环境科学  2018, Vol. 39 Issue (9): 4132-4141   PDF    
引用本文
王雨山, 韩双宝, 邓启军, 祁晓凡. 马莲河流域化学风化的季节变化和影响因素[J]. 环境科学, 2018, 39(9): 4132-4141.
WANG Yu-shan, HAN Shuang-bao, DENG Qi-jun, QI Xiao-fan. Seasonal Variations in River Water Chemical Weathering and Its Influence Factors in the Malian River Basin[J]. Environmental Science, 2018, 39(9): 4132-4141.
马莲河流域化学风化的季节变化和影响因素
王雨山1, 韩双宝1, 邓启军1, 祁晓凡2     
1. 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心, 保定 071051;
2. 中国地质大学(北京)水资源与环境学院, 北京 100083
收稿日期: 2018-01-10; 修订日期: 2018-03-13
基金项目: 国家自然科学基金项目（41502259）；中国地质调查局项目（DD20160288）
作者简介: 王雨山(1984~), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为流域水环境化学, E-mail:cug_wys@sina.com
摘要: 为查明黄土高原马莲河流域不同季节河水化学的变化特征、来源及主要控制因子，2016年1~12月在流域下游雨落坪水文站采集时间序列水样40组，分析了主要离子组成并计算了化学风化速率.结果表明，河水总溶解固体（TDS）均值1154.0 mg·L-1，远高于长江、黄河和珠江.阳离子以Na+为主，均值202.8 mg·L-1，其次为Ca2+和Mg2+，阴离子以SO42-为主，均值431.2 mg·L-1.主要离子质量浓度的季节变化明显，总体规律是雨季前降低，雨季后增高，在融冰期和暴雨期分别突增和骤降.离子来源主要为岩石化学风化，蒸发岩、硅酸盐和碳酸盐贡献比例均值分别为67.1%、13.7%和19.2%.矿物含量和风化速率的不同决定了各风化作用对气候变化的差异响应：蒸发岩因其高风化速率对季风气候响应积极，雨季风化作用增强；雨季前期河水流量低，较长的水岩作用时间有利于硅酸盐风化进行；碳酸盐风化作用在雨季晚期和后期明显增强，可能因其在黄土中含量较高，雨季后降雨吸收了更多的土壤CO2形成H2CO3增进了碳酸盐的溶解.蒸发岩、碳酸盐风化速率和流量显著正相关，流量是控制流域化学风化的主要因素.
关键词: 马莲河      水化学      季节变化      蒸发岩      化学风化     
Seasonal Variations in River Water Chemical Weathering and Its Influence Factors in the Malian River Basin
WANG Yu-shan1 , HAN Shuang-bao1 , DENG Qi-jun1 , QI Xiao-fan2     
1. Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey, China Geological Survey, Baoding 071051, China;
2. School of Water Resources and Environment, China University of Geoscience, Beijing 100083, China
Abstract: In order to discern temporal variations, sources, and controlling factors of river water chemistry in the Malian River Basin, time series samples were collected from the Yuluoping hydrological station in 2016. The compositions of major cations and anions were analyzed and a forward model was used to calculate the weathering rates of evaporite, silicate, and carbonate. Results showed that river water was brackish with average total dissolved solids of 1154.0 mg·L-1, indicating significant differences from other main rivers in China. Na+, Ca2+, Mg2+, and SO42- were the major ions present in water, with mean concentrations of 202.8, 86.0, 78.6, and 431.2 mg·L-1 respectively. Water chemistry exhibited distinct seasonal variations, with major ions gradually declining during the pre-monsoon period and increasing in the post-monsoon period. An abrupt rise in concentrations of major ions during the ice melting interval was observed, as well as a sharp drop during stormy events. Dissolved loads were mainly derived from chemical weathering, with the contribution ratios of evaporite, silicate, and carbonate being 67.1%, 13.7%, and 19.2% respectively. Chemical processes showed different responses to climate forcing, attributed to variations in mineral content in the watershed and dissolution kinetics. The dominant contribution of evaporite in the monsoon season was due to its rapid dissolution, while silicate weathering increased during the pre-monsoon period, with longer water rock interaction times when water discharge was lower. During the post-monsoon season, carbonate weathering was enhanced due to its high content in loess and due to more CO2 absorption by rain from soil. The average chemical weathering rates of evaporite, silicate, and carbonate were 30.6, 6.2, and 8.7 kg·(km2·d)-1, respectively. A strong correlation between evaporite weathering rates and river discharge was evident; a correlation was also observed between carbonate weathering rates and river discharge, indicating that water discharge played a dominant role in chemical weathering, rather than temperature or precipitation.
Key words: Malian River      hydrochemistry      seasonal variation      evaporite      chemical weathering     

