龙滩水库夏季溶解无机碳、氮空间分布特征

曹玉平 袁热林 焦树林 张倩 邓飞艳

摘要：为探究筑坝对河流溶解无机碳、溶解无机碳氮空间分布的影响，2016年9月（丰水期）在岩溶区深水水库（龙滩水库）进行分层采样，获取水体主要的理化参数，运用经典统计学和地统计学方法揭示了水中溶解无机碳（DIC）、氮（D/Ⅳ）及溶解无机碳氮比（C/N）的空间变异特征。结果表明：龙滩水库夏季出现明显热分层现象，导致总溶解固体、酸碱度、碱度、DIC、DIN出现空间分层;除水温、pH外，水中主要理化参数在空间上变异较大，DIC、DIN、C/N的空间变异总体表现为DIC>C/N>DIN;库区DIC、DIN、C/N的水平变异呈现从坝前向库尾逐渐递减的趋势;由试验随机误差产生的空间异质性较小，自然结构因素对DIC、DIN、C/N引起的空间异质性起主导作用。

关键词：溶解无机碳;溶解无机氮;半方差变异函数;空间异质性;热分层;岩溶区

中图分类号：X524，P95

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 13 79.2019.02.019

近年来全球变暖受到普遍重视[1-2]，全球碳循环问题成为研究热点，河流碳循环作为全球碳循环的重要组成部分受到广泛关注[3-5]。水电作为清洁能源在我国不断推广和发展，截至2015年年底我国共有水库97 988座，其中西南地区19 774座，占全国的20.18%[6]。水库修建给河流水化学环境、水动力条件带来了严重影响，由筑坝产生的“水库效应”成为当前研究的热点之一。筑坝阻断了河流天然连续性，改变了水体自然性质，使之成为介于湖泊和河流之间的半自然态水体[7-8]，改变了自然状态下河流生态系统的碳、氮循环，形成新的水域生态系统和碳、氮循环模式[9-10]。目前关于溶解无机碳、溶解无机氮空间分布特征的研究主要集中在一些河流河口或大中型水库[11-13]。焦树林等[12]认为西江河口段溶解无机碳稳定同位素组成平均值夏秋季小于冬春季，存在明显的季节性差异：吴起鑫等[13]认为筑坝没有改变河流溶解无机碳的地球化学行为过程：赵敏等[14]认为，土地利用方式改变影响水中溶解无机碳、氮的组成和变化，在岩溶地区水中溶解无机碳受石漠化影响比受原始森林影响的比重大，土壤岩溶作用对水中溶解无机碳起控制作用。但关于水库中溶解无机碳、氮空间分异格局的相关研究较少。

龙滩水库是一座兼具防洪、发电、航运、养殖、灌溉等多功能的大型水利枢纽工程，在国内其装机容量和库容仅次于长江三峡水库。龙滩水库水温呈明显季节性分层，目前对龙滩水库的研究主要集中在水体富营养化和浮游植物群落空间分布两方面[15-16]。本文运用半方差变异函数理论模型探讨了岩溶区龙滩水库夏季溶解无机碳、氮的空间分异格局。

1 材料与方法

1.1 试验采样与分析

龙滩水库位于红水河上游广西天峨县境内，坝址距离天峨县城15 km.坝址以上流域面积98 500 km，占红水河流域面积的71%，其库容273亿m，回水长度120 km，正常蓄水位378 m，最大水深173.5 m，平均水深92.7 m，装机容量为540万kW。龙滩水库回水区域狭长，为保证采样点均匀分布，从坝前逆流向上游设置7个采样点，并用GPS确定采样点位置（见图1）。2016年9月（丰水期）在岩溶区深水水库（龙滩水库）进行分层采样。采用自制双通采水器采集垂直断面水样，从表层至底层间隔10 m分层采样，直到采取库底沉积物为止。现场利用美国麦隆公司生产的Ultru -Ⅱ（6P）水质参数仪测定水样的温度（T）、氧化还原电位（ORP）、酸碱度（pH值）、电导率（Cond）、总溶解固体（TDS）含量，并用稀盐酸滴定水样碱度（ALK）。每个采样点用水样清洗3次后装瓶，密封带回实验室用HI83200色谱仪测定样品营养盐含量。

