黃土塬區淺層地下水化學特征及其碳循環意義

宋超　王攀　韓貴琳　石迎春

關鍵詞：黃土；地下水；泉水；水化學；無機碳；碳循環

中圖分類號：P641，X142 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0121-06

我國北方黃土高原面積達64萬km²，典型部位的黃土覆蓋厚度達200 m以上，與南方巖溶區一樣，同屬巨大的碳庫，在區域甚至全球碳循環中扮演著重要角色。在未經后期風化淋濾的黃土中，CaC0 3的含量大于12%，甚至高達16.1%，鈣結核淀積層的含量變化范圍為49%～62%。文啟忠等的研究表明，原生方解石在黃土碳酸鹽中所占比例僅為2%～20.8%，平均為10.3%，大部分都為次生碳酸鹽；另一方面，黃土地區大量的地表水/地下水水化學資料表明黃土地區水體中的主要陰離子是HC03。這兩方面均表明黃土碳酸鹽的溶解沉積過程是黃土中的主要地球化學過程，且該過程中所涉及的碳的遷移與轉化對于區域/全球碳循環具有重要的科學意義。

泉水作為地下水的天然露頭，通常被用于捕獲水、巖石（土壤）、大氣、微生物各個圈層中碳循環機制及其碳通量的信息。但截止目前，與我國南方喀斯特地區較為深入的研究程度相比，黃土地區以碳循環為視角對泉水進行類似的研究還不多見。趙景波等先后報道了陜西秦嶺翠華山泉（片麻巖、混合巖裂隙出露）、水秋池泉（片麻巖、混合巖裂隙出露）、鎮安縣漁洞河村灰巖巖溶泉以及長安縣楊萬村黃土泉（第5層黃土中出露）的泉水化學特征。但這些研究對于深入理解黃土地區碳循環機制及其碳匯效應還不夠。本文以甘肅省靈臺縣獨店鎮秋射村黃土剖面出露的泉水為研究對象，通過取樣分析其水化學特征、溶解無機碳（DIC）含量、顆粒有機碳（POC）含量、溶解有機碳（DOC）含量以及δC_DIC和δ¹³C_POC，試圖從“水”的角度更好地理解黃土塬區土壤的碳循環過程，旨在進一步揭示黃土深層碳庫，為黃土碳匯的潛力評估提供科學依據。

1研究區概況

本研究的黃土剖面位于甘肅省平涼市靈臺縣獨店鎮秋射村（107°41′08 79″E；35°10′08 13″N；圖1），與陜西省長武縣毗鄰，距甘陜交界處僅有5 km。研究區為寬1.1～1.5 km不等的長條形黃土殘塬地貌，塬面比較完整、平坦，其海拔高度大約1240m。研究區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫9.2℃；平均降雨量605.5 mm，主要集中在7月-9月3個月；多年平均蒸發度1415～1 492mm。大氣降水下滲補給地下水，然后向塬周圍運動，以下降泉形式向塬邊溝谷排泄。整個含水層呈中間部位厚度大、四周薄的緩丘狀。研究區殘塬中心部位的地下水埋深56～60 m，含水層厚度25 m，最大涌水量為199 m³/d，在塬區周邊，由于溝谷對地下水的疏干作用，地下水埋深則在80 m以上，含水層厚度也相應變薄。包氣帶土層較厚，且夾有多層由古土壤（亞黏土），致使降雨的入滲速率較慢（33～94 mm/a），補給周期較長。殘塬四周溝內黃土剖面均有常年性泉水出露（LGQ、HMQ、CZQ、YYQ；圖1），其中LGQ的流量為0.43L/s。地下水化學特征較為穩定，無明顯的季節變化等特征（未發表數據，另文討論）。本研究區的黃土泉均沿黃土溝流動，先匯入黑河，再匯入涇河，最后匯入渭河。區內井水QSJ作為當地居民生活用水（圖1）。

