漓江河水主要离子动态变化及碳通量研究

摘要

河流是一个开放体系，河水中各离子组分与流域气候、地层分布、土壤、植被覆盖及水文等环境要素息息相关，受地球表层各种物理过程、生物化学反应与人类活动的共同影响。通过对河流地球化学过程及其碳通量的研究，探讨区域环境对全球变化的响应及其相互作用机理，是目前国际研究的热点。本文选择桂林漓江作为研究对象，在深入分析流域的地质构造、气候条件、水文资料的基础上，利用水化学参数(水温、pH、各离子浓度、pCO2、饱和指数等)及流量等水文数据估算流域岩石化学风化的碳汇效应，探讨河流水中各溶解组分的时空变化特征及控制机制。
　　 本次工作水样采于2011年3月～12月，将采样点布设在位于漓江中段的桂林市解放桥与出口的阳朔水质监测站，进行每周一次的长期监测，研究结果表明：
　　 (1)流域内碳酸盐岩化学风化对的河水离子组成起控制作用，水化学表现为阴离子以HCO3-占优势，阳离子以Ca2+离子为主，阴阳离子浓度大小顺序分别为：HCO3->SO42>Cl>NO3-，Ca2+>Mg2+>Na+>K+。流域地层岩性控制了河水各离子含量空间变化，水热条件是各离子含量季节变化的主要原因，亚热带气候区水热条件充分，为漓江碳酸盐岩溶解创造了有利的条件。漓江干流河水离子总量从上游向下游逐渐升高，除K+、SiO2、NO3-外，其余各离子月份变化基本一致，丰水期的稀释效应、淋滤效应以及枯水期的河流补给方式转变对离子含量的增高和降低起着重要作用。
　　 (2)通过Phreeqc程序计算漓江河水的pCO2和方解石饱和指数(SIc)。整个观测期间，干流解放桥与阳朔监测点pCO2基本处于饱和状态。河水pH值与pCO2成负相关关系。汛期河流表层水体pCO2波动较大，洪水时的加密观测表明，地表径流大幅增长对pCO2冲淡稀释的作用，而且水流湍急，也会导致水-气CO2释放增强。土壤CO2含量的季节变化会导致河水pCO2发生相应的季节变化，夏季河水中CO2较高，这在夏季汛期开始以及结束时表现得尤为突出。漓江上游至下游，河水的SIc逐渐偏正。漓江表层水体pCO2较低时，SIc值明显较高，处于方解石过饱和状态。每场降雨过后，SIc都呈现出下降趋势，与pCO2的变化趋势正好相反。
　　 (3)分析漓江流域岩石主要的化学风化过程，通过相关性和主成分分析估算消耗的CO2量。漓江流域主要以碳酸盐岩的风化为主，白云石的溶解最强，方解石次之，硅酸岩的风化作用最弱。H2SO4作为酸性介质也参与了漓江流域各类岩石的化学风化。2011年3月～12月漓江流域化学风化吸收大气/土壤CO2吸收总量约为3.08×109mol，吸收通量约为6.11×105mol km-2。河流流量是控制漓江流域化学风化吸收大气/土壤CO2的关键因素，其中5月份CO2吸收量最高(1.03×109mol，占33.6％)，汛期(4月～8月)CO2吸收总量约为2.41×109mol，占全部总量的78.5％。由于2011年我国南方地区出现持续干旱，计算得出的漓江流域化学风化过程对大气/土壤CO2吸收总量较往年的偏低。