河流作为陆地化学风化产物的主要搬运载体[1], 其离子化学特征标记了水与环境的作用历史, 在一定程度反映了流域化学风化程度和元素地球化学行为[2], 利用河流水化学组分来揭示流域化学风化过程及其碳汇效应成为当前全球变化研究的一个重要方面[3~5].目前, 国内外学者在全球范围内开展了不同空间尺度、不同气候和岩性分布条件下河流水化学研究[6~10], 并取得丰富成果.在我国, Hu等[11]和陈静生等[14]系统分析了长江、黄河等主要河流的水化学特征及其与流域气候、地质岩性的关系, 发现中国河水的离子组成受控于碳酸盐和蒸发岩风化.

研究表明, 化学风化对河流水化学的形成和分布有着重要控制作用.然而, 流域化学风化是一个受气候、水文、岩性、构造和植被等多因素综合制约的复杂过程[15~17].已有研究多在某个时间段或特殊时期取样, 通过利用有限样品, 并结合不同步的水文气象数据来分析化学风化过程, 可能存在较大偏差.近年来, 一些研究开始利用时间序列监测数据来讨论河水离子化学特征的动态变化, 肖琼等[18]对嘉陵江温塘峡段河水开展月际取样, 发现雨季硫酸对碳酸盐的风化作用增强. Zhang等[19]通过在黄河龙门站每周取样, 分析了河水离子组成的时间变化以及碳酸盐、硅酸盐风化CO2消耗速率和流量、物理侵蚀的关系.何姜毅等[20]基于为期两年的唐乃亥、青铜峡站点水质监测数据, 探讨了黄河上游河水化学的时空变化及主要控制因素.这些研究有利于深入认识流域化学风化过程, 但相对于流域风化影响因素的复杂性, 研究结果还远远不足, 特别是在气候的季节性变化对化学风化的影响方面考虑较少.为此, 选取岩性、地貌类型较为单一的黄土高原典型小流域——马莲河流域, 通过在流域下游控制断面开展一个水文年的水化学动态监测, 以河水离子组成的季节变化为线索, 揭示黄土高原小流域现代风化过程及其对气候变化的响应, 旨在为水资源合理利用提供科学依据并丰富流域化学风化的基础研究.

1 研究区概况

马莲河位于鄂尔多斯盆地西南部, 发源自宁夏麻黄山和陕西白于山, 由北至南径流, 干流位于甘肃省庆阳市境内, 流经环县、庆城、合水、宁县等地后汇入泾河, 为泾河一级支流.中途主要受合道川、柔远河、合水川、九龙河等支流的补给, 干流总长375 km, 流域面积1.9×104 km2, 多年平均径流量4.5×108 m3.径流量年季分布不均, 7~9月径流量占全年的60%.河流多年平均含沙量294 kg ·m-3, 年均输沙量1.3×108 t, 占泾河年均输沙量的50%以上[21].马莲河上游属中温带半干旱区, 下游属暖温带半湿润区, 多年平均气温8~12℃.年平均降雨量480~660 mm, 由东南向西北递减, 水面蒸发1380~1750 mm.庆阳市石油资源丰富, 开采历史较长, 同时主要城镇和耕地多沿马莲河分布.受工矿企业排污、生活垃圾和农业活动影响, 马莲河水污染问题突出[22].

