作者简介:黄奇波(1982-),男,江西萍乡人,副研究员,主要从事岩溶水文地质、岩溶环境与全球变化研究.E-mail:qbohuang@karst.ac.cn
研究非岩溶水和硫酸参与溶蚀对地下河流域岩溶碳汇通量的影响,有助于提高岩石风化碳汇通量估算精度,对于推进地质作用与全球气候变化研究意义重大。选取湘南北江上游武水河流域内4条典型地下河为对象,通过水化学对比分析,揭示硅酸盐岩风化对流域地下水化学的重要影响。运用Galy方法计算流域非岩溶地层中的硅酸盐岩风化消耗大气/土壤CO2对岩石风化碳汇的重要贡献,并评价了H2SO4参与下碳汇通量的扣除比例。结果显示:①流域内有非岩溶地层的L01,L02地下河, Na+,K+和SiO2浓度明显高于纯碳酸盐L03和L04地下河,非岩溶地层中的硅酸盐的风化对地下河水中K+,Na+,SiO2浓度有一定贡献;② 4条地下河的[Ca2++Mg2+]/[HCO3-]当量比值为1.05~1.15,[Ca2++Mg2+]/[HCO3-+SO42-]的当量比值为0.99~1.08,Ca2++Mg2+相对于HCO3-过量,过量的Ca2++Mg2+与SO42-相平衡,证实硫酸参与流域碳酸盐岩的溶蚀;③L01和L02地下河岩石风化消耗的CO2通量中非岩溶地层中的硅酸盐风化消耗所占比例分别为3.36%和2.22%,而L03和L04地下河中硅酸盐风化消耗比例小于0.50%,表明有非岩溶地层存在的地下河流域,其岩石风化消耗的CO2通量中硅酸盐风化消耗占有一定比例;④在考虑硫酸参与碳酸盐岩溶蚀时,4条地下河的碳汇通量分别扣除4.84%,4.52%,6.20%和9.36%。
*Corresponding author:Qin Xiaoqun(1961-), female, Wuzhou City, Guangxi Zhuang Autonomous Region, Professor. Research areas include karst geo-hydrology.E-mail:qxq@karst.ac.cn
First author:Huang Qibo(1982-), male, Pingxiang City, Jiangxi Province, Associate Professor. Research areas include karst geo-hydrology and Karst environment with global chang.E-mail:qbohuang@karst.ac.cn
Evaluating the impact of allogenic water and sulfuric acid on karst carbon sink not only helps to improve the accurate calculation of soil CO2 uptake by rock weathering, but also obtains a complete understanding of the global carbon cycle. Groundwater samples were collected from four karst subterranean rivers watershed within different lithology strata in Wushui Basin, upstream of Beijiang Basin, Hunan Province, for revealing the important impact of silicate weathering on hydrochemistry of groundwater. To estimate the contribution of soil CO2 uptake by silicate weathering to CO2 uptake by rock weathering, the Galy model was employed in this article. The important impact of sulfuric acid on CO2 uptake by carbonate weathering resulting from the substitution of carbonic acid by protons from sulfuric acid was investigated. Our results showed that the concentration of Na+, K+ and SiO2 in L01,L02 subterranean river with silicate strata in watershed were higher than that in L03,L04 subterranean river without silicate strata in watershed, which implied that the contribution of silicate weathering to Na+,K+ and SiO2 was very important in watershed within silicate strata . The changeable equivalent ratio between (Ca2++Mg2+) and HCO3- was 1.05 to 1.15, and the value of [Ca2++Mg2+]/[HCO3-+SO42-] was 0.99 to 1.08. The concentrations of Ca2+ and Mg2+ exceeded the equivalent concentrations of HC3-, and the excess of Ca2+ and Mg2+cations were compensated by SO42-, which suggested that sulfuric acid has an important influence on carbonate dissolution. The contribution of soil CO2uptake by silicate weathering to CO2 consumption in L01 and L02 subterranean river were 3.36% and 2.22%, respectively, whereas the contribution in L03, L04 subterranean river were less than 0.50%, indicating that the contribution of soil CO2 uptake by silicate weathering was important in the subterranean river basin within silicate strata. Due to the contributions made by sulfuric acid, the CO2 consumption in four subterranean rivers decreased by 4.84%, 4.52%, 6.20%, 9.36%, respectively.
