土地利用变化对喀斯特水体溶解无机碳、总氮和总磷输出的影响——以贵州普定沙湾模拟试验场为例

耦联水生光合作用的碳酸盐岩风化碳汇是全球碳循环研究的关键问题,生物碳泵效应不仅能够稳定碳酸盐风化碳汇,也有利于改善水环境,而过量输入氮、磷会导致水环境变差。土地利用变化作为全球变化重要内容之一,对流域碳氮磷的输出具有重要影响,但关于土地利用变化对喀斯特水体溶解无机碳、总氮和总磷输出影响的研究有待进一步加强。本研究以贵州普定沙湾喀斯特试验场为研究对象,以研究土地利用变化对水文、水化学、溶解无机碳汇通量、总氮通量和总磷通量的影响。结果表明,流量、径流深、土壤CO₂浓度、pCO₂、HCO₃^-浓度和电导率呈现出夏秋季节高、春冬季节低的变化特征,与pH变化相反。样地间,土壤CO₂浓度、pCO₂、HCO₃^-浓度和电导率表现为草地>灌丛地>农耕地>裸土地>裸岩地,与pH变化相反。参与岩溶作用的土壤CO₂是造成水化学变化的主要原因。溶解无机碳汇通量和总氮通量呈现出夏秋季节高、春冬季节低的变化特征,总磷通量秋季最高、春季最低。样地间,草地溶解无机碳汇通量最大,HCO₃^-浓度是决定溶解无机碳汇通量大小的主导因素。有植被覆盖的土地利用方式的总氮、总磷浓度及其通量明显低于无植被生长的类型,总氮通量灌丛地最小,总氮浓度是决定总氮通量大小的主导因素,总磷通量草地最小,而流量是决定总磷通量大小的主导因素。综上,我们认为可以通过调整土地利用方式来达到增加岩溶碳汇和改善水环境双赢的目标。     

基于生物标志物法的珠江流域有机碳溯源及DIC施肥效应研究

内源有机碳由地表水体水生光合固定DIC产生,是岩石风化碳汇的重要组成部分。为准确区分河陆地流水体中的内源有机碳及计算其所占比例,本文选取珠江流域作为研究区,通过不同季节的野外采样调查,利用类脂生物标志物法,结合传统水化学特征,揭示河流中有机碳的来源差异;最终根据有机碳的时空分布规律与水-岩-土-气-生相互作用分析,明确流域岩性及气候变化对碳汇的影响。结果表明:(1)珠江流域水体中冬季和夏季内源有机碳占总有机碳比例的平均值分别为65%和54%,表明水生植物光合作用导致的初级生产力的重要性;(2)内源有机碳比例和水生藻类生物量与DIC浓度和呈现出显著的正相关关系,表明DIC对水生植物光合作用具有施肥效应;(3)雨季因降雨稀释DIC浓度和冲刷外源有机质,对水生植物的施肥效应减弱,生成的内源有机质减少,且携带的外源有机质增加,导致内源比例减少;(4)高悬浮质(TSS)可以遮挡水体表层太阳光,减弱水生光合作用强度,降低内源有机碳的形成;但在TSS浓度比较低的情况下,其对水生植物生长繁殖的影响则体现在为其提供空间和营养物,从而增加水生藻类生物量及内源有机碳比例。     

高分辨率监测下的漓江省里断面生物地球化学特征分析

为了获得漓江流域不同季节生物地球化学昼夜动态变化过程、影响因素与规律,分别于2016年10月30日～11月1日(秋季)和2017年9月14～16日(夏季)对漓江流域省里断面进行了为期48 h的高分辨率在线监测和高频率取样工作,研究水体电导率(EC)、水温(T)、pH以及Ca~(2+)、HCO_3~-、NO_3~-等离子含量和溶解无机碳同位素(δ~(13)C_(DIC))等水化学参数的昼夜变化规律,并分析其影响因素,同时评估水生植物对输入岩溶水生生态系统中溶解无机碳的固定量.结果表明:①省里断面水化学参数表现出显著的昼夜变化规律,T、pH、DO、SIC白天上升夜间下降,Ca~(2+)、HCO_3~-、EC、p(CO_2)白天降低夜晚上升且秋季昼夜变化幅度大于夏季.②SO_4~(2-)、NO_3~-、Cl~-、Na~+、K~+和Mg~(2+)等营养元素含量昼夜变化主要受水生植物代谢过程(同化作用)控制,呈现白天降低夜间升高的变化规律.同时,省里断面夏季营养元素昼夜变化幅度小于秋季.③省里断面溶解无机碳同位素(δ~(13)C_(DIC))主要受水生植物光合作用和呼吸作用控制,表现为白天偏重晚上偏轻的动态变化.受土壤根系和土壤微生物呼吸作用强度和河流水文要素季节变化的影响,夏季省里断面δ~(13)C_(DIC)总体上偏轻于秋季,两者的平均值分别为-10. 08‰和-8. 90‰.④通过计算,实验期间省里断面水生植物光合作用岩溶碳汇量日平均值为2. 12 mmol·L~(-1)和0. 94mmol·L~(-1),秋季比夏季具有更高的固碳效率.     

