沙漠区地下水系统碳平衡-以红碱淖流域为例_雷君豪.pdf

年第 卷第 期，地 球 与 环 境 沙漠区地下水系统碳平衡以红碱淖流域为例雷君豪，董少刚，张敏，高东辉，冯彦博，王锟（内蒙古大学 生态与环境学院，呼和浩特；内蒙古自治区河流与湖泊生态重点实验室，呼和浩特；内蒙古自治区生态环境科学研究院，呼和浩特）摘 要：地下水以其分布广泛，水量巨大，溶解无机碳（）含量高而对全球碳循环具有重要的影响。然而，目前对地下水中的碳循环主要关注于其向地表水的排放，对整个地下水系统中碳的迁移转化研究鲜有报道。为探究地下水系统在全球碳收支中的作用，文章以红碱淖流域为例，利用质量守恒原理、水文地球化学模拟方法构建地下水系统碳平衡方程，分析地下水中碳的补排。结果表明，红碱淖流域地下水系统属于“碳汇”，年汇碳量为.。其中，碳酸盐岩的溶解（白云石）沉淀（方解石）是影响地下水碳平衡的主要水化学作用；大气降水中的 和包气带 是该区地下水中 的主要补给来源。根据计算，每年由水岩相互作用进入地下水的碳量为.；通过降水入渗、侧向补给和农田灌溉补给地下水的碳量总计.；通过向湖泊排泄及地下水开采排放的碳量为.。关键词：水岩相互作用；地下水；碳平衡；碳循环；二氧化碳；红碱淖中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：.收稿日期：；改回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）。第一作者简介：雷君豪（），男，硕士研究生，主要研究方向为生态水文地质。：通讯作者：董少刚（），男，副教授，主要研究方向为生态水文地质。：大气中二氧化碳浓度升高导致温室效应及气候变化，并影响到全球碳循环，相关问题已成为世界各国研究的热点。内陆水圈碳循环是全球碳循环的重要组成部分，其中地表水和大气中部分二氧化碳可能源于地下水中的高浓度溶解碳，而地下水在岩石孔隙中流动的过程，会发生复杂的水文地球化学反应，其中很多反应涉及二氧化碳的固定和排放。一般情况下，地下水补给区碳酸盐岩的溶解和硅铝酸盐的水解均消耗来自大气和土壤中的二氧化碳，进而形成碳汇；而排泄区发生的脱碳酸作用会向大气排放二氧化碳。河流湖泊大多接受地下水的径流补给，因此地下水向其排放碳是地下水循环的必然结果。在干旱和半干旱地区，地下水中溶解无机碳（）的非生物积累在区域和全球碳循环中起着核心作用。其中沙漠可能是一个巨大的碳汇，很大程度上是因为碳酸氢盐进入浅层地下水。据估计，在全球范围内，每年地下水中 以 形式存在的量高达.，其存在时间可以与地下水的停留时间一样长，可能长达数百至数千年。如，等测量了美国南卡莱罗那沿岸地下水中的 浓度，发现其比海洋以及河流中 浓度高几个数量级。林云等利用碳同位素法揭示许家沟泉域岩溶地下水水岩相互作用过程中的碳汇效应。等研究得出塔里木盆地盐碱土壤中的 在灌溉洗盐过程中被淋洗进入地下水，在含水层内形成一个大型碳库，给探索“遗失碳汇”提供了新指向。地球陆地表面大部分区域均分布浅层地下水，这些地下水积极参与全球水循环，其碳平衡在全球碳循环中具有重要作用。因此，揭示碳在地下水中的迁移转化机制，建立地下水系统的碳平衡方程，定量计算其在全球碳循环中的作用显得尤为迫切。材料与方法.研究区水文地质概况 红碱淖流域的地理坐标为东经 地 球 与 环 境 年，北纬，处黄土高原与内蒙古高原过渡地带的毛乌素沙漠中，面积约为 。研究区气候属北温带半干旱气候，降水稀少，蒸发强烈，该区多年平均降水量.，多年平均蒸发量 .。区内地势呈现四周高，中间低的湖盆状，广泛分布流动、半固定、固定沙地，七卜素河、扎萨克河等季节性河流从沙地中穿过。研究区内地下水主要是松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水，其中，松散岩类孔隙水主要为第四系上更新统萨拉乌苏组潜水含水层，碎屑岩类裂隙孔隙水主要为白垩系下统洛河组碎屑岩类裂隙孔隙含水层。萨拉乌苏组与下伏白垩系碎屑岩类顶部风化裂隙带组成统一的潜水含水层，厚度约。