黄土塬区浅层地下水化学特征及其碳循环意义
2017-10-24宋超王攀韩贵琳石迎春
宋超 王攀 韩贵琳 石迎春
关键词：黄土；地下水；泉水；水化学；无机碳；碳循环
中图分类号：P641，X142 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0121-06
我国北方黄土高原面积达64万km2，典型部位的黄土覆盖厚度达200 m以上，与南方岩溶区一样，同属巨大的碳库，在区域甚至全球碳循环中扮演着重要角色。在未经后期风化淋滤的黄土中，CaC0 3的含量大于12%，甚至高达16.1%，钙结核淀积层的含量变化范围为49%～62%。文启忠等的研究表明，原生方解石在黄土碳酸盐中所占比例仅为2%～20.8%，平均为10.3%，大部分都为次生碳酸盐；另一方面，黄土地区大量的地表水/地下水水化學资料表明黄土地区水体中的主要阴离子是HC03。这两方面均表明黄土碳酸盐的溶解沉积过程是黄土中的主要地球化学过程，且该过程中所涉及的碳的迁移与转化对于区域/全球碳循环具有重要的科学意义。
泉水作为地下水的天然露头，通常被用于捕获水、岩石（土壤）、大气、微生物各个圈层中碳循环机制及其碳通量的信息。但截止目前，与我国南方喀斯特地区较为深入的研究程度相比，黄土地区以碳循环为视角对泉水进行类似的研究还不多见。赵景波等先后报道了陕西秦岭翠华山泉（片麻岩、混合岩裂隙出露）、水秋池泉（片麻岩、混合岩裂隙出露）、镇安县渔洞河村灰岩岩溶泉以及长安县杨万村黄土泉（第5层黄土中出露）的泉水化学特征。但这些研究对于深入理解黄土地区碳循环机制及其碳汇效应还不够。本文以甘肃省灵台县独店镇秋射村黄土剖面出露的泉水为研究对象，通过取样分析其水化学特征、溶解无机碳（DIC）含量、颗粒有机碳（POC）含量、溶解有机碳（DOC）含量以及δCDIC和δ13CPOC，试图从“水”的角度更好地理解黄土塬区土壤的碳循环过程，旨在进一步揭示黄土深层碳库，为黄土碳汇的潜力评估提供科学依据。
1研究区概况
本研究的黄土剖面位于甘肃省平凉市灵台县独店镇秋射村（107°41′08 79″E；35°10′08 13″N；图1），与陕西省长武县毗邻，距甘陕交界处仅有5 km。研究区为宽1.1～1.5 km不等的长条形黄土残塬地貌，塬面比较完整、平坦，其海拔高度大约1240m。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均气温9.2℃；平均降雨量605.5 mm，主要集中在7月-9月3个月；多年平均蒸发度1415～1 492mm。大气降水下渗补给地下水，然后向塬周围运动，以下降泉形式向塬边沟谷排泄。整个含水层呈中间部位厚度大、四周薄的缓丘状。研究区残塬中心部位的地下水埋深56～60 m，含水层厚度25 m，最大涌水量为199 m3/d，在塬区周边，由于沟谷对地下水的疏干作用，地下水埋深则在80 m以上，含水层厚度也相应变薄。包气带土层较厚，且夹有多层由古土壤（亚黏土），致使降雨的入渗速率较慢（33～94 mm/a），补给周期较长。残塬四周沟内黄土剖面均有常年性泉水出露（LGQ、HMQ、CZQ、YYQ；图1），其中LGQ的流量为0.43L/s。地下水化学特征较为稳定，无明显的季节变化等特征（未发表数据，另文讨论）。本研究区的黄土泉均沿黄土沟流动，先汇入黑河，再汇入泾河，最后汇入渭河。区内井水QSJ作为当地居民生活用水（图1）。
2样品采集与分析方法