2樣品采集與分析方法

泉水常被用于進行碳酸鹽化學風化機制及其碳匯的相關研究，黃土地層中由降水-補給-排泄驅動的碳酸鹽風化過程可以利用黃土泉水（淺層地下水的天然露頭）來加以探索。由于LGQ、HMQ、CZQ、YYQ和QSJ屬于同一含水層，加之黃土地層出露的泉水在雨季易受雨水沖刷、泉口坍塌、水土流失等因素的干擾，本研究首先選擇在干擾因素相對較少的冬季（先后于2012年1月20日和2013年1月15日）對泉水LGQ和井水QSJ進行了采樣分析與研究（圖1）。為了解研究區雨水水化學的背景特征和探討碳酸鹽風化碳匯效應，本研究于2012年8月31日對區內雨水進行了一次取樣分析。

2.1現場監測與樣品采集

水溫、pH值、電導率、溶解氧和氧化還原電位等參數使用便攜式水質自動監測儀現場測量。采集的水樣在野外利用Whatman GF/F玻璃纖維濾膜過濾。取約40 mL過濾液用6 mol/L鹽酸酸化至pH=2，帶回實驗室用于DOC濃度的測定。取過濾過約10 L水的濾膜，帶回實驗室，一部分用于POC濃度的測定，另一部分經高溫燃燒為CO₂，收集于真空管中純化用于測δ¹³C_POC。δC_DIC樣品在野外采用“直接沉淀法密封帶回實驗室處理。

2.2實驗室分析

3.2地下水DIC，DOC和POC含量

地下水的DIC、DOC、POC結果見表2。其中LGQ和QSJ的DIC為5.25 mmol/L和5.45mmol/L，DOC為0.59 mg/L和Q 62 mg/L。LGQ的POC（0.78 mg/L）含量明顯低于QSJ（2.17mg/L），這是因為LGQ出露于古土壤（亞黏土）層，黃土顆粒物混入較少。而機民井QSJ本身的結構較簡單，抽水時均有黃土/古土壤的顆粒物沉淀，導致其POC較高。

黃土淺層地下水DOC遠低于地表水。本研究中發現地下水中的DOC含量（0.59～0.62 mg/L）較地表水低（黃河DOC 1.51～2.88 mg/L，均值2.29 mg/L；長江口DOC 1.30 mg/L；世界河流DOC背景值5.0～6.0 mg/L），該結論與其他研究得到的結果一致。Leehneer等測定了美國五個不同類型的含水層中地下水，所有含水層中水體的DOC中值都在0.5～0.7 mg/L范圍內，遠低于地表水DOC的量。實際上，大多數關于地下水和地表水DOC方面的研究都表明，地下水中DOC含量，尤其是天然出露的泉水中DOC含量都小于地表水中DOC的量。相對地表水和地下水，表層土壤水含有較高的DOC，但是隨著土壤深度的增加，土壤水DOC含量不斷減少，這表明土壤吸附作用等固定了大量的DOC。因為深層土壤中DOC一般受控于土壤吸附與解吸、生物分解排泄、微生物活動消耗以及土壤溶液的水力過程等。研究區包氣帶厚達50 m，且夾多層古土壤層，在降水的入滲補給過程中，DOC極易被古土壤層吸附和微生物分解，從而使其濃度降低。

3.3碳同位素

但要計算其年碳匯的總量，需要知道該地區的有效補給量。但由于黃土地區的降水有效補給量目前還存在爭議。因此，本文暫不做進一步討論。

4結論

（1）研究區的水化學類型為HCO₃-Ca·Mg型。泉水的方解石飽和指數SIc都大于0，表明其已經飽和，但其飽和指數的大小顯示其尚未達到大規模沉淀的趨勢。

（2）黃土淺層地下水的DOC較低（0.59～0.62mg/L），明顯低于地表水體。而POC稍高，這是因為黃土顆粒物的混入造成。泉水和井水的δ¹³C_DIC大約在-9.19‰～-8.90‰，其偏正的δ¹³C與碳酸鹽風化一沉積過程中反復的碳同位素交換有關。而δ¹³C_POC大約在-19.99‰～-18.87‰之間，表明其主要受黃土有機碳同位素的控制。