不同地质背景下河流水化学特征及影响因素研究:以广西大溶江、灵渠流域为例

2013年5月至2014年4月,对漓江上游两个具不同地质背景的地表河流域进行一个完整水文年的观测和采样,探讨河流水化学的季节性变化特征和主要影响因素.结果表明,无论是碳酸盐岩占一半的灵渠流域,还是仅占9%的大溶江流域,其水化学类型均为Ca-HCO_3型,HCO_3~-和Ca~(2+)是主要的阴阳离子.河水的主要离子浓度整体表现为冬高夏低的特征,主要受流量变化的影响.Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-主要源自流域内碳酸对碳酸盐岩的风化溶解,同时存在硫酸风化碳酸盐岩和硅酸盐岩风化的贡献.此外,相较于灵渠,大溶江流域上游具较强侵蚀性外源水对下游碳酸盐岩的侵蚀,增加了碳酸盐岩风化对河流水化学的贡献.而K~+、Na~+、Cl~-、NO_3~-、SO_4~(2-)主要受大气降水和人类活动的影响,相较而言,灵渠流域受人类活动影响更为显著.     

沁河冲洪积扇地下水水化学特征及成因分析

为研究河南省济源市沁河冲洪积扇地下水水化学特征及其成因,2016年10月采集水样共计60组,其中地下水水样51组,地表水水样9组.运用数理统计、舒卡列夫分类、Piper三线图、Schoeller图、Gibbs图和离子比值等方法,分析了研究区内地下水和地表水水化学类型分布特征,讨论了地下水和表水水化学演化过程的主要控制因素.结果表明:(1)研究区地表水和地下水中主要阴阳离子为Ca~(2+)、Mg~(2+)、SO_4~(2-)、HCO_3~-,地表水和地下水的补给来源密切相关;(2)地下水水化学类型以HCO_3-Ca型、HCO_3-Ca·Mg型和HCO_3·SO_4-Ca·Mg型为主;地表水水化学类型以HCO_3·SO_4-Ca·Mg型为主;(3)地下水和地表水主要离子的形成主要受碳酸盐矿物风化溶解作用、离子交换作用和蒸发作用共同影响,硫酸、碳酸参与了碳酸盐矿物的风化溶解过程.     

人类活动对漓江地表水体水-岩作用的影响

人类活动对流域水质的影响受到越来越多的关注.为探讨人类活动对岩溶地表水体水-岩作用的影响,以受农业、工业、旅游业活动及城市发展综合影响的漓江流域为研究对象,于2016年7~11月采集河水样,分析水化学和δ~(13)C_(DIC)数据.结果表明:(1)漓江水化学类型为HCO_3-Ca.在阴离子成分中,SO_4~2和NO_3~-仅次于HCO_3~-,并且在漓江桂林至阳朔段,因城市及城镇分布密集,旅游业发达,浓度较高.(2)[Ca~(2+)+Mg~(2+)]/[HCO_3~-]当量比值在1.01~1.51之间,[Ca~(2+)+Mg~(2+)]/[SO_4~(2-)+NO_3~-+HCO_3~-]比值在0.85~1.12之间,说明硫酸、硝酸参与了水-岩作用.(3)碳酸溶蚀碳酸盐岩的比例平均为75.89%.硫酸和硝酸溶蚀碳酸盐岩的比例平均为24.11%.硝酸、硫酸溶蚀碳酸盐岩的能力多雨期强于少雨期.此外,硫酸和硝酸溶蚀碳酸盐岩的比例从上游到下游呈波动增大趋势,最高值出现于灵川县城,最低出现于漓江上游的华江.(4)碳酸风化碳酸盐岩对HCO_3~-的贡献最大,平均为83.58%;其次为硫酸和硝酸风化碳酸盐岩,平均为14.24%;碳酸风化硅酸盐岩对HCO_3~-的贡献最小,平均为2.18%,华江和峡背碳酸风化硅酸盐岩对HCO_3~-的贡献较其他点突出,这与流域地质背景相符合.(5)δ~(13)C_(DIC)值介于-11.95‰~-7.61‰之间;通过端元混合模型估算的δ~(13)C_(DIC-rock)介于-14.24‰~-7.23‰之间.多雨期δ~(13)C_(DIC)值与δ~(13)C_(DIC-rock)值比较接近,少雨期δ~(13)C_(DIC)值明显重于δ~(13)C_(DIC-rock).δ~(13)C_(DIC)与δ~(13)C_(DIC-rock)之间存在一定差异,是由于受到水生植物光合作用的影响.     

