水體經(jīng)過湖泊或水庫,流速減緩,水體中DSi是通過生物利用轉(zhuǎn)化為無定形的生物硅(BSi)。水庫中硅藻吸收利用也是導(dǎo)致DSi濃度下降的原因[29]。研究表明：河流DSi濃度隨著水庫面積百分比的增加而降低,主要是由水流停留時間增長導(dǎo)致的,在低流速下DSi濃度下降明顯,由于水更清澈,硅藻的光合作用限制小,生長不受影響,吸收利用DSi效率較高[26]。在旱季較低的流量條件下,DSi濃度和通量較低,水體停留時間增長提高了DSi在水庫中生物利用度,導(dǎo)致下游河道的DSi濃度明顯下降。由于喀斯特流域是以碳酸鹽巖溶解為主導(dǎo)的河流,水體DIC濃度遠(yuǎn)高于DSi濃度,故DSi濃度是硅藻生長的主要限制因子。在旱雨季交替下,河流DSi濃度差異性較大,硅藻生長受到限制,藻類群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,可能會改變河流中的營養(yǎng)成分并影響初級生產(chǎn)力,甚至可能會改變后寨河流域浮游植物群的營養(yǎng)供應(yīng)[30-31],引發(fā)水質(zhì)問題。對于流域水體營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)的問題還需對農(nóng)業(yè)活動及土地利用方式的影響開展長期研究,從長遠(yuǎn)的角度來預(yù)測浮游植物群落隨著DSi濃度的動態(tài)變化后的改變。在未來的研究中,除DSi外,還應(yīng)增加對BSi的監(jiān)測來進(jìn)一步研究陸地生態(tài)系統(tǒng)的硅循環(huán)過程和相關(guān)的環(huán)境效應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)亞熱帶季風(fēng)氣候的喀斯特流域DSi濕沉降濃度變化與降雨量變化有密切的關(guān)系,小雨DSi平均濃度為0.78 mg/L,暴雨DSi平均濃度為0.34 mg/L。河流中DSi濃度變化雨季較高,旱季較低,說明降雨過程中對土壤淋溶作用影響強(qiáng)烈,并且在地表水和地下水迅速交換過程中導(dǎo)致DSi濃度升高明顯。另外,地表水徑流量及DSi濃度對降雨徑流過程的響應(yīng)比地下水明顯。

(2)后寨河流域DSi沉降通量及輸出通量呈明顯的旱、雨季差異。2017年全年DSi沉降通量為4.52 kg/hm2,DSi濕沉降負(fù)荷為36.45 t/a,雨季DSi濕沉降負(fù)荷為25.32 t占全年的69.5%。流域河流DSi輸出負(fù)荷受到降雨過程的驅(qū)動影響顯著,地表水雨季輸出量為48.75 t/a占全年輸出負(fù)荷的98.1%,地下水雨季輸出量為83.15 t/a占全年輸出負(fù)荷的51.4%。

(3)后寨河流域水體為重碳酸-鈣型,主要受到碳酸鹽巖及蒸發(fā)巖控制。流域硅酸鹽巖風(fēng)化過程不強(qiáng)烈,僅雨季稍明顯。后寨喀斯特流域水體中DSi濃度(72±26)μmol/L明顯低于全球河流DSi含量(133.02 μmol/L)。流域DSi濃度受人為水庫影響明顯,旱季(1—4月)濃度下降29.0%、雨季下降70.9%,旱雨季交替下,DSi濃度差異性較大,藻類群落結(jié)構(gòu)易發(fā)生改變,引發(fā)水質(zhì)問題。