岩石化学风化能够回收大气/土壤中的CO2产生碳汇效应, 积极参与全球碳循环[1~4]。由于方解石快速的溶解反应动力学机制, 碳酸盐岩风化碳汇是岩石风化碳汇的主要组成部分[5~9]。碳酸盐岩溶蚀形成的岩溶水中 HC
Galy方法是Galy和France-Lanord用来估算Ganges-Brahmaputra流域的侵蚀速率和岩石风化消耗大气/土壤CO2通量的重要方法[28]。该方法将河流水化学离子组分归因于不同岩石端元的溶解, 根据河水中元素比值关系, 运用水化学计量方法来估算不同岩石端员风化对河水溶质的贡献。在我国云贵高原的乌江流域、南盘江、北盘江流域, 韩贵琳等[29]和刘丛强等[30]运用Galy方法计算了硅酸盐岩和碳酸盐岩风化速率及消耗大气/土壤CO2通量, 并评估了硫酸参与碳酸盐岩溶蚀的比例及对岩溶碳汇效应的影响程度。覃小群等[31]运用Galy方法计算出珠江流域平均岩石风化速率和由岩石风化作用引起的大气CO2消耗通量, 并证实由于碳酸盐岩风化溶蚀速率是硅酸盐岩的10.8 倍, 碳酸盐岩风化是流域碳汇过程及效应的主体。张连凯等[32]利用Galy方法研究了长江流域岩石化学风化与大气CO2消耗, 并估算了在考虑硫酸参与碳酸盐岩溶蚀时, 流域岩石风化碳汇通量应扣除约14%。然而, 将Galy方法用于计算典型地下河流域岩石风化碳汇通量的文献十分少见。
本研究选取湘南北江上游武水河流域内具有不同岩性条件的4条典型地下河为对象, 通过水化学组分对比分析, 揭示非岩溶地层中的硅酸盐岩风化对地下河水化学组成的重要影响。运用Galy方法计算岩溶流域内非岩溶地层中的硅酸盐岩风化消耗大气/土壤CO2通量对岩石风化碳汇通量的重要贡献, 并评价在硫酸的参与下, 流域碳汇通量的扣除比例。本研究为存在非岩溶水补给和外源酸参与溶蚀的地下河流域如何准确计算碳汇通量提供参考, 有助于提高岩石风化碳汇通量估算精度, 对于推进地质作用与全球气候变化研究意义重大。
研究区位于湖南省南部, 为长江流域与珠江流域分水岭地带, 归属珠江水系北江流域, 属亚热带季风性湿润气候区, 因南北气流受南岭山脉影响, 形成了气候温暖、四季分明、热量充足、雨水集中、春暖多变、夏秋多旱、严寒期短、暑期热长的气候特征。区内降水具有时空分布不均、年际变化大、雨量集中、前多而涝、后少而旱的特征, 上半年占全年降雨量的63.2%, 下半年为36.8%, 降水主要集中在4~6月, 占全年降水量的43.5%。湖南省是全国严重的酸雨污染区之一, 2004 年湖南省14 个城市的降水监测结果显示, pH≤ 5.6 的酸雨样占76.4%, pH≤ 4.5 的酸雨样占39.4%, 酸雨中硝酸的含量不及硫酸的10%, 主要为硫酸型酸雨[33]。
研究区为基岩山区, 主要出露泥盆系的棋子桥组(Dq)、锡矿山组(Dx)、孟公坳组(Dm), 石炭系的马栏边组(Cm)、天鹅坪组(Ct)、石凳子组(Cs)、测水组(Cc)、梓门桥组(Cz), 二叠系的栖霞组(Pq)、孤峰组(Pg), 其中泥盆系的孟公坳组(Dm)、石炭系的测水组(Cc)及二叠系的孤峰组(Pg)岩性为页岩和砂页岩, 其他地层的岩性为灰岩夹少量白云岩, 碳酸盐岩面积占80%以上(图1)。山体海拔850~900 m, 地貌特征是北高南低、西高东低, 地表岩溶形态呈丘陵和洼地组合, 裸露基岩表层石芽、溶沟、溶槽广泛发育; 洼地底部浅平, 常有漏斗及落水洞发育, 以丘顶面和坡面发育较多, 为接受降水补给的通道; 受南北向断层和向斜构造控制, 地下河发育主要呈南北向和东西向; 南北向地下河规模大, 管道发育长10~12 km; 东西向地下河向东部金江河排泄, 规模较小, 长度1~3 km(图1)。
选取流域内的L01(邓家地下河)、L02(百里地下河)、L03(大泉地下河)、L04(夏家地下河)为研究对象(图1), 4条地下河的岩性及流域面积由野外实际调查圈定, 流量为建观测站后的实测流量, 采取每5天测1次流量, 遇雨天加密到1天1次的观测方法, 观测期为2015年5月至2016年6月。流域内有非岩溶地层出露的地下河为L01和L02, 其出露面积分别占流域面积比例的17.33%和13.00%, 而L03和L04地下河流域内均为碳酸盐岩地层。4条地下河的流量季节动态特征和岩性条件见表1。