金华江城区段河流水化学变化及其控制因素

为揭示金华江城区段河流水化学变化及其控制因素,从2015年8月到2016年6月对金华江城区段进行了连续11个月的采样分析,并结合当地降水等数据,得到以下结论:(1)金华江城区段河水p H值的变幅为6.80~7.70,呈现中性,电导率EC的变化范围较大,流域TDS含量低于世界河水平均值,流域阳离子以Ca~(2+)为主,阴离子以HCO_3~-为主,河水水化学类型为HCO_3~--Ca~(2+)型;(2)主要离子浓度具有明显的季节变化特征,总体上呈现出夏季低、冬季高的特点,Cl~-浓度变化与降水量变化具有一致性;(3)水化学控制因素以岩石风化为主,但也有向大气降水控制型过渡的趋势,人类活动对河流水化学也产生了很大影响。     

贵州草海水化学特征及离子来源分析

为明确草海水体化学的时空分布特征,揭示水-岩作用以及人类活动对水化学的影响,分别在枯水期和丰水期对草海湖水、河水及地下水进行系统采样,并通过Piper、Gibbs等水文地球化学方法分析水化学控制因素和主要离子来源。结果表明,草海水化学类型主要为HCO_3-Ca和HCO_3-SO_4-Ca-Mg型。HCO_3~-、Ca~(2+)为优势离子,分别占总阴离子、总阳离子的48%和44%,有明显河水与地下水输入特征。草海水化学过程主要受方解石、白云石等碳酸盐类风化和人为活动影响,同时还伴随有蒸发盐岩和硫酸盐岩(石膏和硬石膏)的溶解。草海水体HCO_3~-、Ca~(2+)、Mg~(2+)主要来自方解石和白云石等碳酸盐矿物风化,SO_4~(2-)主要来源于硫酸盐岩溶解,K~+、Na~+、Cl~-、NO_3~-主要受城市生活污水和农业面源污染影响。主成分分析显示碳酸盐岩、硫酸盐岩和硅酸盐岩等水-岩作用对草海水化学的贡献率约为51%,城镇生活污水、蒸发作用及生物作用的贡献率约为37%。     

岩溶流域洪水过程水化学动态变化及影响因素

岩溶流域河流水化学对暴雨/洪水过程有着快速响应,是岩溶碳循环的重要过程,不应忽视.本文通过2015年11月8～12日阳朔断面洪水过程水化学特征的动态监测,分析了各主要离子变化特征和影响因素,计算不同来源无机碳浓度和通量.结果表明,阳朔断面洪水过程各阶段水化学类型为Ca-HCO_3型.水化学离子主要源自碳酸盐岩风化,同时有硅酸盐岩风化、降雨及人类活动的贡献.洪水过程中,受控于水文过程,碳酸盐岩风化强度先急剧减弱后缓慢加强,HCO_3~-、Ca~(2+)和Mg~(2+)的浓度也呈现一致的变化趋势.而SO_4~(2-)、Cl~-、Na~+和K~+动态变化主要受大气降水和人类活动的影响.碳酸风化碳酸盐岩是无机碳的主要来源,平均占总无机碳74. 3%;因硫酸/硝酸的输入,硫酸/硝酸风化碳酸盐岩在洪水过程中对无机碳的贡献明显增加,最高可达31. 7%.阳朔断面地质碳汇通量在洪水前、第一次洪水过程和第二次洪水过程分别为1. 28×10~8、5. 28×10~8和11. 52×10~8g·d~(-1).洪水前地质碳汇通量与年平均通量相当,而洪水过程数倍于年平均通量.并且,因两次洪水过程碳酸盐岩风化强度存在显著差异,第一次洪水过程地质碳汇通量在相同流量情况下仅为第二次洪水过程的58%.     

贵州省都柳江流域水化学特征研究

于2015年丰水期和枯水期采集了都柳江河水样品,分析了河水的主要水质参数和主量元素.结果显示,都柳江河水呈弱碱性,优势阳离子为Ca~(2+)、Mg~(2+),优势阴离子为HCO_3~-、SO_4~(2-),水化学类型为HCO_3~-—Ca~(2+)—Mg~(2+)型.Gibbs图、三角图、相关性分析表明都柳江水化学上游主要受碳酸盐岩风化控制,下游硅酸盐影响增加.受地层岩性和地貌变化的影响,河流TDS沿主河道呈递减的趋势.离子比值分析表明,流域上游主要受工矿活动的影响,而中下游地区人为活动因素较为复杂,受农业、城镇排污等多种活动影响.     