泉水常被用于进行碳酸盐化学风化机制及其碳汇的相关研究，黄土地层中由降水-补给-排泄驱动的碳酸盐风化过程可以利用黄土泉水（浅层地下水的天然露头）来加以探索。由于LGQ、HMQ、CZQ、YYQ和QSJ属于同一含水层，加之黄土地层出露的泉水在雨季易受雨水冲刷、泉口坍塌、水土流失等因素的干扰，本研究首先选择在干扰因素相对较少的冬季（先后于2012年1月20日和2013年1月15日）对泉水LGQ和井水QSJ进行了采样分析与研究（图1）。为了解研究区雨水水化学的背景特征和探讨碳酸盐风化碳汇效应，本研究于2012年8月31日对区内雨水进行了一次取样分析。
2.1现场监测与样品采集
水温、pH值、电导率、溶解氧和氧化还原电位等参数使用便携式水质自动监测仪现场测量。采集的水样在野外利用Whatman GF/F玻璃纤维滤膜过滤。取约40 mL过滤液用6 mol/L盐酸酸化至pH=2，带回实验室用于DOC浓度的测定。取过滤过约10 L水的滤膜，带回实验室，一部分用于POC浓度的测定，另一部分经高温燃烧为CO2，收集于真空管中纯化用于测δ13CPOC。δCDIC样品在野外采用“直接沉淀法密封带回实验室处理。
2.2实验室分析
3.2地下水DIC，DOC和POC含量
地下水的DIC、DOC、POC结果见表2。其中LGQ和QSJ的DIC为5.25 mmol/L和5.45mmol/L，DOC为0.59 mg/L和Q 62 mg/L。LGQ的POC（0.78 mg/L）含量明显低于QSJ（2.17mg/L），这是因为LGQ出露于古土壤（亚黏土）层，黄土颗粒物混入较少。而机民井QSJ本身的结构较简单，抽水时均有黄土/古土壤的颗粒物沉淀，导致其POC较高。
黄土浅层地下水DOC远低于地表水。本研究中发现地下水中的DOC含量（0.59～0.62 mg/L）较地表水低（黄河DOC 1.51～2.88 mg/L，均值2.29 mg/L；长江口DOC 1.30 mg/L；世界河流DOC背景值5.0～6.0 mg/L），该结论与其他研究得到的结果一致。Leehneer等测定了美国五个不同类型的含水层中地下水，所有含水层中水体的DOC中值都在0.5～0.7 mg/L范围内，远低于地表水DOC的量。实际上，大多数关于地下水和地表水DOC方面的研究都表明，地下水中DOC含量，尤其是天然出露的泉水中DOC含量都小于地表水中DOC的量。相对地表水和地下水，表层土壤水含有较高的DOC，但是随着土壤深度的增加，土壤水DOC含量不断减少，这表明土壤吸附作用等固定了大量的DOC。因为深层土壤中DOC一般受控于土壤吸附与解吸、生物分解排泄、微生物活动消耗以及土壤溶液的水力过程等。研究区包气带厚达50 m，且夹多层古土壤层，在降水的入渗补给过程中，DOC极易被古土壤层吸附和微生物分解，从而使其浓度降低。
3.3碳同位素
但要计算其年碳汇的总量，需要知道该地区的有效补给量。但由于黄土地区的降水有效补给量目前还存在争议。因此，本文暂不做进一步讨论。
4结论
（1）研究区的水化学类型为HCO3-Ca·Mg型。泉水的方解石饱和指数SIc都大于0，表明其已经饱和，但其饱和指数的大小显示其尚未达到大规模沉淀的趋势。
（2）黄土浅层地下水的DOC较低（0.59～0.62mg/L），明显低于地表水体。而POC稍高，这是因为黄土颗粒物的混入造成。泉水和井水的δ13CDIC大约在-9.19‰～-8.90‰，其偏正的δ13C与碳酸盐风化一沉积过程中反复的碳同位素交换有关。而δ13CPOC大约在-19.99‰～-18.87‰之间，表明其主要受黄土有机碳同位素的控制。
