亚热带季风区边缘坡立谷河流水化学特征及外源水的增汇效应:以广西马山县清波河流域为例

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.2.14

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5): 377-386.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.14

• “综合生态系统碳循环与碳中和”专栏 • 上一篇下一篇

亚热带季风区边缘坡立谷河流水化学特征及外源水的增汇效应:以广西马山县清波河流域为例

张春来¹^,²^,³(), 杨慧¹^,², 黄芬¹^,²^,⁴, 邱成⁵, 朱同彬¹^,²

1.中国地质科学院岩溶地质研究所自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室, 广西桂林 541004
2.联合国教科文组织国际岩溶研究中心/岩溶动力系统与全球变化国际联合研究中心, 广西桂林 541004
3.中国地质大学(武汉) 环境学院, 湖北武汉 430074
4.广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站, 广西平果 531406
5.广西壮族自治区计量检测研究院, 广西南宁 530200

收稿日期:2023-12-01 修回日期:2024-03-04 出版日期:2024-09-25 发布日期:2024-10-11
作者简介:张春来(1984—),男,博士,副研究员,硕士生导师,主要从事岩溶地球化学和岩溶碳循环研究工作。E-mail: zhangchunlai@mail.cgs.gov.cn
基金资助:
国家自然科学基金广西联合基金项目(U22A20619);国家重点研发计划项目(2023YFD1902801);广西重点研发计划项目(桂科AB22035004);广西自然科学基金项目(2023GXNSFAA026465);中国地质调查局地质调查项目(DD20230547);自然资源部自然资源科技战略研究项目(2023-ZL-23)

Hydrochemical characteristics and karst carbon sink effect of border polje river in subtropical monsoon region: A case study of the Qingbo River in Mashan County, Guangxi

ZHANG Chunlai¹^,²^,³(), YANG Hui¹^,², HUANG Fen¹^,²^,⁴, QIU Cheng⁵, ZHU Tongbin¹^,²

1. MNR and Guangxi Key Laboratory of Karst Dynamics, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China
2. International Research Centre on Karst Under the Auspices of UNESCO/National Center for International Research on Karst Dynamic System and Global Change, Guilin 541004, China
3. School of Environmental Studies, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China
4. Pingguo, Guangxi Karst Ecosystem, National Observation and Research Station, Pingguo 531406, China
5. Guangxi Zhuang Autonomous Region Institute of Measurement and Testing, Nanning 530200, China

Received:2023-12-01 Revised:2024-03-04 Online:2024-09-25 Published:2024-10-11

摘要/Abstract

摘要：

雨热同期的亚热带季风气候促进了岩溶碳汇的发生,受外源水补给的边缘坡立谷是岩溶区碳酸盐岩溶蚀作用强烈的区域,对该区不同类型水的水化学特征研究有助于加深对岩溶固碳作用规律的认识。本文运用数理统计、Piper三线图、Gibbs图和主要离子比值等多种方法,对亚热带典型边缘坡立谷的河流水化学特征、成因及其碳汇效应等进行了分析。结果显示:(1)边缘坡立谷的河水类型主要有外源水、外源水补给的地表河、外源水补给岩溶地下河和岩溶地下水等,其总离子浓度呈递增趋势,岩溶地下水的Ca²⁺浓度平均值为91.06 mg/L,分别是外源水补给地下河水、外源水补给地表水和外源水的2.3、4.3和12.4倍,其中外源水补给的地表河水化学离子浓度变化较大;(2)外源水进入岩溶区后,Ca²⁺和$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$浓度逐渐升高,方解石饱和指数逐渐偏正。在亚热带季风区大量降雨导致的水循环加快的情况下,外源水对碳酸盐岩具有较强的侵蚀性;但外源水无论以补给岩溶地下河还是以地表水进入岩溶区后,其与碳酸盐岩的反应时间或接触面积不足,影响了岩溶碳汇增汇的提升。

关键词: 边缘坡立谷, 水化学, 岩溶碳汇, 外源水, 增汇

Abstract:

The concurrent occurrence of rainfall and heat in the subtropical monsoon climate promotes the formation of karst carbon sinks. Border poljes, recharged by allogenic water, are regions with strong carbonate rock dissolution in karst areas. Studying the hydrochemical characteristics of different water types in these regions helps deepen the understanding of karst carbon sequestration processes. This paper employs statistical methods, Piper diagrams, Gibbs diagrams, and major ion ratios to analyze the hydrochemical characteristics, origins, and carbon sink effects of rivers in a typical subtropical border polje. The results show that: (1) The main types of river water in the border polje are allogenic water, surface rivers recharged by allogenic water, karst underground rivers recharged by allogenic water, and karst groundwater. The total ion concentration shows an increasing trend. The average concentration of Ca²⁺ in karst groundwater is 91.06 mg/L, which is 2.3, 4.3, and 12.4 times that of underground rivers recharged by allogenic water, surface water recharged by allogenic water, and allogenic water, respectively. (2) After the allogenic water enters the karst area, the concentrations of Ca²⁺ and $\mathrm{HCO}_{3}^{-}$ gradually increase, and the calcite saturation index shifts positively. In the context of an accelerated water cycle due to heavy rainfall in the subtropical monsoon region, the reaction time of allogenic water with carbonate rocks is insufficient after entering the karst area to strengthen erosion. Whether it is direct infiltration of allogenic water, or karst underground rivers or surface water recharged by allogenic water, it has significant potential for increasing the carbon sink.