人类活动影响下水化学特征的影响: 以西江中上游流域为例

对西江中上游3个代表性断面进行一个完整水文年每月3次的观测和取样,利用水化学、流量等数据,探讨自然过程和人为活动影响下的河流水化学演化过程.对研究区116个水样的水化学特征进行分析.研究区的类型为HCO-3-Ca2+型,化学风化类型主要属于岩石风化,Ca2+和HCO-3是主要的阳离子和阴离子,反映了岩溶地区河水化学特征主要受碳酸盐岩溶解影响.Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-主要受自然条件控制,人类活动影响对其影响不大.K+、NO-3、SO2-4、HCO-3不同程度地受到人类活动的影响并且显示出不同的影响途径.本研究对我国南方季风区河流水化学变化、水质特征、下游珠江物质输送通量的影响、水质保护具有重要意义.     

岩溶地下水补给的地表河流溶解无机碳昼夜变化与钙沉降

溶解无机碳昼夜动态变化对河流水体碳通量的估算有重要影响。本文选择由地下水补给且富含水生植物的典型河流,开展高分辨率水文地球化学监测和高频率水样取样工作,分析了水化学的昼夜动态变化特征,钙与无机碳昼夜循环产生的生物地球化学控制机理,估算了钙与无机碳昼夜通量。结果表明,白天pH、SIC上升,产生钙沉降和水体无机碳(主要为HCO-3)含量的下降,夜间得到地下水的补给,Ca2+和HCO-3浓度回升。监测期间,官村地下河出口地表河流钙与溶解有机碳的流失或沉降量分别为69.04kg/d和168.68kg/d,即51.14g/(m·d)和124.95g/(m·d),分别占输入量的6.2%和4.7%。受水生植物光合作用和钙化作用控制,沿流程发生无机碳向有机碳转化,是真正意义上的自然碳汇。     

长江中下游典型硅酸盐岩流域自然风化与人类活动影响下的水化学特征-以抚河流域为例

抚河汇流于中国第一大淡水湖鄱阳湖,也是长江中下游的重要支流,其河流水化学组成代表了典型的硅酸盐岩地区河流风化特征。本研究于2019年1月对抚河流域进行了系统的采样分析,通过离子的主成分分析、离子比值分析等方法对流域河水水化学空间变化、控制因素和主要离子来源进行了研究。结果表明,K~+、Na~+和HCO_3~-为抚河流域水体的主要阳离子和阴离子,分别占总阳离子和总阴离子的67.0%和61.4%。TDS平均值为49.51 mg/L,低于世界河流平均值。控制流域水化学特征的主要因素是硅酸盐岩风化,同时也受降雨补给和水分蒸发的影响,其中海洋来源占总的河流比例为7.35%。Cl~-、HCO_3~-、SO_4~(2-)主要受农业化肥、工业污染及市政排放等影响,且不同地段的来源具有显著差别。由上游至下游,河流水化学中SO_4~(2-)、Cl~-不断增加,表明受人类活动的影响较大。     

旱季不同土地利用类型下岩溶碳汇效应差异

为研究不同土地利用类型下碳酸盐岩溶蚀对土壤CO2消耗量的差异,在2013年11月至2014年5月选取了柏树湾泉、兰花沟泉和后沟泉这3个岩溶泉进行水化学分析及野外监测.结果表明,在上覆植被为林地的柏树湾泉域,泉水的HCO-3浓度最高,草地与耕地下的兰花沟泉次之,耕地为主的后沟泉最低.柏树湾泉的HCO-3主要来自于碳酸对碳酸盐岩的溶蚀,Ca2++Mg2+与HCO-3的摩尔比接近0.5,而兰花沟泉和后沟泉的HCO-3则主要来源于硫酸和硝酸对碳酸盐岩的溶蚀,Ca2++Mg2+与HCO-3的摩尔比远远大于0.5.柏树湾泉域由于凋落物的输入以及土壤透气性差,土壤CO2更容易溶于下渗水并与碳酸盐岩反应,而兰花沟泉和后沟泉的耕地由于土壤疏松,土壤CO2更容易以土壤呼吸的形式返回到大气中.因此,为准确评估岩溶碳汇作用,需要研究不同土地利用类型下碳酸盐岩对CO2消耗量的差异.     