在2015年3月、6月、8月、11月对4条地下河进行了现场和取样回实验室分析测试。主要采用仪器现场测试、现场滴定和样品室内测试相结合的研究方法。野外现场利用德国WTW公司生产pH/Cond340i测试仪测试各样点水的pH值和水温, 分辨率分别为0.1 pH和 0.1 ℃; 使用德国Aquamerck公司生产的碱度计和硬度计测定河水的HC
采用钼酸盐光度法测量(硅钼黄法)水体中的SiO2浓度, 其原理:在酸性环境中, 钼酸铵与水中SiO反应, 生成黄色可溶的硅钼杂多酸络合物, 在一定深度范围内, 其黄色与SiO2的浓度成正比, 通过测定其吸光度并与硅标准曲线对照可求得SiO2浓度。测试精度为0.50 mg/L。测试结果如表2所示。
从表2可以看出, 4条地下河不同月份的pH值变化范围为6.99~7.87, 呈弱碱性, 显示出典型的岩溶地下水化学特征[34]。4条地下河6月和8月的水温大于3月和11月, 年均水温分别为17.7 ℃, 18.2 ℃, 17.9 ℃和17.4 ℃, 与当地年均气温基本一致。总体上, 4条地下河水温的季节动态变幅比当地气温的变幅小, 反映出岩溶地下水水温既受外部气温控制又对外部温度具有调蓄作用。4条地下河不同月份总溶解性固体(Total Dissolved Solids, TDS)含量的变化范围为193.00~259.21 mg/L, 平均分别为248.97, 215.89, 220.81, 220.91 mg/L, 远高于世界河流平均值(69 mg/L)[35], 显示了岩溶地下河流域剧烈的岩石化学侵蚀作用[36]。
由水化学数据作出Piper三线图(图2), 可知4条地下河不同月份均以Ca2+, Mg2+和HC
利用FREECH软件计算出方解石饱和指数(SIc)和水体二氧化碳分压(pCO2)(表1)。发现4条地下河河水的SIc具有季节动态, 3月和6月SIc较大, 8月和11月较小, 其中L01, L02和L03地下河的SIc在3月和6月大于0, 8月和11月均小于0。4条地下河不同月份水体pCO2的变化范围为2 630~20 277 Pa, 显著高于大气二氧化碳分压(32 Pa), 这缘于大气降水下渗过程中溶解了更多的土壤CO2, 使岩溶地下水具有较高的HC
4.1.1 硅酸盐岩风化
4条地下河均是以大气降水为补给来源, 大气降水对岩溶地下水化学组分有一定影响。大气降水对地下水化学影响的研究, 通常选择 Cl-作为参照元素, 它是雨水中的主要成分且来源相对简单, 在水的循环过程中 Cl-的行为也相对保持稳定, 一般认为其主要通过降雨从海洋输送而来, 受人类活动的贡献相对较少[41]。4条地下河不同月份中Cl-和K+, Na+离子所占阴阳离子比例均小于10%, Na+与Cl-比值(Na+/Cl-)范围为0.41~1.47, 平均值为0.83, 接近标准海水的Na+/Cl-值(0.86)[42]; 且从图4可以看出, K+, Na+与Cl-存在一定的相关性, 意味着K+和Na+的来源与Cl-一致, 大部分来源于大气降水, 人类活动对4条地下河的K+和Na+影响较小; 这可从4条地下河不同月份水中S
地下水中SiO2主要来源于非岩溶地层中的硅酸盐的风化[41]。4条地下河不同月份的SiO2的含量与珠江[31]、乌江[26]及长江主河道[32]水体相比, 明显偏小, 主要原因是4条地下河流域主要为碳酸盐岩, 非岩溶地层比例最高的L01也不超过18%, 而珠江流域、乌江流域和长江流域非岩溶地层出露面积均大于50%。另一方面, 研究区Cl-主要来源于大气降水, 而K+和Na+除大气降雨外, 还来源于非岩溶地层中硅酸盐岩矿物的风化, 因此, 可用(Na++K+)/(Na++K++Cl-)值的大小来指示非岩溶地层中硅酸盐岩矿物风化对地下水贡献大小[34]。从图5可以看出, 4条地下河SiO2含量与(Na++K+)/(Na++K++Cl-)具有较好的正相关关系(R2=0.42, p< 0.05), 这是由于非岩溶地层中的硅酸盐岩矿物的风化使地下水中SiO2含量与(Na++K+)/(Na++K++Cl-)同步增加, 进一步证实了流域内非岩溶地层中硅酸盐岩矿物的风化对地下河的K+, Na+, SiO2具有一定贡献的认识。由于L01和L02地下河流域内有一定面积的非岩溶地层出露, 其SiO2的平均浓度(分别为5.52和5.68 mg/L)高于纯碳酸盐岩的L03和L04地下河流域(5.18和4.96 mg/L)。
4.1.2 碳酸盐岩风化
Ca2+, Mg2+和HC
4.1.3 人为活动输入
人为活动产物可以通过废物直接排放和通过大气输入这2种途径输入水体[44]。其中, 以工业活动和农业活动的影响最为显著。地下水中N
