章 程, 汪進良, 肖 瓊, 郭永麗, 苗 迎

中國地質科學院巖溶地質研究所, 自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室, 廣西桂林 541004

河流是陸地向海洋輸送溶解與顆粒物質的主要通道。全球河流向海洋輸送的溶解無機碳通量約為 244 Tg/a, 有機碳通量為 298 Tg/a(Meybeck,1993), 兩者基本相當。1990 年代以來開始關注小型山區(qū)河流系統(tǒng)(Milliman and Syvitski, 1992), 尤其是熱帶地區(qū)的小型山區(qū)河流在全球地球化學收支平衡中的作用, 研究系統(tǒng)內發(fā)生的獨特水化學與生物地球化學過程。小型山區(qū)河流系統(tǒng)具有流域面積小、響應時間短、人類活動影響易識別等特點, 被認為是研究生物地球化學過程的理想場所(Jennerjahn et al., 2008)。近十余年來, 在溶解物質、養(yǎng)分及有機質來源、時空變化動態(tài)與通量, 及氣候變化、土地利用變化與水文過程變化的影響諸多方面開展了大量研究(Goldsmith et al., 2015), 證實小型山區(qū)河流系統(tǒng)溶解有機碳(DOC)輸送區(qū)域變化大, 通量顯著受流域巖性和土地利用變化控制, 而且DOC 含量還與高程密切相關。

河流溶解無機碳(DIC)主要來自碳酸鹽巖風化、流域土壤CO2(根系呼吸、土壤或水生有機質分解),也與大氣CO2交換過程密切相關。由于碳酸鹽活度較強、溶解度較高, 巖溶水體DIC 通量將隨著溶蝕過程中水量和土壤CO2分壓的增加而上升(Reardon et al., 1979; Van Breenan and Protz, 1988)。受河流系統(tǒng)內過程控制, DIC 含量及其穩(wěn)定同位素呈現(xiàn)季節(jié)變化特點, 同時受不同無機碳庫來源(如巖性、土地利用等)及其混合作用的影響(Atekwana and Krishnamurthy, 1998; Kandu? et al., 2007)。河流溶解組分與無機碳同位素組成研究, 不僅可以用于估算巖石風化速率和碳來源識別(Roy et al., 1999; Grosbois et al., 2000; Pawellek et al., 2002; Chen et al., 2002), 確定碳遷移過程與循環(huán)速率(Telmer and Veizer, 1999;Barth et al., 2003; Raymond and Cole, 2003; Wu et al.,2007), 也可用于評估生物地球化學過程和人類活動的影響(Barth and Veizer, 1999; Karim and Veizer,2000; Liu et al., 2003; Wachniew, 2006; 章程等,2015)。碳酸鹽礦物沉積、CO2脫氣和水生光合與呼吸作用均可影響水體DIC 及其同位素組成。有機體光合作用優(yōu)先利用同位素偏輕的12C, 導致水體無機碳同位素δ13CDIC富集, 而呼吸作用產(chǎn)生CO2的加入將導致δ13CDIC值的減小, 脫氣作用也將導致δ13CDIC值上升(Pawellek and Veizer, 1994; Taylor and Fox, 1996; Yang et al., 1996)。

熱帶小型山區(qū)河流系統(tǒng)因攜帶巨大的溶解與顆粒碳通量, 在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色(Goldsmith et al., 2015), Moyer et al.(2015)發(fā)現(xiàn)亞熱帶低海拔小型河流系統(tǒng)DOC 通量與熱帶小型山區(qū)河流有顯著的不同。與地中海氣候區(qū)經(jīng)典巖溶區(qū)一些河流(如斯洛文尼亞境內Sava 河)因坡降大流速快導致水生光合作用較弱不同(Karad?i? et al., 2015),我國西南亞熱帶巖溶區(qū)河流往往生長有豐富的水生植物, 研究小型河流主要溶質組分, 尤其是溶解無機碳及其同位素動態(tài)變化, 評價與估算碳來源(章程等, 2017)、源匯關系及通量(章程等, 2018), 不僅可豐富對不同地貌與氣候帶河流系統(tǒng)生物地球化學過程的認識, 也有助于了解亞熱帶巖溶區(qū)河流在全球碳循環(huán)中的作用。