Key words: border polje, hydrochemistry, karst carbon sink, allogenic water, increase sinks

中图分类号:

P592
P595

张春来, 杨慧, 黄芬, 邱成, 朱同彬. 亚热带季风区边缘坡立谷河流水化学特征及外源水的增汇效应:以广西马山县清波河流域为例[J]. 地学前缘, 2024, 31(5): 377-386.

ZHANG Chunlai, YANG Hui, HUANG Fen, QIU Cheng, ZHU Tongbin. Hydrochemical characteristics and karst carbon sink effect of border polje river in subtropical monsoon region: A case study of the Qingbo River in Mashan County, Guangxi[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(5): 377-386.

图/表 9

图1 研究区水文地质简图及采样位置图 Wag、Was、Wk和Wa分别代表外源水补给的岩溶地下河水、外源水补给的地表水、岩溶地下水和外源水。

Fig.1 Hydrogeological map and sampling location of the study area. Wag, Was, Wk, and Wa represents karst underground river water recharged by allogenic water, surface water in karst area recharged by allogenic water, karst underground water and allogenic water respectively.

表1 马山县清波河流域不同类型水水化学特征统计表

Table 1 Statistical table of hydrochemical characteristics of different types of water samples in Qingbo River Basin of Mashan County

分组	统计量		离子浓度/(mg·L^-1)																TZ⁺/ (meq·L^-1)		TZ^-/ (meq·L^-1)		TDS浓度/ (mg·L^-1)		Ec/ (mS·cm^-1)		pH
分组	统计量		Ca²⁺		Mg²⁺		Na⁺		K⁺		$HCO 3 -$		$SO 4 2 -$		Cl^-		$NO 3 -$		TZ⁺/ (meq·L^-1)		TZ^-/ (meq·L^-1)		TDS浓度/ (mg·L^-1)		Ec/ (mS·cm^-1)		pH
外源水 Wa(n=6)	极小值		6.13		1.24		1.94		0.64		29.91		3.35		1.79		1.69		0.52		0.61		46.73		46.49		7.18
	极大值		13.34		1.92		3.19		1.18		48.02		4.24		2.50		3.83		0.91		0.93		64.29		89.16		8.29
	均值		9.38		1.52		2.43		0.89		39.75		3.69		2.04		3.09		0.72		0.79		56.25		66.83		7.54
	标准差		2.82		0.27		0.48		0.19		6.75		0.36		0.26		0.74		0.16		0.12		7.10		15.34		0.39
外源水补给地下河水 Wag(n=8)	极小值	39.84		1.12		1.83		1.10		123.58		4.71		3.02		0.03		2.24		2.21		130.18		214.90		7.52
	极大值	57.38		2.42		2.25		1.39		169.24		5.75		3.57		4.71		3.10		2.98		171.42		312.00		8.09
	均值	47.33		1.93		2.02		1.20		146.19		5.10		3.18		1.26		2.65		2.59		149.83		263.67		7.82
	标准差	6.33		0.43		0.16		0.10		16.38		0.37		0.18		1.78		0.31		0.28		14.78		33.99		0.17
外源水补给地表水 Was(n=11)	极小值	15.00		1.14		1.68		0.94		51.95		3.71		2.29		0.03		1.01		0.99		68.20		69.35		7.00
	极大值	71.44		1.82		3.08		1.68		215.68		7.13		3.87		5.12		3.84		3.79		210.97		367.00		8.05
	均值	38.62		1.57		2.26		1.16		119.65		4.90		3.04		2.46		2.19		2.15		127.48		204.55		7.56
	标准差	22.39		0.20		0.40		0.23		63.65		1.25		0.57		1.63		1.11		1.08		55.39		110.12		0.28
岩溶地下水 Wk(n=7)	极小值	81.26		0.51		0.67		0.28		241.66		6.24		2.42		2.35		4.28		4.16		230.52		391.80		7.15
	极大值	99.69		3.77		1.74		0.63		294.40		7.79		5.76		15.12		5.20		5.08		276.00		563.20		7.60
	均值	91.06		2.05		1.16		0.42		270.99		7.07		3.48		7.32		4.79		4.69		257.76		468.03		7.41
	标准差	7.21		1.28		0.40		0.11		24.58		0.63		1.23		4.77		0.36		0.40		18.80		55.57		0.18

