典型喀斯特溪流水化学特征及碳汇通量研究

对湖北宜昌境内典型喀斯特溪流下牢溪的干支流开展了持续1年的两周1次的采样监测,分析了水化学时空变化特征,并利用正演模型和水化学径流法估算了流域内岩石风化速率、碳汇通量和碳汇量.结果表明:水体中Mg^(2+)、Ca^(2+)和HCO_(3)^(-)主要来源于白云石等碳酸盐岩风化溶解作用,其浓度与流量的稀释效应密切相关,表现为丰水期浓度低于枯水期,并在主河道上沿程降低;Na^(+)、K^(+)、Cl^(-)、NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)源于人为输入,浓度在人口密集的下游和人类活动强度大的季节显著增加.流域内岩石风化速率、碳汇通量和碳汇量分别为71.83t/(km^(2)·a)、5.31×10^(5)mol/(km^(2)·a)、6.96×10^(7)mol/a.下牢溪碳汇通量与中、大型喀斯特河流处于同一量级,高于非喀斯特河流和世界均值,这与流域内碳酸盐岩的高覆盖率和其相对温暖湿润的气候条件密不可分,说明亚热带季风气候下的喀斯特小溪流是一个重要“遗失碳汇”.

夏季降雨事件对水库温室气体通量变化的影响:来自湖北官庄水库的高频观测

湖库淡水水域对温室气体排放的贡献不容小觑,然而观测时间的代表性不足以及缺乏对降雨因素的考虑制约了碳排放的准确估计.本研究以湖北宜昌境内官庄水库为例,选取强降雨多发的夏季时段,针对水气界面温室气体通量、水体表层和垂向剖面气体溶存浓度及环境因子开展了为期1周的原位高频观测,以探讨夏季降雨事件对水库温室气体通量变化的影响.结果表明,观测期内官庄水库水气界面CH_(4)通量变化范围为0.007~0.077 mg/(m^(2)·h),CO_(2)通量范围为5.48~57.57 mg/(m^(2)·h),白天和夜晚均表现为大气的碳源.小雨、中雨乃至暴雨天气条件下,CH_(4)和CO_(2)日均通量均较低,日通量倾向于受风速和温度调控.CH_(4)和CO_(2)通量变化趋势较为一致,观测期内日间排放量高于夜间排放量出现的次数更多,昼夜差异对降雨天气状况无明显响应,风速是CH_(4)和CO_(2)通量昼夜变化的主导因素.暴雨过程中,CH_(4)-k 600和CO_(2)-k 600与水气温差存在显著正相关,但水体垂向混合过程十分短暂.在平均雨强为3.8 mm/h的暴雨第I阶段,CH_(4)-k 600对风速和降雨的响应明显,而在雨强更大(8.5 mm/h)的第II阶段,CH_(4)-k 600与风速、降雨均未表现出相关性,通量箱在强降雨条件下的适用性可能存在雨强阈值.

长江中上游结合带喀斯特小流域夏季水化学特征——以宜昌下牢溪为例

河流的水化学组成受自然因素和人为因素的综合影响,研究河流水化学特征有助于了解流域内物质循环及人类活动的干扰情况.针对长江中上游结合带喀斯特小河流下牢溪,于2019年6月至8月间进行了八大离子及相关环境因子的采样及监测.结果表明:下牢溪水化学类型为HCO_3~--Ca~(2+)-Mg~(2+)型,HCO_3~-占阴离子总当量浓度的85.59%,Ca~(2+)、Mg~(2+)分别占阳离子总当量浓度的48.96%和48.79%.相较于长江流域内其他喀斯特河流,下牢溪具有更高的HCO_3~-和Mg~(2+)浓度水平.河流水化学组成主要受到岩石风化控制,Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-主要来源于白云岩、石灰岩的溶解,Na~+、K~+、Cl~-、SO_4~(2-)、NO_3~-主要来自于生活污水和农业面源的输入.下牢溪Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-浓度自上游向下游逐渐降低,而Na~+、K~+、Cl~-和SO_4~(2-)浓度呈现往下游方向递增的趋势,下牢溪中下游受人为活动影响更为明显.

喀斯特小流域河流溶存甲烷浓度时空变化特征

以宜昌境内喀斯特河流下牢溪为研究对象,通过对流域内15个采样点为期1a间隔约2周1次的水量、水质及CH_(4)浓度同步监测,探讨河流溶存CH_(4)浓度时空变化规律及影响因素.结果表明:下牢溪溶存CH_(4)浓度变化范围为0.002~1.492μmol/L,全年平均浓度0.133μmol/L,整体表现为大气CH_(4)的源.河流溶存CH_(4)浓度呈现夏秋高、冬春低的变化特征,主要受温度驱动.雨季CH_(4)浓度受温度和降雨共同调控.温度越高,产生流量稀释效应的降雨量阈值也越大.下牢溪CH_(4)浓度空间分异性显著,小型拦水坝前浓度最高,最低值出现在河底坡降较大的天然峡谷型河道.人为活动不同程度的提高了相应河段的CH_(4)浓度水平,是小流域CH_(4)浓度空间分布格局的重要影响因素.流域CH_(4)浓度空间分布无明显时间稳定性特征,这可能与陆源输入及水平、垂向输出等动态因素有关,实施全流域采样监测对小型河流碳排放估算十分必要.

鄂西长江喀斯特小流域氮磷输出特征

以鄂西长江中上游分界处的喀斯特小流域下牢溪为研究对象,于2019年对河道内15个观测点进行了间隔半月的现场水环境因子监测、水样采集和室内营养盐分析,以探讨河流氮磷浓度及输出负荷的时空变化特征。结果表明:下牢溪总氮和总磷浓度分别为1.46±0.05和0.02±0.04 mg/L,普遍低于长江流域内其他河流。氮素浓度呈现春夏高、秋冬低的年内变化特征,磷素浓度总体表现为丰水期高于枯水期,与降雨密切相关。河流上游氮磷浓度均较高,受控制流域内农业活动影响较大。流域氮素浓度空间分布差异性较为明显,磷素浓度对河流附近人为活动及生活污染的响应敏感。流域中全年氮磷输出负荷分别为26.57和0.25 t,主要集中在春、夏季,贡献了全年氮负荷的82.0%、磷负荷的83.9%。硝氮和溶解态总磷分别为最主要的氮磷流失形态。夏季受降雨冲刷影响,颗粒态磷流失负荷占总磷负荷的比重显著高于其他季节。