本文選擇漓江中游支流潮田河, 開展晝夜尺度水化學高分辨率監(jiān)測與高頻取樣工作, 分析河流傳輸過程與巖溶地下水補給對河水水化學的影響, 估算水生植物光合作用溶解無機碳利用效率, 評估河床類型、沉水植物及藻類在河流碳循環(huán)中的作用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)潮田河流域屬于漓江支流, 位于廣西桂林市東約20 km(圖1a)。潮田河水文站河段年均流量為11.13 m3·s-1, 上游流域面積為476.34 km2(吳喬楓等, 2017)。研究區(qū)年均氣溫18.8 °C, 年均降雨量1907 mm, 主要集中在4—8 月。流域主要地層為泥盆系東崗嶺組(D2d), 下段(D2d1)以砂巖為主, 分布于流域東部上游區(qū), 中段(D2d2)以灰?guī)r為主, 分布于流域中部中游區(qū)。在中部巖溶含水層內發(fā)育有寨底和毛村兩條地下河, 地下河出口距離潮田河約300～500 m, 地下水出露地表后, 經(jīng)過較短距離地表溪流后匯入潮田河(圖1a)。

高分辨率自動化在線監(jiān)測與高頻率自動取樣在潮田河水文站河段展開。設置2 個監(jiān)測點(鳥嶺橋與兩河溝)(圖1b), 分別代表礫石與泥質河床類型,并安裝在線監(jiān)測儀器與自動取樣器(圖1c, d)。目的是研究水溫、pH、電導率(SpC, 反映水體中總溶解離子含量)及其它離子含量在不同河段的晝夜變化規(guī)律及其影響因素。流域內上下游不同區(qū)域水體水化學季節(jié)性變化調查結果表明(章程等, 2017), 上游砂巖河段HCO-3, Ca2+含量和SpC 值均較低, 分別為21.1～39.9 mg/L, 4.1～10.2 mg/L 和53～69 μs/cm。巖溶地下水HCO-3, Ca2+含量和SpC 值則相對較高, 分別為206.7～247.3 mg/L, 60.2～78.9 mg/L 和356～365 μs/cm, 且季節(jié)變化顯著。潮田河水文站河段HCO-3, Ca2+含量和 SpC 值季節(jié)變化范圍分別為122.4～158.6 mg/L, 36.7～54.5 mg/L和241～275 μs/cm。

圖1 潮田河流域位置與巖溶含水層分布圖(a); 監(jiān)測河段, 監(jiān)測點及潮田水文站(b); 兩河溝(c)與鳥嶺橋(d)監(jiān)測點及儀器Fig. 1 Map of the Chaotian River watershed showing the extent of the karst aquifer (a); location of the monitoring sites and Chaotian hydrological station (b); Lianghegou (c) and Niaolingqiao (d) monitoring sites and data logger

2 研究方法

2.1 野外監(jiān)測, 取樣與測試

水化學自動化監(jiān)測工作于2013 年8 月9 日至13 日進行, 2 h 一次高頻取樣工作于10 日20 點開始,12 日18 點結束。鳥嶺橋與兩河溝水化學監(jiān)測工作持續(xù)96 h, 自動取樣工作持續(xù)48 h, 監(jiān)測期間天氣晴朗無雨, 日均氣溫為 3 0.6 ～3 2.1°C, 日均流量 2.85～3.05 m3/s, 監(jiān)測期間平均流量為2.914 m3/s(圖2)。

圖2 潮田河水文站日氣溫、降雨與流量(2013 年8 月)Fig. 2 Daily air temperature, rainfall and discharge at Chaotian River hydrological station in August, 2013