研究区为典型黄土高原地貌, 流水侵蚀强烈, 残塬、梁、峁、沟分布, 呈现千沟万壑地表特征.地表为黄土覆盖, 分布面积95%以上, 厚度最大可达200 m, 河谷阶地堆积第四系冲洪积物, 厚度一般不超过10 m, 岩性为泥质砂砾石、粉黏、粉砂等.马莲河下游两侧及支流局部地区可见白垩系环河组泥质砂岩、细砂岩出露, 柔远河上游小面积分布新近系泥岩(图 1).地下水类型以白垩系碎屑岩裂隙水为主, 黄土孔隙水和第四系松散岩类孔隙水零星分布且水量贫乏.白垩系含水层总厚度可达600 m, 垂向上可分为上部环河组含水层和下部洛河组含水层.据前人研究, 白垩系地下水以补给马莲河为主[23].

图 1 马莲河流域和采样点位置示意 Fig. 1 Location map of study area and sampling sites within the Malian River basin

2 材料与方法

2016年1~12月在马莲河下游雨落坪水文站开展一个水文年的河水化学动态监测, 采样频率10 d一次, 并于特殊时间段加密. 7月11~14日发生连续暴雨, 河水流量达到全年最高, 期间逐日采集水样, 共采集河水化学样品40组.同时在雨落坪站采集河床沉积物样品6组, 包括河底泥沙以及河岸基岩, 用于易溶盐分析.河水取自河流中部河床水面0.3 m以下, 利用便携式多参数水质分析仪(HACH HQ40D)现场测试电导率、温度、pH等参数(精度分别为5 μS ·cm-1、0.1℃、0.01 pH单位).样品经0.45 μm过滤膜过滤后置于清洗过的聚乙烯瓶, 阴阳离子分装.阳离子样品用HNO3酸化至pH < 2后保存, 阴离子样品原样低温保存.易溶盐样品采集量1000 g, 取约100 g样风干与蒸馏水按1 :5混合摇匀, 在振荡器上振荡30 min后过滤, 得到浸出液并测试常量离子组分.

HCO3-质量浓度在采样当天用酸碱滴定法测定, 误差±5%以内.其它测试由中国地质调查局水文地质环境地质调查中心实验室完成, 其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+采用PE2380型原子吸收光谱仪测定(误差 < 1.0 %), Cl-、SO42-采用ICS2000型离子色谱仪测定(误差 < 2.0 %), TDS采用干燥-重量法(误差 < 0.5 %).试验所用试剂均采用优纯级, 各样品重复测定3次取其平均值, 所有样品阴阳离子平衡误差小于5%, TDS实测值和计算值相对误差也均小于5%, 样品检测合格率100%.

水文站流量数据来自黄河水利委员会西峰水文水资源勘测局, 其中1~3月、11~12月枯水期10 d测流一次, 其余逐日测量, 降雨数据取自宁县国家一般气候站(区站号为53937).

3 结果与讨论 3.1 水化学特征

根据马莲河水化学数据(表 1), 2016年河水pH值7.68~8.31, 均值7.96, 呈弱碱性.水温变化范围0~25.8℃, 1月最低, 7月最高.电导率(EC)值1423.6~2259.3 μS ·cm-1, 均值1770.8 μS ·cm-1, TDS范围979.4~1 501.1 mg ·L-1, 均值1 154.0 mg ·L-1, 呈现出冬季高而夏季低的特征.可以看出, 马莲河水TDS值远大于长江、黄河及珠江流域[24~26], 这是因为马莲河流域位于典型的蒸发岩背景区, 除黄土中含盐岩、芒硝外, 河床切割的白垩系地层为干旱气候条件下湖相沉积, 同样含有硫酸盐类矿物, 这些蒸发岩为流域化学风化提供了物质基础.