北江流域水化学时空变化及化学风化特征

为了研究我国南方湿润地区河流水化学时空变化特征及控制因素,选择珠江流域第二大水系的北江为研究对象,通过分析2015年6月（汛期）和12月（非汛期）干流和支流河水基本水质参数及主量离子,利用化学计量法及质量守恒法定量评估了自然过程及人类活动共同影响下的流域化学风化特征及其通量.结果表明:①北江河水主量离子浓度非汛期高于汛期.岩石的区域分布和矿山活动构成了河水离子浓度和水化学类型的空间异质性,其中北江干流和支流连江为Ca-HCO₃型,而支流滃江则以Ca-SO₄型为主.②岩石对北江流域化学风化贡献率依次为碳酸岩（78.44%）>硅酸岩（14.43%）>降水源（5.42%）>蒸发岩（1.71%）.基于碳酸岩是北江径流水化学的主要控制因素,滃江流域的矿山开采活动加速了碳酸岩的风化,其对北江流域化学风化的贡献为7%.③汛期与非汛期的碳酸岩风化速率分别为7.49和5.29 t/（km2·月）,年化学风化速率为87.63 t/（km2·a）.研究显示,由于受水热条件、流域面积以及岩性的影响,北江流域年化学风化速率略大于西江流域,远高于东江以及全球流域化学风化平均值,北江对整个珠江流域的风化贡献较大.      

清水江流域岩石风化特征及其碳汇效应

岩石风化产生的碳汇是全球碳循环的重要组成部分,文中对清水江流域主要离子组成进行分析测定,通过主成分分析、化学物质平衡法和扣除法估算流域岩石风化速率及对大气CO_2的消耗量.结果表明,流域河水溶质主要来源于碳酸盐岩和硅酸盐岩风化,并以碳酸盐岩风化为主.碳酸盐、硅酸盐、大气CO_2对河水溶质的贡献率分别为58.28%、17.38%、17.74%.流域岩石化学风化速率为109.97 t·(km~2·a)~(-1),与乌江接近,高于全球流域均值.流域岩石风化对大气CO_2的消耗通量为7.25×10~5mol·(km~2·a)~(-1),岩石风化对大气CO_2的消耗量为12.45×10~9mol·a~(-1),其中,碳酸盐岩风化消耗量占63.13%,为7.86×10~9mol·a~(-1),硅酸盐岩风化消耗量占36.87%,为4.59×10~9mol·a~(-1).SO_4~(2-)、F~-、NO_3~-的相关分析及空间分布特征表明,人为活动对清水江流域河水溶质的影响不容忽视,其贡献率为4.87%.     

珠江源区小黄泥河流域地表水水化学组成特征及控制因素

为研究小黄泥河流域地表水水化学组成特征及离子来源,服务小黄泥河流域水资源管理,系统采集了小黄泥河干流及支流河水和矿坑水样品,综合利用Piper三线图、Gibbs图解、离子比例系数和数理统计等方法,分析了小黄泥河河水的水化学组成、空间分布特征和主要控制因素,并评估了不同来源对溶质的贡献率.结果表明,小黄泥河流域河水pH值...     

粤北岩溶区星子河流域水化学离子特征及其时空变化分析

星子河流域位于粤西北典型岩溶区,岩溶地貌类型发育齐全。该流域是北江最大支流连江的上游源头,其水资源状况在粤西北和珠江三角洲核心区社会和经济发展中扮演着重要的角色。因此弄清楚其水质状况及其变化规律,非常必要而且具有重要的经济和社会意义。鉴于此,分冬夏季系统采集星子河流域水样进行分析和处理。结果表明:该流域Ca2+和HCO3-含量在水化学中占绝对优势,Ca2+占阳离子平均质量浓度70%以上,HCO3-占阴离子平均质量浓度的80%以上;其次是Mg2+和SO42-,分别约占阳离子和阴离子总量的12%和8%,属于软水和弱矿化度水;星子河流域水化学类型以碳酸盐岩石风化物质和蒸发岩溶解物质来源为主的HCO3--Ca2+、HCO3--Ca2+·Mg2+型,只有很少水样表现为HCO3-·SO42--Ca2+型;从Gibbs图的分析可知:星子河流域水化学组分主要来源于岩石风化,是岩石风化控制型,大气降水输入和蒸发-浓缩作用对该流域水化学离子的贡献有限;该流域水化学时间变化上表现出明显的降水稀释效应,大部分离子组分冬季含量高于夏季;相关分析表明星子河流域水化学空间变化特征明显,岩溶地质背景深刻的影响着其水文地球化学特征。