2 臺型號為YSI6920 的水化學自動化儀器分別安裝在鳥嶺橋(NLQ)與兩河溝(LHG)(圖1c, d), 用于監(jiān)測水溫、水位、pH、SpC 及溶解氧(DO, 反映水生植物光合作用強度), 數(shù)據(jù)精度分別為 0.1°C,0.01 m, 0.2, 1 μs/cm 及0.01 mg/L, 每5 分鐘記錄一組數(shù)據(jù)。安裝前分別用標準pH 緩沖液和濃度為0.01 M 標準KCl 溶液對pH 電極和電導率電極進行校準, 記錄的pH 和SpC 數(shù)據(jù)均為經(jīng)過溫度補償后在25°C 條件下的數(shù)據(jù)。同時安裝水樣自動取樣器(型號6700, Teledyne ISCO 公司), 每2 h 自動抽取1 L 水樣并儲存于高強度塑料瓶內, 取樣工作結束直接帶回實驗室放入冰柜冷藏室(4°C)。水化學成分、δ13C 同位素檢測分別依據(jù)國標GB/T8538-2008等和地質行業(yè)標準DZ/T 0184.1-0184.22-1997(同位素地質樣品分析方法), 測試分析由自然資源部巖溶地質資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心完成, 檢測儀器為IRIS Intrepid II XSP 全譜直讀等離子體光譜儀和MAT253 穩(wěn)定同位素質譜儀,δ13CDIC以V-PDB 標準給出, 分析誤差＜0.15‰。潮田水文站氣象數(shù)據(jù)由桂林市氣象局提供。

2.2 數(shù)據(jù)處理

水樣測試分析工作在樣品采集后數(shù)天內完成。Ca、Mg、Na、K、Cl 和SO4離子含量由IRIS Intrepid II XSP 型等離子體光譜儀測試獲取。利用野外現(xiàn)場測試水溫、pH 值和上述主要離子含量, 通過PHREEQC 程序(Parkhurst and Appelo, 1999)可計算水體CO2分壓(pCO2)和碳酸鈣飽和指數(shù)(SIC)。考慮到水樣在帶回實驗室過程中可能出現(xiàn)的脫氣效應,本文中用于計算的Ca2+、HCO-3含量數(shù)據(jù)為現(xiàn)場滴定值, 其它離子含量數(shù)據(jù)為實驗室水樣測試值。

3 結果

監(jiān)測與測試結果圖3 和圖4。監(jiān)測河段的水屬于Ca-HCO3型, Ca2+、HCO-3為主要成分, 其次為Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO2-4、NO-3, 其濃度變化范圍和平均值見表1。

表1 鳥橋嶺與兩河溝水化學指標平均值及晝夜變幅Table 1 Day and night variation and mean values of major irons at Niaoqiaoling and Lianghegousites

3.1 水溫、pH 和DO 晝夜變化

上游鳥嶺橋水溫、pH、DO 晝夜變化范圍分別為26.15～31.39 °C、7.47～8.21 和5.92～10.38 mg/L(圖3)。下游兩河溝水溫、pH、DO 晝夜變化范圍分別為26.41～31.07 °C、7.51～8.4 和5.05～12.54 mg/L(圖4), 與鳥嶺橋相比較均值略有增大。三個指標均呈現(xiàn)白天上升夜間下降的晝夜變化。

圖3 2013 年8 月9—13 日鳥嶺橋自動化監(jiān)測結果曲線Fig. 3 Detailed data at the Niaolingqiao site, August 9-13, 2013

3.2 HCO- 3、δ13CDIC 和Ca2+晝夜變化

鳥嶺橋電導率(SpC)、Ca2+和HCO-3晝夜變化范圍分別為247～275 μs/cm、40.93～47.07 mg/L、127.94～155.01 mg/L。兩河溝電導率(SpC)、Ca2+和HCO-3晝夜變化范圍分別為 241～270 μs/cm、38.09～46.66 mg/L、113.18～150.08 mg/L, 與鳥嶺橋相比較均值有所減小, 但變幅增大。鳥嶺橋和兩河溝 的δ13CDIC晝 夜 變 化 范 圍 分 別 為-15.3‰ ～-13.63‰和-14.86‰ ～ -12.54‰。其它離子含量的晝夜變幅都較小。電導率(SpC)、Ca2+和HCO-3三個指標均呈現(xiàn)白天下降夜間上升的晝夜變化, 且電導率與Ca2+和HCO-3具有較好的線性相關關系(圖5), 暗示SpC 的變化主要是由后兩者的變化引起的。