1.2 半方差变异函数模型

在水文学、地质学、生态学中许多变量都具有空间分布的特点，当一个变量呈现为空间分布时，就称之为区域化变量[17]。水中溶解无机碳、氮可视为区域化变量，具有结构性（空间自相关性）和随机性特征，同时库区中溶解无机碳、氮变量满足二阶平稳假设条件，样本空间足够大时其半方差变异函数γ（h）的计算式为[18]Kolmogorov-Smironov（ K-S）在SPSS19.0中完成，用地统计学软件包GS+ for Windows 9.1进行半方差函数γ（h）的计算，运用Surferll.0软件进行克里金插值，用Origin9.0软件进行基本统计分析。

2 结果与讨论

2.1 统计分析与正态分布检验

水库水体主要理化性质描述性统计结果见表1（其中“*”表示通过显著性水平为0，05的显著性检验;变异系数、偏度、峰度、检验概率P为無量纲）。岩溶区水体受岩溶作用的影响，pH值为7.63～ 8.30，平均值为8.02，水体总体上表现为弱碱性。夏季水体容易出现热分层现象[15]，龙滩水库出现明显的水温热分层现象。0—10 m水体水温形成温跃层，10 m以下水体水温相对较稳定，见图2（a）。表层水温变化梯度大于库底层的，两者温度相差5.8℃。坝前水体的水温相对变化小，分析其原因，坝前水体的涵热作用使水温的变幅较小[21]。由于夏季存在热分层效应，因此水库水体温度、水生生物的分布及新陈代谢的强度和方向在不同水层存在显著差异，水温形成的密度分层限制上下水体交换，致使水库水体总溶解固体、pH、碱度等物理化学性质差异较大且出现明显的分层。从空间分布看，总溶解固体浓度表层小于底层，随着水深的增加浓度随之升高，在距离大坝40 km的水体中间形成一个高浓度区，网箱养鱼众多是该区域总溶解固体浓度大的主要原因，见图2（b）。pH值在整个水体空间分布相对均匀，在受支流汇人扰动的条件下，pH值变化幅度较大，见图2（c）。碱度也出现分层结构，坝前水体的碱度变化大于库区上游地区的。在距大坝20～30 km处，碱度形成高值区域，分析认为主要受濛江和漕渡河支流汇人的影响，夏季上游岩溶溶蚀作用带来丰富的碳酸盐类溶解物，造成该区域碱度浓度升高，见图2（d）。从各理化参数变异系数分析可知，除水温、pH外，其余理化参数的空间变异较大，总体表现为NH4-N>ORP>TDS=ALK>DIC>C/N>DIN.

半方差函数主要通过区域化变量分割等距离采样点间的差异来研究变量的空间结构和空间相关性。但空间相关分析的变量必需满足正态分布，并且由随机抽样的方式获得[22]。为了检验试验数据是否符合半方差函数的分析条件，采用SPSS中Kolmogorov - Smi-ronov（K-S）正态分布检验概率（P）进行检验。检验时显著性水平设定为α= 0.05，若P >0.05.则认为数据服从正态分布。由表1可知，水中DIC、DIN、C/N均大于0.05，说明数据服从正态分布，可进行空间自相关分析，并且DIC、C/N的P明显优于DIN的。

2.2 库区DIC、DIN、C/N各向同性下空间结构性

如果区域化变量在采样尺度上具有空间依赖性（或者空间相关性），那么半方差函数值会随着滞后距的增加而增大，并且在超过变程后逐渐趋近于基台值或围绕基台值波动[22]。从图3和表2可知，水体中DIC、DIN、C/N具有明显的基台值，说明水中溶解性DIC、DIN、C/N的分布具有一定的空间依赖性和结构性;基台值DIN>C/N>DIC。本研究中水中溶解性C、N的分析采用不同的拟合模型，DIC适合球状模型、DIN适合高斯模型、C/N适合系数模型。确定系数（R2）和残差（RSS）可以评价模型拟合对研究对象的解释效率。从表2可知，DIC、C/N的半方差函数γ（h）与空间距离h的理论模型解释率比DIⅣ的高，DIC、C/N、DIN的解释率分别为48%、56%、28%。

