章程，汪進良，謝運球，王松

1) 中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，國土資源部/廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室，廣西桂林，541004；2) 廣東省水文地質(zhì)大隊，廣州，510510

內(nèi)容提要：巖溶區(qū)地表河流與巖溶湖水化學(xué)的動態(tài)變化及水生植物固碳作用的研究，有助于加深對巖溶作用的生物地球化學(xué)過程特性，即短時間尺度屬性的認(rèn)識。本文利用自動化高精度在線監(jiān)測和高密度取樣，探討巖溶湖(地下河水補給)水化學(xué)的晝夜動態(tài)變化及不同水生植物的影響。受氣溫和水生植物光合作用的影響，白天水溫、pH、溶解氧、無機碳同位素值呈同步上升，而Ca2+、HC含量、電導(dǎo)率下降。沉水植物群落分布區(qū)水化學(xué)等指標(biāo)晝夜變幅大于挺水植物群落分布區(qū)，水溫、pH、Ca2+、HC、溶解氧、無機碳同位素值在挺水植物區(qū)的晝夜變化幅度分別為4.42 °C、0.65、18 mg/L、0.8 mmol/L、14.02 mg/L、-2.27‰(δ13CV-PDB)，在沉水植物區(qū)則分別上升到6.32 °C、1.43、24 mg/L、1.5 mmol/L、23.86 mg/L、-5.03‰(δ13CV-PDB)，說明沉水植物區(qū)的鈣沉降與固碳效率更高。結(jié)果可為深入認(rèn)識巖溶濕地水生生態(tài)系統(tǒng)，估算巖溶區(qū)水生植物固碳潛力奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

自2000年IGCP448“全球巖溶生態(tài)系統(tǒng)對比研究”項目執(zhí)行為標(biāo)志(Yuan Daoxian, 2000)，越來越多的研究關(guān)注生物在巖溶地球化學(xué)過程、巖溶碳循環(huán)中的作用。如土壤微生物、碳酸酐酶、植被的演替均可提高碳酸鹽巖的溶蝕速率(劉再華, 2001; Zhang Cheng, 2011)，從而促進巖溶作用。近20多年來，在全球碳循環(huán)模型中一直存在著不明去向的碳匯(或稱遺漏匯(missing sink)), 即大氣碳收支不平衡(全球碳源強度大于碳匯強度)， 遺漏匯的不確定性是全球碳循環(huán)研究中的核心問題之一。由于碳酸鹽巖溶蝕過程消耗大氣CO2，可能是全球遺漏匯的重要組成部分(蔣忠誠等, 2012; 劉再華, 2012; 袁道先, 2011; Larson, 2011)，是現(xiàn)今碳減排潛在途徑，可為應(yīng)對氣候變化作貢獻(xiàn)。主要的質(zhì)疑來自于其溶蝕過程的可逆性和長時間尺度，認(rèn)為巖溶作用過程中只是CO2的轉(zhuǎn)換而沒有發(fā)生固碳作用(Curl, 2012)。但作為一種對環(huán)境變化敏感的表層地球化學(xué)過程，生物的積極參與，使其成為地質(zhì)作用慢過程和生物作用快過程的有機結(jié)合體，具有不同時間尺度特點(章程, 2011; 張強, 2012)。

1 研究區(qū)概況

會仙巖溶濕地位于桂林市西南部臨桂縣會仙鎮(zhèn)，距桂林市區(qū)約30km(圖1)，是我國巖溶濕地的典型代表，也是我國中低緯度低海拔地區(qū)最大的自然濕地，總面積約189 km2(蔡德所等，2012)。年均氣溫18.8 ℃，7月平均氣溫28.3 ℃，年均降雨量1894.4 mm。巖溶地下水是濕地的主要補給水源。研究區(qū)位于中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)研究基地——巖溶湖(獅子潭)內(nèi)(圖2)，湖水由馬面—獅子山地下河補給，該地下河發(fā)源于獅子山以北的巖溶峰叢山區(qū)，枯季流量一般在2～5 L/s雨季最大流量高達(dá)1500 L/s。監(jiān)測期間(2012年9月8日～11日)地下河主要離子含量見表1。

表1桂林會仙巖溶濕地獅子巖地下河主要離子含量和平均值(mg/L)
Table1Majorionsconcentrationandmeanvalues(mg/L)ofShiziyanundergroundstream
inHuixianwetland,Guilinarea

離子組分Ca2+Mg2+K+Na+HCO-3Cl-SO42-NO3-含量變幅65.0～72.04.17～4.283.62～4.040.74～0.80170.8～183.06.21～6.5417.89～19.122.82～5.11平均值68.94.203.820.76177.656.3918.374.04