圖5 電導率與Ca 及HCO-3 線性關系Fig. 5 Positive linearcorrelation of SpC versus Ca,SpCversus HCO-3

3.3 SIC 和pCO2 晝夜變化

pCO2晝夜變化趨勢與pH 值變化相反, 呈現(xiàn)白天下降與夜間上升的變化規(guī)律(圖3, 4)。鳥嶺橋和兩河溝pCO2對數(shù)值變化范圍分別為-3.06 ～ -2.27,-3.24 ～ -2.36。白天pCO2最小值位于下午4 點左右,鳥嶺橋為 871×10-6(-3.06), 兩河溝為 575×10-6(-3.24), 均高于與大氣 CO2(390×10-6)平衡值(-3.41)。夜間pCO2最大值位于凌晨4 點左右, 鳥嶺橋為 5370×10-6(-2.27), 兩河溝為 4365×10-6(-2.36), 說明夜間水體CO2分壓可高達大氣CO2的11～14 倍。

從圖3 和圖4 可以看出, 早上8 點以后方解石飽和指數(shù)SIC 數(shù)據(jù)均位于飽和平衡線(SIC=0)之上,說明水體白天處于過飽和狀態(tài), 夜間10 點后SIC 接近0 并逐漸變負, 此時水體處于不飽和狀態(tài)。白天最大值為0.78(下午4 點左右), 夜間最小值為-0.12。

4 討論

4.1 DIC 晝夜變化與鈣沉降影響因素

光合作用消耗溶解CO2或(HCO-3+H+)促進方程式(1)化學平衡向右進行, 同時釋放氧氣, 導致H+活度較少, pH 上升并伴隨DO 的同步上升。

如方程(1)可知, 在以HCO-3為無機碳主要存在形式的巖溶水體中, 水生生物進行光合作用時先將其轉化為CO2, 且消耗H+。氫離子可以通過胞內或胞外酸分泌提供, 或通過鈣化作用(ATP 酶控制)(McConnaughey, 1998)獲得補充(方程2)。

綜合方程(1)和(2)可獲得如下結果:

可見, 在富含鈣離子的巖溶水體中, 有機體鈣化過程可促進HCO-3質子化。鈣化作用產(chǎn)生的2 moL H+可使2 moL HCO-3質子化, 進一步生成2 moL CO2。1 moL CO2用于鈣化, 1 moL CO2用于光合作用, 從而導致水體中Ca2+和HCO-3出現(xiàn)晝夜動態(tài)變化特征。

每5 分鐘記錄一個數(shù)據(jù)的自動化監(jiān)測結果表明(以鳥嶺橋11 日16:00 至12 日16:00 數(shù)據(jù)為例), DO的晝夜變化分為四個階段(圖6a), 早上至中午的快速上升階段(1 區(qū)), 下午12:00—16:00 的穩(wěn)定高值(14:00 前)與緩慢下降階段(2 區(qū)), 16:00—21:00 的快速下降階段(3 區(qū))和晚上21:00 后的緩慢下降與穩(wěn)定低值(00:00 后)階段(4 區(qū))。pH 的晝夜變化與DO 類似(圖6b), DO 與pH 夜間尤其是午夜后變化均較小,基本穩(wěn)定在6.0 mg/L 和7.5 左右的低值區(qū)(圖6c)?？傮w上, pH 和DO 呈現(xiàn)顯著的正相關(圖6c)。

圖6 水溫、DO 和pH 的晝夜變化(箭頭表示隨時間變化過程)Fig. 6 Day and night “l(fā)oops” of dissolved oxygen and pH relative to water temperature at monitoring site(arrows indicate the direction of change with time)

受太陽輻射強度、水生植物光合作用與有機體鈣化控制, 鈣離子和溶解無機碳(DIC)含量呈現(xiàn)白天下降晚上上升的顯著晝夜變化(圖7), 監(jiān)測期間Ca 與DIC 白天因光合作用產(chǎn)生的下降幅度分別為9.3%～12.5%和8.5%～11.9%, 均值分別為11.3%和9.9%。