地下水的补给来源主要有大气降水、侧向补给以及灌溉水的回渗等；排泄途径主要有蒸发、人为开采以及向地表水体的径流排泄。红碱淖湖是整个流域的最低点，也是地下水排泄的基准面。在整个流域内，地下水最终均排泄至红碱淖湖中。.数据采集 本研究中所采用的地下水质、水位、降水、灌溉水、地下水开采数据均为 年统计或监测数据。于 年 月在红碱淖流域对地下水、包气带水和雨水样品进行了布点和采集工作。根据区域地下水在研究区共布置了 个浅层地下水采样点，地下水样品的采集、保存和分析测试方法依据地下水环境监测技术规范（年），选取具有代表性的居民水井和集中供水水源井，使用 全球定位系统对研究区采样点位置进行精确测定。水样的、等指标运用便携式多参数水质仪在现场测试，测试过程中经过不断的抽水至以上各参数读数稳定后进行记录，然后取样。另，在红碱淖降雨时采集雨水样 个，灌溉水样 个及包气带水样 个。取样后用真空泵通过.的滤膜对水样进行抽滤，并分别装入经预清洗并灭菌的 聚乙烯瓶中。本次水样的测试指标主要包括：、及 等，其中，、和 等指标于采样当天采用滴定法进行测定；阳离子水样采用浓盐酸酸化至 后密封冷藏保存，阴离子水样直接将原水样密封冷藏保存，而后送往实验室进行检测。室内测试分析后，利用阴阳离子平衡对水质分析结果的可靠性进行检验，计算结果误差小于，说明数据测定结果可靠。在研究区设置了 个包气带水取样点，利用深圳市大雄电子测控有限公司的 孔隙水取样器取样，并测试其 和 浓度。其中四个取样地点位于裸露沙地中，包气带厚度分别为.、.、.、.；两个采样点位于农田中，包气带厚度分别为.和.，取样深度均为潜水位以上.处。.模型构建与计算方法.地下水碳质量平衡模型 地下水中的碳平衡其本质是一个地下水系统在一定时段内的碳收支情况，进而分析其碳源或者碳汇的潜力。地下水中有机碳含量较低且转化快，是地下水中主要的碳形态，本研究主要探讨地下水系统中（主要形式为）的总变化量。红碱淖流域地下水为常见的向湖泊（河流）排泄为主的典型盆地潜水含水系统（图）。在该系统中地下水接受外界的碳补给量（）主要包括：侧向径流补给（），降水补给（），灌溉水补给（）等补给。地下水向外界的碳排泄量（）包括：向湖泊排泄（），人工开采（）。另有在水岩相互作用过程中地下水所释放或储存的碳量（）。基于质量守恒原理，该系统的碳平衡方程为：（）（）（）其中，为地下水中碳的变化量（）。.关于 的计算 根据地下水流动系统理论，由同一补给区流向同一排泄区的地下水流在流动过程中发生的水岩相互作用具有相似性。基于红碱淖尔流域地下水的补径排特征，将其划分为 个计算区域（图）。在每一区域内，结合地下水的流动途径及监测点的位置分布，选取 条具有代表性的剖面线，进行水化学反应分析（图）。运用 模拟每条剖面线上相邻两个监测点间地下水所发生的水化学作用，计算单位质量地下水（）固定或排放的碳量（）。然后核算这两个监测点所代表的区域上单位时间内（年）所有参与反应的地下水所固碳或排碳总量。由于在反向地球化学模拟中所计算的两个监 第 期雷君豪等：沙漠区地下水系统碳平衡以红碱淖流域为例图 地下水系统碳平衡概念图 图 红碱淖流域水文地质及碳平衡计算分区图 测点间发生的水化学反应（如）是地下水从点流至 点这段时间发生的。因此首先应用公式（）计算地下水的实际流速，根据公式（）计算反应所发生的时间。（）（）（）（）地 球 与 环 境 年应用公式（）计算这一路径所在区域 时间内参与水化学反应的水量。（）则在 时段内所有参与反应的地下水所固定或排放的总碳量为（）则单位时间内（年），某一区域地下水所固定或排放的碳量为（）式中，为同一路径上相邻两个监测点间（以上游监测点，下游 监测点举例，下同）地下水的实际流速；、分别为 和 处的地下水位高程（）；为岩层的渗透系数（）；为孔隙度（无量纲）；为两个监测点间的距离（）；为地下水从 处流到 处的时间（）；为单位质量（）地下水在从 点向 点流动过程中固定或排放的碳量（）；为 时段内 和 点中间位置过水断面流过的水量（）；为 和 点为中间位置过水断面面积（）；为 间这一区域地下水 年所固定或排放的碳量（）。