通常认为区域化变量的空间异质性（SHZ）由空间自相关（SHA）和随机误差（SHR）两部分组成。B表示空间自相关引起的空间异质性，块金值Bo表示随机误差的空间异质性，所以基台值Bo+B越大，区域化变量的空间异质性越高。B/（B0+B）反映了结构因素SHA对SHZ的贡献程度，Bo/（B0+B）反映了随机误差SHR引起的空间异质性占SHZ的比例。由表2可知，水中DIC、DIN、C/N的B/（B0+B）值均较高，说明结构因素对其空间异质性的贡献率分别高达99.97%、99.91%、76.56%。按照区域化变量空间相关性的分级标准[23-24]，当B0/（B0+B）≥0.75时，变量的空间相关性很弱;当0.25≤Bo/（Bo+B）<0.75时，变量具有中等程度的空间相关性;当B0/（ B0+B）<0.25时，变量具有强烈的空间相关性。结合该分级标准，库区水中溶解性DIC、DIN、C/N的B0/（B0 +B）值都小于<0.25%，说明变量具有强烈的空间相关性。随机试验产生的误差（B0）对水中溶解性C、N的影响较小，受水体本身的性质和流域物质输出的影响较大，研究表明水体中溶解性离子浓度是区域气候、地层、岩石、土壤、农业活动和人为排放等环境因子的函数[10]。同时，水生生物的光合和呼吸作用是引起水体C、N空间分布差异的主要原因之一。

变程反映的是区域化变量的空间影响范围。从表2和图3可知，水中C/N值的变程为0.15 km，是最小的，说明水中C、N比值在较短的距离内存在空间异质性。相比而言，水中溶解无机碳和溶解无机氮的变程分别为2.00、6.47 km，说明水中溶解无机碳在空间距离超过2 km后空间相关性消失，而水中溶解无机氮在较长的距离内存在空间结构异质性，当超过变程6.47km后空间相关性消失。

2.3 库区DIC、DIN、C/N各向异性下空间结构性

为了研究水体中DIC、DIN和C/N在不同方向上的特点，即各向异性，对不同方向的半方差函数进行计算。计算时将全方位平均分为4个方向，即0°、45°、90°、135°，分别代表东一西、东北一西南、南一北、西北一东南方向。从表3可知，水体中DIC、DIN和C/N的基台值远大于块金值，表明在不同方向上三者同样具有明显的空间结构。其中DIC的半方差函数γ（h）与空间距离h的关系符合指数模型.DIN与C/N的符合高斯模型。从确定系数R2和残差RSS对模型的解释率可知，与各向同性半方差函数模型相比，DIC、DIN和C/N各向异性半方差函数模型的解释率都较高，解释率分别为71%、62%、54%。另外，从表3可以看出，水体中DIC、DIⅣ和C/N的B/（B0+B）值相差不大，分别为0.778、0.776、0.736，说明DIC、DIⅣ和C/N在各方向上的空间变异程度差异明显。各向异性下，水中DIC、DIN和C/N的B0/（B0 +B）值分别为0.222、0.224、0.264，相较于各向同性的空间相关性来说，水中C、N各向异性的空间相关性降低，C/N的空间相关性由強烈的空间相关性变为中等强度的空间相关性。综上所述，结构因素是库区DIC、DIN、C/N的空间异质性的主要影响因素，与各向同性下的分析结果一致。

DIC、DIN和C/N各向异性的半方差变异函数与空间距离关系见图4，结合表3，水体中DIC、DIN和C/Ⅳ三者在空间上各方向的变程各不相同。DIC、DIN在空间各方向上的变异以0°方向变异为主，也就是说从坝前到库区上游方向DIC、DIN空间变化最大;C/N在0°、45°两个方向上变化最大。