圖7 鳥嶺橋和兩河溝監(jiān)測點HCO- 3 和Ca2+晝夜變化Fig. 7 Day and night change of HCO- 3 and Ca2+concentrations at Niaolingqiao and Lianghegou sites

圖8 展示了pH、DIC、pCO2和SIC 之間的相互關系。虛線代表平衡 CO2分壓負對數(shù)值(-log[pCO2])(atm), 粗實線代表碳酸鈣飽和平衡線(SIC=0), 白天數(shù)據(jù)點均位于平衡線以上說明水體處于過飽和狀態(tài)。數(shù)據(jù)點代表8 月11 日從早上8:00點DIC 最大值開始, pH-DIC 值24 h 晝夜變化過程。隨著光合作用的進行, 數(shù)據(jù)點軌跡向上移動, pH 上升暗示CO2的消耗, 進而導致pCO2分壓下降, 水體逐漸處于過飽和狀態(tài), 暗示水生植物光合作用對抑制水氣界面脫氣的發(fā)生具有積極作用。下午數(shù)據(jù)點軌跡橫向向左移動, 說明出現(xiàn)了碳酸鈣沉積, 16:00點pH 值達最大值, 此后pH 值下降, 數(shù)據(jù)點向下移動, 逐漸回到原點完成24 h 循環(huán)。從圖8 可以看出,夜間10:00 后水體處于不飽和狀態(tài), 暗示軌跡環(huán)的后半部分受呼吸作用產(chǎn)生的CO2和碳酸鈣溶蝕控制[方程1 與2 的反向過程]。這也從夜間離子含量與SpC 的增加得到了證實。

圖8 鳥嶺橋監(jiān)測點水化學DIC 與pH 值24 h 演化軌跡Fig. 8 A 24-h trajectory of water samples in the DIC-pH space

從圖3 可知潮田河水在白天處于方解石過飽和狀態(tài)(圖3d), 因而產(chǎn)生碳酸鈣沉積(圖3c), 說明光合作用觸發(fā)了鈣沉降(圖9), 即白天河床礫石附著藻類消耗CO2釋放O2, 使水體碳酸鹽平衡發(fā)生轉變,導致pH 和SIC 上升, 促發(fā)碳酸鈣沉降, SpC 下降,與來自其它地區(qū)方解石過飽和河流的研究結果一致(Spiro and Pentecost, 1991; Guasch et al., 1998;Tobias and B?hlke, 2011)。對碳酸鈣膜包裹礫石進行的室內實驗結果也證實過飽和水與大量成核點的出現(xiàn)并不會觸發(fā)鈣沉降(Hayashi et al., 2012), 說明活的附著藻類的出現(xiàn)對碳酸鈣沉積起著非常重要的作用。

圖9 鳥嶺橋與兩河溝水體晝夜生物與物理化學過程示意圖(據(jù)文獻Nimick et al., 2011; Hayashi et al., 2012 修改)Fig. 9 Schematic diagram summarizing the biological and physicochemical processes(modified after Nimick et al., 2011; Hayashi et al., 2012)

4.2 溶解無機碳沿流程變化及水生光合移除量估算

通過比較上游鳥嶺橋(輸入端)和下游兩河溝(輸出端)監(jiān)測點DIC 通量的計算, 根據(jù)質量平衡原理, 就可以獲得監(jiān)測河段由生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的水體中DIC 的移除量(kg/d)。

為系統(tǒng)獲取鈣與DIC 日輸入量與輸出量, 從8月10 日20:00 至12 日16:00, 按2 h 間隔在鳥嶺橋和兩河溝監(jiān)測點對水體進行同步取樣, 測定鈣與DIC 含量。結果表明, 白天因光合作用產(chǎn)生Ca2+晝夜減小幅度為 4.17～5.9 mg/L, HCO-3為 12.3～17.22 mg/L。

