湘西峒河流域水化学特征及无机碳通量计算

霍俊伊，于 奭，张清华，李 亮

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004；2.中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部广西岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004)

CO2是重要的温室气体，其浓度的增加是全球气候变暖的关键因素之一。工业革命以来大气CO2含量迅速从280 ppmv增长到2005年的379 ppmv[1]，2016年已经达到400 ppmv之上[2]。但是，截至目前全球碳收支并不平衡，存在较大的“剩余陆地碳汇”，在AR5报告中这一数值仍达2.5Pg C/a[3]。地质作用碳汇效应常被忽视可能是大气CO2收支不平衡的重要原因之一。研究表明，碳酸盐岩积极参与全球碳循环[4]。河流在水循环和地球化学的循环中起着重要作用，能够反映出岩石的化学风化与机械剥蚀作用的强弱以及承载流域岩石风化所消耗的CO2量等信息[5]。因此，利用河流水化学参数对流域内岩石风化所产生碳汇量进行估算对当前全球气候变化研究十分重要[6-7]。

峒河流域地处中国西南，属亚热带季风性湿润气候，岩性以碳酸盐岩为主，为亚热带岩溶流域，是较为理想的岩溶研究区域。因此，近年来陆续开始有学者对峒河流域进行研究，何师意等[8]从水资源评价方面对峒河流域大龙洞地下河进行研究；邓振平等[9]利用地下水示踪实验查明了大龙洞地下河与各泉水点的连通关系；王文娟[10]分别利用水化学径流法和野外溶蚀实验法计算出大龙洞地下河流域碳汇通量分别83.33×102tCO2/a和42.63×102tCO2/a，前者是后者的1.95倍；郭芳等[11]对峒河流域岩溶地下水水化学特征进行了分析。

河流作为地球化学信息的重要载体能体现出区域的各种特征。到目前为止，学者们对峒河地下水研究较多，但是对峒河地表水系的研究较少，为了完善对该类型流域特征的认识和查明该类型流域碳汇强度，有必要对研究区进行深入探究，从而进一步推广到对大尺度流域的认知。本文通过对峒河流域地表河河水的研究，从水化学入手，着手分析其水化学离子的组成及特征，探究水中离子的来源及影响因素；并且计算流域无机碳通量，对量化流域内岩溶发育过程对大气CO2吸收的贡献有着重要意义，也为岩溶地区碳汇的计算提供一定依据。

1 研究区概况

研究区位于湖南省吉首市境内(图1)，峒河流域发源于凤凰县腊尔山，河流全长68.3 km，流域出口断面(吉首)控制面积约850 km2。流域属于亚热带山区季风湿润气候，四季分明。多年平均降雨量1 350 mm，多年平均气温15℃，最低气温-5.5 ℃，最高气温40.5 ℃[12]。

2 样品采集与分析

3 结果

峒河流域地表水的水化学参数以及主要的离子含量数据组成见表1，水体的pH值为7.75～8.70，平均值为8.31，总体呈微碱性，其中最低点位于小龙泉电站，最高点位于大龙洞电站门口。总体pH偏高的原因可能是人为因素的影响，如污染物的排放和农业灌溉的淋滤带入水体中。

峒河流域地表水TDS为119.00～211.40 mg/L，平均值为171.70 mg/L。此次调查的EC与TDS较高，主要与地层岩性有关。除此之外还可能与调查季节有关，7—8月是流域丰水期，降雨比较频繁，雨水冲刷周边的农田，使泥土或农民施用的化肥等物质流入河流，增加河流的溶解性物质，进而导致河水的EC和TDS偏高。此外，EC与TDS的变化范围较大，这主要与流域内岩性的分布有关。以TDS为例，TDS最大值出现在小龙洞电站，该地区的主要岩性为较纯的碳酸盐岩，所以导致河流的TDS相较于其他地方高。岩性为砂岩、页岩以及碎屑岩为主的区域，其TDS值逐渐变小。

表1 峒河流域水化学含量Table 1 Hydrochemical indicators of waters from the Donghe River Basin

4 讨论

4.1 岩石风化对流域水化学的控制

图2 峒河流域河水中阴阳离子三角图Fig.2 Triangle diagrams showing cation and anion composition in the water samples from the Donghe River Basin

图3 峒河流域河水Gibbs图Fig.3 Gibbs chart of the river water in the Donghe River Basin

4.2 河水中主要离子来源分析

河水中Na+通常来源于石盐和硅酸盐风化，K+一般来自于钾长石和云母的风化[12]。Cl-与K+有一定的相关性(R2=0.25，P<0.01)，说明K+部分来自于蒸发岩。K+/Na+的平均比值为1.058，但Cl-与Na+却不存在相关性，说明流域内Na+来源不受岩盐的影响。同时Na+与SiO2有着较高的相关性(R2=0.85，P<0.01)，说明Na+与硅酸盐有着相同的来源。

表2 峒河流域河水中离子相关矩阵Table 2 Partial correlation matrix of ions concentrations of waters in the Donghe River Basin

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01

图4 峒河流域河水中主要离子之间的相关关系Fig.4 Relationship among the major ions in water from the Donghe River Basin

4.3 子流域主要离子空间变化特征

表3 子流域主要离子平均浓度Table 3 Average concentration of ions in the subbasin

4.4 干流主要离子空间变化特征

5 峒河流域无机碳通量估算及分析

为了更准确地计算流域无机碳通量，在流域最终出口建立监测站(吉首水文站断面)，收集了2016年10月—2017年9月一个完整水文年的流量数据以及现场测定的物理化学参数，见表4。

表4 吉首监测站水化学指标(2016年10月—2017年9月)Table 4 Hydrochemical index at the Jishou monitoring station from October,2016 to September,2017

图5 峒河干流主要离子变化Fig.5 Main ion changes of the Donghe river

式中：F——岩溶作用形成的碳汇量/(g·s-1)；

Q——流量/(m3·s-1)；

计算得到流域无机碳汇通量，见表5，运用水化学-径流法估算出峒河流域无机碳通量为60 477.33 tCO2/a，碳汇强度为71.15 tCO2/(km2·a)。无机碳通量变化与流量变化趋势基本一致，二者有着显著的相关性。这说明流量越大，流域内岩溶作用产生的大气CO2“汇”值也越大[18]。

表5 吉首监测站无机碳汇通量估算结果(2016年10月—2017年9月)Table 5 Estimated inorganic carbon sinks at the Jishou monitoring station from October,2016 to September,2017

6 结论

(3)运用水化学-径流法估算出峒河流域无机碳通量为60 477.33 tCO2/a，碳汇强度为71.15 tCO2/(km2·a)。

本文对流域的水化学特征进行了分析并对碳汇强度进行了计算，但仍存在不足之处。例如碳汇通量的计算存在一定的误差，计算时由于算法原因没有扣除流域范围内非碳酸盐岩的风化产生碳汇通量的部分。