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計會仙濕地水生植物共有40科82屬134種(蔡德所等，2012) ，以根生在泥中，下部或基部在水中，中山或上部為氣生的挺水植物為主(81種)，占總種數(shù)的60.45%；生長在過度潮濕環(huán)境中的濕生植物30種，占22.39%；莖葉均浸沒水中，有根或無根而浮游但不露出水面的沉水植物13種，占9.7%；浮生于水面，根垂沒于水中或無根的浮水植物10種，占7.46%。主要有水龍、黑藻、狐尾藻、水蓑衣、華克拉莎、長苞香蒲等32優(yōu)勢種。17種代表性植物的δ13CV-PDB(采用PDB (Pee Dee Belemnite)標(biāo)準(zhǔn)報道，后同)測試結(jié)果看，其值變化在-30.08‰～ -18.91‰之間，平均為-26.65‰，其中狐尾藻的δ13C最大，三棱藨草的δ13C最小。不同類型植物δ13C平均值從高到低依次為沉水植物(-23.91 ‰)，濕生植物(-27.49 ‰)，挺水植物(-28.66 ‰)，浮水植物(-28.78 ‰)，略低于長江中游淡水湖泊同類型水生植物δ13C值(黃亮等, 2003)。碳同位素值較高的植物其鈣含量往往也較高，如狐尾藻的鈣含量高達(dá)13.36%，而一般鈣含量多在1%～5%。

圖1 桂林會仙巖溶濕地地理位置圖Fig. 1 Location map of Huixian wetland, Guilin area

圖2 桂林會仙巖溶生態(tài)研究基地南部簡圖及監(jiān)測點位置(據(jù)蔡德所, 2012簡化)Fig. 2 Sketch map of Huixian karst wetland research base，Guilin area, and monitoring sites (After Cai Desuo, 2012)

2 研究方法

3 結(jié)果

3.1 水文水化學(xué)變化

表2 桂林會仙巖溶濕地獅子潭巖溶地表湖監(jiān)測點水的化學(xué)組成(括號內(nèi)數(shù)字為平均值)Table 2 Chemical composition of monitoring sites in Shizitan lake, Huixian wetland, Guilin area (data in parenthesis are mean values)

圖3 桂林會仙巖溶濕地獅子潭巖溶地表湖1～3號監(jiān)測點水化學(xué)與葉綠素動態(tài)變化Fig. 3 Variations of hydrochemical components and chlorophyll a at monitoring site 1 to 3 in Shizitan lake, Huixian wetland, Guilin area

圖4 1～3號點Ca2+、HC與δ13CDIC晝夜變化Fig. 4 Diel variations of Ca2+、HC concentrations and δ13CDIC value at monitoring site 1 to 3

3.2 無機碳同位素變化

地下河出口(1號監(jiān)測點)無機碳同位素(δ13CDIC，V-PDB)相對較穩(wěn)定，晝夜變幅較小，平均值為-10.17 ‰，變幅為-2.05 ‰。2號與3號監(jiān)測點δ13CDIC，V-PDB有偏正趨勢，平均值變大，分別為-8.36‰和-8.67‰，晝夜變幅則是2號監(jiān)測點較大，分別為-5.03‰和-2.27‰ (圖4)。

4 討論

4.1 氣溫與水生植物光合作用的影響

地下河出口水體中監(jiān)測到較低含量葉綠素(平均含量低于10 μg/L)，說明地下水中含有一定數(shù)量的浮游植物，且光合作用較弱。2號點水體中葉綠素含量在白天快速上升，夜晚后又回落到初始水平，說明受高溫和強光的影響，浮游植物增殖較快(唐森銘等, 2006)，數(shù)量增加，光合作用較強，夜間增值活動減弱，有低含量地下水補給稀釋作用的影響。有研究表明，當(dāng)水體中葉綠素平均含量高于10 μg/L時，溶解氧、pH值與葉綠素均呈顯著正相關(guān)(黃歲樑等, 2011)，但2號點的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示這一相關(guān)性不是十分顯著，說明DO與pH值晝夜變化特征還與沉水植物相關(guān)，應(yīng)該是浮游植物和沉水植物共同作用的結(jié)果。由此推測3號水體DO及pH與葉綠素的正相關(guān)關(guān)系較顯著，遺憾的是安裝在該點的監(jiān)測儀器沒有葉綠素指標(biāo)。

4.2 水生植物類型的影響

2號點與3號點晝夜平均水溫基本相同，兩者差值僅為0.15 ℃。但晝夜變幅有一定差異，兩者分別為6.32℃和4.42℃，說明挺水植物對水溫有較強的調(diào)節(jié)作用，但對浮游植物光合作用而言則是不利的，3號點水體白天溶解氧含量較小的增幅(14.02 mg/L)即證實了這點，而2號點DO增幅高達(dá)23.86 mg/L。

2號點晝夜pH變幅也明顯高于3號點，說明水面無遮擋的沉水植物區(qū)水生植物光合作用強，白天吸收較多的CO2，導(dǎo)致pH值快速上升，夜間回落到地下河水的pH值水平。在4個晝夜的連續(xù)監(jiān)測中，3號點水體pH值有近2個晝夜的pH值均小于地下河水pH值水平(7.48)，最低值為7.15，是否暗示該點挺水植物夜間有較強的呼吸作用，白天光合作用弱，水中CO2擴散速率低并在水體中積累，導(dǎo)致pH值保持在一個較低的水平上，值得進一步監(jiān)測與研究。

5 結(jié)論