監(jiān)測期間流量為 2.85～3.05 m3/s, 平均值為2.93 m3/s。據(jù)2 h 頻率水樣Ca2+和HCO-3含量及平均流量計算所得監(jiān)測河段鈣輸入通量為11 035 kg/d, 溶解無機碳為35 158 kg/d。同樣地, 計算出兩河溝監(jiān)測點鈣輸出通量為 10 733 kg/d, 溶解無機碳為34 161 kg/d(兩晝夜平均值)。從鳥嶺橋至兩河溝監(jiān)測點1.65 km 長流程, 鈣與溶解無機碳的移除或沉降量分別為302 kg/d 和997 kg/d, 即188.75 g/m/d 和623.13 g/m/d。數(shù)據(jù)表明, 受光合作用和鈣化作用控制, 沿流程發(fā)生無機碳向有機碳轉化, 且對水體碳通量而言, 是真正意義上的自然碳匯(Montety et al.,2011; Zhang et al., 2012)。也就是說, 監(jiān)測河段移除的溶解無機碳, 一部分轉化為有機碳, 一部分以碳酸鈣形式沉降, 暗示在高含量溶解無機碳的巖溶區(qū)河流, 水生植物光合作用一方面能抑制水氣界面脫氣, 具有CO2緩沖效應, 另一方面使部分溶解無機碳以有機碳及碳酸鈣形式固定下來, 證實在生態(tài)過程的參與下, 巖溶碳循環(huán)已不再只是碳形式轉移過程(Curl, 2012), 也具有固碳作用, 從而有助于回答巖溶碳匯穩(wěn)定性問題(章程, 2011)。同時, 水化學指標晝夜動態(tài)變化規(guī)律的揭示, 也有助于修正河流監(jiān)測計劃的制定(Tobias and B?hlke, 2011)。

潮田河溶解無機碳轉化與鈣沉降速率約為官村地下河出口河流的4～5 倍(汪進良等, 2015), 兩者氣候條件相似, 但后者為夏季流量只有150 L/s 左右的小型河流, 說明河流級別對溶解無機碳光合轉化與鈣沉降速率均有顯著影響。此外, 不同的生長條件, 同類水生植物在不同的季節(jié)對HCO-3的利用也會產(chǎn)生影響, 盡管HCO-3利用機制廣泛存在于水生光合生物中(Prins and Elzenga, 1989)。

4.3 水化學信號向下游的傳輸

兩河溝(LHG)監(jiān)測點位于鳥嶺橋(NLQ)下游1.65 km 處(圖1b)。2013 年8 月9—13 日監(jiān)測期間同步安裝在線水化學監(jiān)測儀器和自動化水樣取樣儀器, 監(jiān)測儀器每5 分鐘自動記錄一組數(shù)據(jù), 包括水溫、DO、pH、SpC 等。

監(jiān)測期間, 上游鳥嶺橋水溫白天上升與夜間下降速度均快于下游兩河溝(圖10a), 但DO 含量晝夜變幅小于下游兩河溝, 這可能與兩個監(jiān)測點河床基質類型不同, 進而導致水生植物/藻類生長環(huán)境不同有關。鳥嶺橋監(jiān)測點水深較小(～50 cm), 河床類型為礫石類, 且附著藻類發(fā)育, 兩河溝監(jiān)測點水深較大(～150 cm), 河床類型為泥質類, 沉水植物較發(fā)育(圖1c, d)。

兩點DO 上午上升過程相似, 但下午的峰值差異較大(圖10b), 如8 月11 日兩河溝DO 上午開始上升時間僅滯后鳥嶺橋20 min, 但下午到達峰值的時間滯后約85 min。上午上升基本同步與下午峰值長時間滯后, 說明下游兩河溝DO 濃度主要受局地河流內部過程控制, 即沉水植物光合作用控制, 而受上游DO 信號平流影響較小。兩點pH 值上午的上升也沒有明顯的滯后時間, 基本同步(圖10c), 但下午兩河溝峰值的滯后時間較長。電導率信號也是如此(圖10d), 如8 月11 日兩河溝下午電導率谷值滯后時間達125 min, 暗示受上游SpC 信號傳輸影響較大, 也就是說與兩點之間信號平流傳輸時間相關(Hayashi et al., 2012)。2 h 的傳輸時間對相距不到2 km 的河段而言略為偏大, 可能與兩河溝監(jiān)測點建有一小型攔水壩有關, 攔水壩導致河水流速減小。