表 1 马莲河雨落坪水文站水化学和流量数据 Table 1 Hydrochemistry indicators and river discharge from the Yuluoping station in Malian River

河水主要阳离子质量浓度大小依次为：Na+>Ca2+>Mg2+>K+, 均值分别为202.8、86.0、78.6和7.3 mg ·L-1, 毫克当量浓度分别占阳离子之和的44.1%~48.0%、18.9%~24.2%、30.9%~35.3%和0.8%~1.1%.主要阴离子质量浓度大小依次为：SO42->HCO3->Cl->NO3-, 均值分别为431.2、314.6、187.4和16.5 mg ·L-1, 毫克当量浓度分别占阴离子总和的42.4%~48.4%、24.3%~28.5%、23.9%~29.0%、0.8%~1.9%.有研究认为水体NO3--N地球化学背景值为2.0 mg ·L-1[27], 马莲河水NO3--N质量浓度2.1~5.3 mg ·L-1, 大于背景值, 表明可能受到人类活动的影响.按照舒卡夫水化学分类, 河水化学类型多为SO4 ·Cl ·HCO3-Na ·Mg ·Ca型, 局部时段为SO4 ·HCO3 ·Cl-Na ·Mg ·Ca型和SO4 ·Cl ·HCO3-Na ·Mg型, 明显受蒸发岩输入的控制.

河床沉积物浸出液中阴离子以SO42-为主, 质量浓度296.5~554.1 mg ·L-1, HCO3-和Cl-分别为64.2~159.6 mg ·L-1、58.9~156.5 mg ·L-1.阳离子以Na+为主, 质量浓度63.2~178.3 mg ·L-1, Mg2+和Ca2+分别为43.8~79.2 mg ·L-1和38.7~60.1 mg ·L-1.由于硅酸盐矿物溶解度很低[28], 溶滤试验中提供的Na+有限, 浸出液中的Na+应主要来自岩盐和芒硝的溶解.另外, 相对SO42-, HCO3-和Cl-的质量浓度较低, 这表明硫酸盐是河床沉积物中主要的易溶盐成分.

3.2 主要离子的季节变化

为便于考察河水主要离子的季节变化, 按照年内降雨分布和水文情势划分了时段.监测数据表明, 研究区2016年降雨量520.8 mm.其中1~5月降雨较少, 总降雨量86.4 mm, 仅占年降雨量的16.6%.期间河水流量相对稳定, 3月30日出现11.8 m3 ·s-1的高值, 随后回落. 6~9月中旬为雨季, 期间降雨总量达到374.2 mm, 河水流量明显增高, 7月11日流域发生暴雨, 日降雨量28.9 mm, 河水流量出现年度峰值321.0 m3 ·s-1. 10~12月, 流量逐渐降低并趋于稳定.根据以上特征, 总体上分为雨季前期(1~5月)、雨季(6~9月)、雨季后期(10~12月).其中对特殊气候期又进行了划分, 3月20日至4月20日由于气温上升导致积雪和冻土溶解, 河水流量增加, 定义为融冰期. 7月11~14日因暴雨影响, 河水流量达到全年最高, 定义为暴雨期.在此之前的雨季(6月1日至7月10日)定义为雨季早期, 以后的雨季(7月15日至9月20日)定义为雨季晚期.

除了NO3-外, 其它主要离子呈现出明显的季节变化(图 2).雨季前期, 各离子质量浓度总体上逐渐下降直至稳定, 这是因河水流量的增加而发生了稀释.融冰期离子质量浓度有一个突增, 这种现象在季节性冻融地区较为常见[29], 是由于冰雪消融促进了离子质量浓度较高的土壤水或地下水大量补给河水.进入雨季, 多数离子的质量浓度随着河水流量的增加而降低.暴雨期除了SO42-和Ca2+外, 其它离子质量浓度均突然降低, 河水的稀释作用导致离子质量浓度的骤降, 而SO42-、Ca2+变幅较小推测其原因为一些矿物如石膏、方解石的大量溶解抵消了河水的稀释效应. 9月下旬至年底的雨季后期, 随着降雨的减少, 离子质量浓度因蒸发浓缩而逐渐增高. K+质量浓度除融冰期突增和暴雨期骤降外, 全年呈降低趋势, 至雨季晚期和后期保持相对稳定. NO3-质量浓度全年季节变化不明显, 呈波动状, 可能受到降雨稀释作用和人类活动的共同影响, 在3月20日、6月10日和8月20日出现几个峰值.

