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        喀斯特流域水土流失對水庫碳匯效應(yīng)的影響

        2021-02-14 08:59:14周忠發(fā)李永柳張勇榮
        水土保持通報 2021年6期
        關(guān)鍵詞:納雍含沙量泥沙

        王 翠, 周忠發(fā), 李永柳, 張勇榮

        (1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/喀斯特研究院, 貴州 貴陽 550001;2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地, 貴州 貴陽 550001)

        水土流失影響生態(tài)安全、飲水安全、防洪安全、糧食安全,威脅并制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。近年來,隨著全球碳循環(huán)研究的深入,水土流失導(dǎo)致的土壤碳遷移已被廣泛關(guān)注。已開展降雨過程對土壤有機(jī)碳流失規(guī)律、有機(jī)碳在流失泥沙中的富集規(guī)律、泥沙含碳量與泥沙量的關(guān)系、泥沙有機(jī)碳富集比與雨強的關(guān)系等方面的研究[1-3]。還有水土保持措施減少土壤有機(jī)碳的輸出[4]、水土流失影響土壤有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化、二氧化碳的釋放和土壤碳匯、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的科學(xué)評估等[5]方面的研究。這些研究都是針對水土流失對土壤碳庫的影響,對沉積區(qū)碳庫的影響研究卻相對較少。水庫作為水土流失的沉積區(qū),沉積物可揭示流域土壤侵蝕狀態(tài)[6],是土壤碳庫與水庫碳庫產(chǎn)生交匯作用的重要區(qū)域,每年大概有1.50×1010~2.00×1010mg土壤有機(jī)碳及氮、磷、鉀、硫等元素通過水土流失途徑被輸送到河流湖庫中[7-8]。盡管我們知道水土流失帶來的顆粒性有機(jī)碳使水庫成為流失區(qū)碳的凈匯并向大氣釋放溫室氣體[9-10],但這個結(jié)論仍是對土壤碳庫而言,水土流失對水庫碳匯來說是碳源還是碳匯目前判斷不一[11-14]。水庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是全球“碳遺失匯”的重點關(guān)注區(qū),前人因為對喀斯特作用的認(rèn)識不足,無法科學(xué)計算和評估喀斯特地區(qū)水庫碳匯效應(yīng),因此開展喀斯特區(qū)域水土流失對水庫碳匯效應(yīng)的影響研究,是對喀斯特地區(qū)水庫碳匯效應(yīng)研究的補充。平寨水庫流域位于貴州省畢節(jié)市,喀斯特面積占區(qū)域總面積的73.34%。平寨水庫是流域內(nèi)唯一水庫,是長江上游一級支流烏江上游的大型水庫,也是貴州省首個大型跨地區(qū)、跨流域長距離水利調(diào)水工程的核心水源工程,其生態(tài)安全對貴州省實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略具有重要意義。目前在平寨水庫流域開展的研究多為水質(zhì)、水化學(xué)、生物碳泵等方面的研究[15-16],尚未見流域水土流失對水庫碳匯效應(yīng)的研究報道。因此,本研究以平寨水庫流域為研究區(qū),開展流域水土流失對水庫碳匯效應(yīng)的影響研究,為區(qū)域水土流失治理,科學(xué)評估喀斯特地區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)為平寨水庫流域,是黔中水利樞紐工程的核心水源工程集雨區(qū),流域面積833.77 km2。區(qū)域內(nèi)碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖交替出現(xiàn),呈典型多層狀碳酸鹽巖組結(jié)構(gòu)。平寨水庫是研究區(qū)唯一水庫,屬典型喀斯特深水水庫。水庫主要干流為納雍河,還有水公河、張維河、白水河、扈家河4條支流。納雍河流域分布有煤炭資源和硫鐵礦礦床[17-18],其余區(qū)域未見大型礦產(chǎn)資源分布。研究區(qū)地形包括山地和丘陵兩種,土地利用類型有耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地6類,地表覆被類型以耕地和林地為主(圖1)。水庫2015年4月下閘蓄水,2018年12月通過蓄水驗收并于月底開始向貴陽供水。

        注:ZW,BS,HJ,PZ1,PZ2,SG1,SG2和NY分別為8個監(jiān)測點的編號。

        1.2 樣品采集與分析

        1.3 二氧化碳分壓計算

        二氧化碳分壓根據(jù)亨利定律[20]進(jìn)行計算,計算公式為:

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        式中:Ki為平衡常數(shù),計算方程為:

        pKCO2=-7×10-5T2+0.016T+1.11

        (5)

        pK1=1.1×10-4T2-0.012T+6.58

        (6)

        pK2=9×10-5T2-0.013 7T+10.62

        (7)

        式中:T為溫度(℃)。

        根據(jù)亨利定律,pCO2可根據(jù)以下公式計算:

        (8)

        α(H+)=10-[pH]

        (9)

        (10)

        (11)

        式中:α表示離子活度;I表示離子強度。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 研究區(qū)水土流失分析