2.4 库区DIC、DIN、C/N及NH4 -N的空间分布格局

水中溶解性C、N的组成和变化是一个十分复杂的综合过程，受流域侵蚀、地形、气候、植被、人为干扰活动，以及水中生物光合、呼吸作用及硝化细菌硝化作用等影响[11]。水库蓄水后改变河流原始状态下C、N的地球化学过程，水库对水体营养物质具有明显截留效应[25]。水中溶解性C、N具有空间变异性。基于半方差函数的建立，通过正态分布检验，水中DIC、DIN、C/N、NH4 -N均服从正态分布，采用Surferll.0软件中克里金插值法绘制水中DIC、DIN、C/N、NH4 -N空间等值线分布图，以直观反映水中C、N在空间上的分布特征。龙滩水库水温在夏季出现明显热分层效应，水库的热分层阻碍了水中其他物质在上下层之间的交换。从图5可以看出，DIC、DIN、C/N、NH4 -N呈明显分层。

在垂直方向上.DIC表层水体浓度变化梯度大于底层水体的，随着水深的增加DIC浓度升高，夏季水生生物光合作用强，受光透深度、水体热分层等因素影响，上层水体是水库初级生产力的主要产生区域。上层水体光合作用一定程度上降低了水体的DIC浓度[26]，库底DIC长期滞留，补充表层DIC，是表层DIC的重要来源。受水库蓄热作用影响[21]，在坝前深度为10、30、40 m处出现了半闭合DIC等值线，见图5（a）。

DIN空间分布大致上是中间水层浓度大，上下两层浓度小，呈斑块状分布，空间上相关性不强，具有高度空间异质性，见图5（b）。这与张垒[15]等研究的龙滩水库总氮分布特征一致，中表层水体氮含量最大。龙滩水库属于深水水库，库内水体更新交换的时间较长，从图5（b）可以得出这样的结论，水库底层长期滞留N元素，形成DIN富集区。

水体中C/N空间分布受N03 -N、NH4 -N、DIC、DIⅣ等的综合影响。研究区C/N的空间分布与DIC的具有相似性，在纵向上出现高值斑块区，表层水体的C/N出现明显分层，见图5（c），主要是受库区一支流交互作用的影响。夏季降水充沛，流域侵蚀作用强烈，上游来水携带了大量的营养盐，加上受水体顶托作用的影响，在干、支流交汇处容易出现营养盐富集。在深水水库中，水体达到一定深度时，水中光合作用减弱，水生生物以呼吸作用为主，造成水库底层缺氧的环境。在缺氧的条件下，反硝化细菌反硝化作用明显，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N2）或一氧化二氮（N20），造成水中溶解性N浓度降低。NH4 -N在水中分布比较紊乱，高、低值斑块交错出现，上游地区NH4 -N分层现象比坝前水体明显（图5（d））。在整个水体中NH4 -N/DIN为1%，水中DIN的形态主要是N02 -N，比例达98%。

3 结语

筑坝改变原自然状态河流水环境、水动力条件，导致水中溶解无机碳、氮的生物地球化学行为过程发生改变。笔者运用经典统计学，结合地统计学中半方差变异函数理论模型，探讨了岩溶区深水水库溶解无机碳、氮的空间分异特征。龙滩水库夏季水温出现明显热分层效应，导致水中TDS、pH值、ALK、DIC、DIN、C/Ⅳ及NH4 -N出现空间分层现象，除水温、pH值外，水中主要理化参数在空间上变异性相差较大，总体表现为NH4 -N>ORP> TDS= ALK> DIC> C/N> DIⅣ;库区DIC、DIN、C/N的水平变异具有明显的水平空间结构，水平变异呈现从坝前向库尾逐渐递减的趋势;DIC、DIN、C/N在空间上具有强烈的空间自相关性，由试验随机误差（Bo）产生的空间异质性较小，自然结构因素（B）对DIC、DIN、C/N引起的空间异质性起主导作用;DIN在空间分布上出现明显的高、低值斑块区，表现为高异质性，总体上呈现中间高、两端低的分布格局。

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