圖10 鳥嶺橋與兩河溝監(jiān)測數(shù)據(jù)對比曲線Fig. 10 Comparison of the data measured at Niaolingqiao site and Lianghegou site

電導率夜間的快速上升開始于日落, 但在晚上10 點前, 水體仍處于方解石過飽和狀態(tài)(圖 3)。10 點以后至第二天凌晨SIC 逐漸下降到小于0。因此,不能簡單地解釋電導率的快速上升是由碳酸鈣溶蝕過程產(chǎn)生的。來自上游巖溶含水層地下水的補給可能是導致電導率上升的直接原因。與潮田河上游(砂巖補給區(qū))河水比較, 地下水鈣離子含量與堿度均較高(章程等, 2017), 巖溶含水層緊鄰監(jiān)測河段上游(圖1a), 地下水能直接補給潮田河并優(yōu)先到達監(jiān)測河段。在年際尺度上, 潮田河 DIC 中約75%～80%來自于巖溶地下水(章程等, 2017)。

毛村地下河位于鳥嶺橋監(jiān)測點上游1 km, 出口離潮田河河岸約300 m, 地下水經(jīng)過短距離地表徑流后直接流入潮田河。Hayashi et al. (2012)認為白天SpC 的下降與太陽輻射密切相關。最小值時間點代表了由鈣沉積產(chǎn)生的離子含量的下降速率與地下水高含量離子輸入速率的平衡狀態(tài)。日落后隨著呼吸作用的開始, CO2分壓上升, SIC 下降, 鈣沉降過程完全停止, 同時, 由于上游地下水的輸入SpC 開始快速上升。

兩河溝白天SpC 的下降過程與鳥嶺橋監(jiān)測點基本一致, 但傍晚的上升約滯后鳥嶺橋2 h(圖10d),考慮到兩監(jiān)測點河段均位于砂巖分布區(qū), 無其它地下水源輸入潮田河, 暗示兩河溝夜間SpC 可能更多地受到鳥嶺橋SpC 信號平流傳輸?shù)挠绊憽?/p>

5 結論

高分辨率自動化監(jiān)測與高頻率取樣分析結果表明, 潮田河水化學參數(shù)晝夜變動與水體內生物地球化學過程密切相關。受水生光合作用與鈣沉積作用的控制, 河水pH、DO、SpC、HCO-3和Ca2+離子產(chǎn)生顯著的晝夜動態(tài)變化, 這些水化學指標晝夜變幅大小又與河床基質和水生植物類型有關。泥質類河床的兩河溝河段沉水植物豐度高, 但從 Ca2+和HCO-3含量白天下降幅度比較看光合作用強度似乎小于礫石類河床藻類發(fā)育的鳥嶺橋河段。鳥嶺橋監(jiān)測點Ca2+和HCO-3含量白天下降幅度平均值分別為12%和11%, 兩河溝為10.6%和8.9%。

DO 濃度與pH 值主要受局地河流內部過程控制, 即水生植物或藻類光合作用控制, 而電導率受上游傳輸影響較大, 與兩點之間信號平流傳輸時間相關。

監(jiān)測河段水體因光合作用產(chǎn)生的溶解無機碳移除或鈣沉降量分別為302 kg/d 和997 kg/d, 即188.75 g/m/d 和623.13 g/m/d, 表明沿流程發(fā)生無機碳向有機碳轉化, 對水體碳通量而言, 這些沉降的有機碳是真正意義上的自然碳匯。潮田河研究結果暗示, 巖溶區(qū)河流不僅能提供高含量的溶解無機碳作為水生植物或藻類光合作用碳源, 在生態(tài)過程參與下, 巖溶碳循環(huán)已不再只是碳形式轉移過程, 也具有固碳作用, 從而有助于回答巖溶碳匯穩(wěn)定性問題。

Acknowledgements:

This study was supported by Chinese Academy of Geological Sciences (Nos. JYYWF20182002 and YYWF201639), Ministry of Science and Technology of China (No. KY201802009), the Department of Science and Technology of Guangxi (No. Guike AD17129047), and Chinese Academy of Sciences (No.132852KYSB20170029-01).