        河流泥沙主要來源于流域水土流失,因此以干流納雍河陽長水文站2014—2018年水文數(shù)據(jù)為代表進(jìn)行流域水土流失分析(圖2)。2014—2018年,納雍河年流量最大1.66×109m3(2014年),最小11.51 m3(2016年)。平寨水庫流域水資源為降雨補給型,因此河流年流量呈自然起伏狀態(tài),降雨量多的年份流量大。泥沙通量在2.54×105~1.23×106t/a之間,最大值在2014年,最小值在2018年。年流量和年泥沙通量變化不同步,主要是由于2016年泥沙通量的突然升高。將平寨水庫2014—2018年年際間的流量和泥沙通量進(jìn)行相關(guān)分析,R2為0.486 4,無顯著相關(guān)性。泥沙通量在2016年突然升高是由于下閘蓄水后水面抬升,淹沒耕地和林地,淹沒區(qū)的沉積物或土壤被水流不斷侵蝕,短時間內(nèi)形成大量泥沙進(jìn)入河流。隨著水庫的調(diào)度運轉(zhuǎn),流速降低,河流兩岸可侵蝕面積穩(wěn)定,水庫泥沙通量逐年降低。

        圖2 納雍河2014-2018年水流量與泥沙通量變化

        按月時間尺度對納雍河流量和含沙量作對數(shù)、線性、指數(shù)、乘冪和多項式回歸分析,含沙量與降雨的變化趨勢分析,含沙量與降雨等的相關(guān)分析,分析結(jié)果見圖3和表1。流量與泥沙含量回歸方程R2最大為0.760 1,為指數(shù)回歸模型,該結(jié)果與長江宜昌站分析結(jié)果不同[21],表明研究區(qū)不同,水土流失機(jī)制和河流水文情勢有差異,影響含沙量與流量關(guān)系。平寨水庫流域降雨和含沙量表現(xiàn)為春夏季逐漸增大,秋冬季逐漸降低的變化周期,峰值出現(xiàn)在夏季。含沙量隨降雨的變化而變化,峰值一般與降雨峰值同時出現(xiàn)。相關(guān)分析表明,研究區(qū)月時間尺度上含沙量與降雨、蒸發(fā)量、流量、流速都呈極顯著正相關(guān),流量和流速對含沙量的影響更大。因此在平寨水庫流域,降雨是造成流域內(nèi)水土流失的主要原因之一,短時強降雨對水庫泥沙通量影響顯著,春夏季水土流失劇烈,秋冬季減弱。

        表1 研究區(qū)含沙量與降雨等參數(shù)的相關(guān)分析

        圖3 納雍河月流量與含沙量回歸分析與變化趨勢分析

        2.2 水庫水化學(xué)分析

        表2 水化學(xué)基本參數(shù)及水化學(xué)類型

        圖4 平寨水庫水化學(xué)分析結(jié)果

        2.3 水庫碳匯效應(yīng)分析

        根據(jù)碳通量計算公式:

        Flux=K(Cwater-Cair)

        式中:Flux為CO2交換通量〔mg/(m2·h)〕;Cwater為CO2在水體中的濃度(mmol/L);Cair為空氣中CO2濃度(mmol/L);K為CO2交換系數(shù)(cm/h)。

        當(dāng)K>0時,水庫二氧化碳分壓大于大氣二氧化碳分壓,水庫向大氣排放二氧化碳,為碳源,反之為碳匯。

        表3 pH值、葉綠素a及與二氧化碳分壓相關(guān)分析

        圖5 平寨水庫二氧化碳分壓

        圖6 平寨水庫碳匯效應(yīng)季節(jié)變化

        3 討 論

        3.1 平寨水庫流域水土流失變化及對水環(huán)境的影響

        研究認(rèn)為流量與泥沙含量一般規(guī)律為流量增加,水動力增強,水流挾沙力增大,泥沙含量升高[27]。平寨水庫筑壩后水位上升,水動力減弱,河流泥沙通量逐年降低,與長江主要干支流水庫建設(shè)對河流輸沙量的影響研究結(jié)果一致[28]。

        平寨水庫流域水土流失與降雨、蒸發(fā)量、流速、流量在月時間尺度上呈極顯著正相關(guān),在年時間尺度上無相關(guān)性。一是用于統(tǒng)計分析的含沙量是水土流失的一部分,從年時間尺度上看,樣本含量較少。二是由于水庫筑壩破壞河流連續(xù)和洪水脈動規(guī)律,水流對泥沙的裹挾能力減弱,在此作用下,水土流失與降雨等影響因素失去年時間尺度上的相關(guān)性。三是影響水土流失的因素眾多,各作用因子對水土流失的影響差異大[29-30],在各因子的交互作用下,平寨水庫流域降雨、流量、流速與水土流失在年際間較難形成相關(guān)關(guān)系,但在短時間尺度上,降雨是造成平寨水庫流域水土流失的重要原因。

        3.2 平寨水庫流域水土流失對水庫碳匯效應(yīng)的影響

        4 結(jié) 論

        (1) 2014—2018年平寨水庫流域干流納雍河流量1.15×109~1.66×109m3/a,泥沙通量2.54×105~1.23×106t/a,泥沙通量和流量在年際間無相關(guān)性,在月時間尺度上極顯著正相關(guān),含沙量與流量是指數(shù)回歸關(guān)系,與降雨峰值一般同時出現(xiàn),短時強降雨是流域發(fā)生水土流失的主要原因之一。流域內(nèi)春夏季水土流失劇烈,秋冬季減弱。

        (3) 平寨水庫二氧化碳分壓具有時空異質(zhì)性,表現(xiàn)為:冬季>秋季>春季>夏季,秋冬季為碳源,春夏季為碳匯。平寨水庫流域水土流失與水庫碳匯效應(yīng)且具有相同的季節(jié)變化周期,水土流失會減弱水庫的碳匯效應(yīng)。

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