表1 马山县清波河流域不同类型水水化学特征统计表

Table 1 Statistical table of hydrochemical characteristics of different types of water samples in Qingbo River Basin of Mashan County

分组	统计量		离子浓度/(mg·L^-1)																TZ⁺/ (meq·L^-1)		TZ^-/ (meq·L^-1)		TDS浓度/ (mg·L^-1)		Ec/ (mS·cm^-1)		pH
分组	统计量		Ca²⁺		Mg²⁺		Na⁺		K⁺		$HCO 3 -$		$SO 4 2 -$		Cl^-		$NO 3 -$		TZ⁺/ (meq·L^-1)		TZ^-/ (meq·L^-1)		TDS浓度/ (mg·L^-1)		Ec/ (mS·cm^-1)		pH
外源水 Wa(n=6)	极小值		6.13		1.24		1.94		0.64		29.91		3.35		1.79		1.69		0.52		0.61		46.73		46.49		7.18
	极大值		13.34		1.92		3.19		1.18		48.02		4.24		2.50		3.83		0.91		0.93		64.29		89.16		8.29
	均值		9.38		1.52		2.43		0.89		39.75		3.69		2.04		3.09		0.72		0.79		56.25		66.83		7.54
	标准差		2.82		0.27		0.48		0.19		6.75		0.36		0.26		0.74		0.16		0.12		7.10		15.34		0.39
外源水补给地下河水 Wag(n=8)	极小值	39.84		1.12		1.83		1.10		123.58		4.71		3.02		0.03		2.24		2.21		130.18		214.90		7.52
	极大值	57.38		2.42		2.25		1.39		169.24		5.75		3.57		4.71		3.10		2.98		171.42		312.00		8.09
	均值	47.33		1.93		2.02		1.20		146.19		5.10		3.18		1.26		2.65		2.59		149.83		263.67		7.82
	标准差	6.33		0.43		0.16		0.10		16.38		0.37		0.18		1.78		0.31		0.28		14.78		33.99		0.17
外源水补给地表水 Was(n=11)	极小值	15.00		1.14		1.68		0.94		51.95		3.71		2.29		0.03		1.01		0.99		68.20		69.35		7.00
	极大值	71.44		1.82		3.08		1.68		215.68		7.13		3.87		5.12		3.84		3.79		210.97		367.00		8.05
	均值	38.62		1.57		2.26		1.16		119.65		4.90		3.04		2.46		2.19		2.15		127.48		204.55		7.56
	标准差	22.39		0.20		0.40		0.23		63.65		1.25		0.57		1.63		1.11		1.08		55.39		110.12		0.28
岩溶地下水 Wk(n=7)	极小值	81.26		0.51		0.67		0.28		241.66		6.24		2.42		2.35		4.28		4.16		230.52		391.80		7.15
	极大值	99.69		3.77		1.74		0.63		294.40		7.79		5.76		15.12		5.20		5.08		276.00		563.20		7.60
	均值	91.06		2.05		1.16		0.42		270.99		7.07		3.48		7.32		4.79		4.69		257.76		468.03		7.41
	标准差	7.21		1.28		0.40		0.11		24.58		0.63		1.23		4.77		0.36		0.40		18.80		55.57		0.18

图2 马山县清波河不同类型水样Piper图

Fig.2 Piper diagram of different types of water samples in Qingbo River, Mashan County

图3 马山县清波河不同类型水样Durov图

Fig.3 Durov diagram of different types of water samples in Qingbo River, Mashan County

图4 马山县清波河流域不同水体Gibbs图

Fig.4 Gibbs diagram of different water samples in Qingbo River Basin, Mashan County. Green dot with black circle is allogenic water (Wa); Green dots are karst underground river water recharged by allogenic water (Wag); Green cycle is surface water recharged by allogenic water (Was); Blue triangles are karst water (Wk).

图5 马山县清波河流域各类型样品离子物质的量浓度比值

Fig.5 Ratio of ionic millimolar concentration of various types of samples in Qingbo River Basin of Mashan County

图6 [Ca2+]和[ HCO 3 -]关系图(a)及[Mg2+]/[Ca2+]与TDS浓度关系图(b)

Fig.6 Relationship between [Ca2+] and [ HCO 3 -] (a) and between [Mg2+]/[Ca2+] and TDS (b)

图7 外源水补给的岩溶区地表/地下河水主要离子变化特征

Fig.7 Variation characteristics of main ions in surface/underground river water in karst area recharged by allogenic water

图8 不同水化学类型方解石饱和指数(SIc)及与TDS浓度关系图

Fig.8 Saturation index (SIc) of different hydrochemical types of calcite and its relationship with TDS

参考文献 30

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亚热带季风区边缘坡立谷河流水化学特征及外源水的增汇效应:以广西马山县清波河流域为例

Hydrochemical characteristics and karst carbon sink effect of border polje river in subtropical monsoon region: A case study of the Qingbo River in Mashan County, Guangxi

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