然后把各区域的计算结果相加，即为整个流域上一年内在水岩相互作用下地下水总的固碳或排碳量。利用 模拟地下水流动途径中所发生的水化学反应，首先需要确定在此过程中可能参与反应的“矿物相”。本研究选取可能的矿物主要考虑以下两点：）红碱淖流域地下潜水是一个开放的系统，其与大气有着物质交换；）该区含水层主要由松散砂砾和碎屑岩构成，主要成分为长石类矿物和碳酸盐岩。因此，基于该区含水系统的特点，结合区域地质调查结果，选择钠长石、钾长石、钙长石、方解石、白云石、岩盐、硬石膏、萤石、（）作为可能反应矿物相。利用、作为约束变量，平衡模型中电荷数，模型的不确定度设定为.。.补给项与排泄项 通常地下水中的碳主要以、（溶解）和 三种无机碳形态赋存，有机碳含量很少。的变化会影响“三碳”在地下水中相对含量。地下水的 一般呈中性及弱碱性，此时地下水中的主要无机碳为。在碳平衡计算中，首先监测和计算水中含有、和 的量，然后核算成净碳量（）。则碳平衡方程可以表示为：（）（）（）式中，为为外界向流域侧向补给地下水量（）；为降水对地下水的补给量（）；为灌溉水补给地下水量（）；为地下水向湖泊的水排泄量（）；为地下水开采量（）；为外界侧向补给地下水中 浓度（）；为裸露沙地包气带水中 浓度（），取监测浓度的平均值；为灌溉区包气带水中 浓度（）；为向红碱淖径流排泄的地下水中 浓度（），取沿湖地下水中 浓度的平均值；为人工开采地下水中 浓 度，取 研 究 地 下 水 浓 度 平 均（）。、分别应用公式 和 计算。.（）.（）式中，为年降水量（），为研究区面积（），.为降雨入渗系数，为年农田灌溉水量（），.为灌溉水入渗系数。结果与讨论.水化学反应对地下水中 变化影响 硅酸盐岩、碳酸盐岩风化碳汇是全球碳循环的重要组成部分，其可以在短时间尺度内对大气 循环产生重要影响。据估算，长石类矿物化学风化消耗的 约占全球风化作用消耗 的；碳酸盐岩风化把从大气中吸收的 转化为 的形式赋存在水体中，而使其成为陆地生态系统的重要碳汇。在地下水系统中岩石的化学风化影响碳的固存，该现象是理解地下水系统碳汇的关键。为探究地下水流动过程中参与水化学反应 的变化情况，利用 进行反向水文地球化学模拟。模拟路径剖面图如图，模拟结果如表，根据公式 计算的各路径上 年内该区地下水中白云石、方解石、钙长石、钠长石和钾长石的溶解沉淀量及地下水释放或吸收的 的量见表。从反向模拟结果看（表、表），年 年间整个区域内白云石、钠长石、钾长石总体上表现为溶解量大于沉淀量，其净溶解量（总溶解量总沉淀量）分别为 .、.、.；方解石和钙长 第 期雷君豪等：沙漠区地下水系统碳平衡以红碱淖流域为例 图 反向模拟路径水文地质剖面图 表 地下水流动路径上矿物溶解沉淀量 路径各点编号白云石方解石钙长石钠长石钾长石路径一路径二路径三路径四路径五路径六.注：正值与负值分别代表溶解量和沉淀量。表 各路径上相态溶解沉淀及 的吸收或释放总量 路径路径各点编号水量 （）白云石方解石钙长石钠长石钾长石 路径一路径二路径三路径四路径五路径六合计.地 球 与 环 境 年石总体上表现为沉淀量大于溶解量，其净沉淀量分别为 .、.；从大气中吸收的二氧化碳为 .（表）。进入地下水中的二氧化碳主要参与了钠长石、钾长石的化学风化和白云石的溶解反应（方程），进而转化为 赋存在地下水中。经换算，各矿物相在地下水中无机碳的迁移转化量分别为：白云石溶解增加.，方解石沉淀去除.，大气中的二氧化碳进入地下水参与水化学反应增加.，因此水岩相互作用使地下水净增.。需要说明的是，模拟计算出的总二氧化碳量（.），是水化学反应中二氧化碳消耗或生成量的最终结果。（）（）（）（）（）（）（）（）（）基于上述化学反应方程式，可计算出各矿物从水中去除或从大气中吸收的碳量（表）。根据表 各反应净消耗的二氧化碳总量.，远远低于大气（包气带）向地下水净补给的 .。因此，从包气带进入地下水中的二氧化碳有很大一部分并没有参与岩石的风化溶解，而主要是与水发生了水合及电离作用，增加了地下水中 浓度（公式）。表 补给与排泄项水量