4条地下河N
根据H2CO3风化碳酸盐岩的方程[13]:
Ca(1-x)MgxCO3+CO2+H2O =(1-x)Ca2++xMg2++2HC
仅有H2CO3参与岩溶作用时, 溶蚀产物主要为Ca2+, Mg2+, HC
另一方面, 当H2SO4+H2CO3共同风化碳酸盐时, 溶蚀方程可表示为[31]:3Ca(1-x)MgxCO3+ H2SO4+H2CO3= 3(1-x)Ca2++3xMg2++S
由以上分析可知, 4条地下河既受非岩溶地层中的硅酸盐岩风化影响, 又受H2SO4溶蚀的控制, 本研究利用地下河不同季度的流量(表1)和水化学数据(表2), 根据地下河元素比值之间的关系, 采用Galy 的模型[28], 并运用参考文献[31]中的公式(1)~(16)计算出4 条地下河中碳酸盐岩和非岩溶地层中硅酸盐岩风化消耗的CO2通量, 计算结果如表3所示。
从表3可以看出, 4条地下河岩石风化消耗的CO2通量中硅酸盐岩风化消耗所占比例最大的为 L01地下河, 其硅酸盐岩风化消耗通量为27.93× 103 mmol/(km2· a), 占岩石风化CO2消耗通量(815.72× 103 mmol/(km2· a))的3.36%; 其次为L02地下河, 其硅酸盐岩风化消耗通量为16.13× 103 mmol/(km2· a), 占岩石风化CO2消耗通量(727.78× 103 mmol/(km2· a)) 的2.22%。最小为L03和L04地下河, 硅酸盐岩风化消耗通量分别为4.55× 103 mmol/(km2· a)和2.81× 103 mmol/(km2· a), 分别占岩石风化CO2消耗通量(1 109.09× 103 mmol/(km2· a)和859.27× 103 mmol/(km2· a))的0.41%和0.33%; 可见, 非岩溶地层中的硅酸盐岩风化消耗CO2通量和贡献比例大小受流域内非岩溶地层面积比例控制; 由于L01地下河流域内非岩溶地层面积比例最大, 为17.33%; 其次为L02, 非岩溶地层面积比例为13.00%; 2条地下河中硅酸盐风化消耗CO2通量所占比例大于2%。而L03和L04地下河流域内由于没有非岩溶地层, 其硅酸盐风化消耗CO2通量所占比例均小于0.5%。
仅考虑碳酸溶蚀作用时, L01, L02, L03和L04地下河岩石风化(碳酸盐岩和硅酸盐岩)消耗CO2速率分别为857.17× 103, 762.26× 103, 1 182.43× 103和947.98× 103 mol/(km2· a); 在硫酸与碳酸共同作用下, 4条地下河岩石风化吸收CO2速率分别为815.72× 103, 727.78× 103, 1 109.09× 103, 859.27× 103 mol/(km2· a)。可见在硫酸的参与下, 岩石风化消耗的CO2通量降低。在考虑硫酸参与碳酸盐岩溶蚀时, 4条地下河的碳汇通量分别扣除4.84%, 4.52%, 6.20%, 9.36%。但总体上, 4条地下河受硫酸影响较小, 其扣除的比例均小于10%。刘丛强等[30]的研究结果显示在硫酸参与下, 西南地区岩溶碳汇通量应扣除33%, 本研究的扣除比例明显小于该值, 这缘于本研究中的4条地下河流域受人类活动影响较小。
流域内有非岩溶地层分布的L01和L02地下河其Na+ , K+ , SiO2浓度高于流域内为纯碳酸盐岩地层的L03和L04地下河, 地下河流域内非岩溶地层中硅酸盐的风化对地下河的K+, Na+, SiO2有一定贡献。4条地下河的[Ca2++Mg2+]/[HC
L01和L02地下河岩石风化消耗的CO2通量中非岩溶地层中的硅酸盐风化消耗所占比例分别为3.36%和2.22%, 而L03和L04地下河中硅酸盐风化消耗比例小于0.50%。有非岩溶地层存在的地下河流域, 其硅酸盐风化消耗CO2通量对岩石风化碳汇通量有一定贡献, 且贡献比例大小受流域内出露的非岩溶地层面积比例大小控制。在考虑硫酸参与碳酸盐岩溶蚀时, 4条地下河的碳汇通量分别扣除4.84%, 4.52%, 6.20%, 9.36%。证实硫酸参与岩石风化过程, 并减少岩石风化碳汇通量。
The authors have declared that no competing interests exist.
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