图 2 主要离子质量浓度、河水流量和水温的季节变化 Fig. 2 Seasonal variations in main cations, anions, river water temperature, and discharge of the Malian River

3.3 离子来源分析

天然水体离子组分的来源主要有大气沉降、岩石风化(碳酸盐、硅酸盐、蒸发岩风化)和人类活动等[30].河水Cl-浓度均值为5.3 mmol ·L-1, 大气降雨中Cl-浓度一般不超过30×10-3 mmol ·L-1[31], 低于平均值的0.6%, 因此认为大气沉降对研究区河水离子组分影响很小.马莲河沿岸分布农田及城镇, 人类活动有一定影响.假设河水中NO3-皆为人类活动起源, 根据典型农业活动端元NO3-与其它离子比值[32], 得出人类活动成因的阴离子占总阴离子的1.8%~4.2%.可以看出, 同长江、珠江等河流相比[33], 人类活动对离子组分的贡献较低.因此, 岩石化学风化是马莲河流域河水离子组成的主要来源.

利用离子相关性分析可识别各种风化作用, 统计分析发现Na+和Cl-离子两者显著相关(R=0.763, P < 0.01)[图 3(a)], 这表示岩盐的溶解是地下水中Na+和Cl-离子的重要来源. SO42-和Na+、Ca2+、Mg2+相关系数分别为0.734、0.706和0.739, 表现出较好的相关性, 以Na+-Cl-+Ca2++Mg2+(毫克当量)表示非岩盐来源的阳离子之和, 该指标和SO42-(毫克当量)相关系数为0.754[图 3(b)], 结合易溶盐试验结果, 表明硫酸盐风化是河水离子组分的主要来源.碳酸盐风化会生成Ca2+、Mg2+和HCO3-, 统计分析发现HCO3-与Ca2+、Mg2+相关系数分别为0.908、0.878, 表明除硫酸盐外, 碳酸盐风化也是Ca2+和Mg2+的重要来源.

图 3 Na+与Cl-、非岩盐来源阳离子与SO42-关系 Fig. 3 Plots of Na+ vs. Cl- and non-halite source cations vs. SO42-

根据不同矿物风化特征差异利用Mg2+/Na+和Ca2+/Na+端元图解进一步阐明各风化作用对水体化学组分相对贡献[34].为消除岩盐风化影响, Na+经过岩盐校正.从图 4中可以看出, Mg2+/Na+和Ca2+/Na+在全年及雨季均显示出显著正相关, 表明Mg2+和Ca2+具同源性.不同季节河水样品具有很好的分带性, 雨季前期、融冰期和雨季早期样品具有低Mg2+/Na+、低Ca2+/Na+的特征, 位于蒸发岩风化向硅酸盐风化过渡区, 特别是雨季前期和早期样品特征相似, 可能是因为两个时期具有相同的硅酸盐来源和较少的碳酸盐输入.暴雨期、雨季晚期和雨季后期具有高Mg2+/Na+、高Ca2+/Na+的特征, 位于硅酸盐风化向碳酸盐风化过渡区, 表明相对于上半年, 下半年河水接受了更多的碳酸盐风化.由于黄土中碳酸盐特别是方解石含量较高[35], 雨季降雨侵蚀黄土可能导致大量碳酸盐风化进入河流.值得注意的是, 暴雨期样品向右偏移, 显示出暴雨期发生了更多的方解石溶解, 表明碳酸盐风化作用对暴雨的迅速响应.

Na+*表示非岩盐成因的Na+ 图 4 2016年全年及雨季Mg2+/Na+和Ca2+/Na+关系 Fig. 4 Plots of Mg2+/Na+ vs. Ca2+/Na+ across the whole year and during the monsoon season of 2016

3.4 化学风化贡献

上述分析可知, 马莲河流域河水离子组分来源主要为蒸发岩、碳酸盐和硅酸盐风化, 人类活动和大气沉降影响较小.其中, 岩盐风化产物为Na+和Cl-, 硫酸盐风化产物为SO42-、Na+、Ca2+和Mg2+, 碳酸盐风化产物为HCO3-、Ca2+和Mg2+, 硅酸盐矿物风化产物为HCO3-、K+、Na+、Ca2+和Mg2+, 下面利用正演模型计算不同岩石风化作用对离子组分的贡献.

在忽略大气降雨和人类活动影响的情况下, 地下水中的Cl-全部来自岩盐, 由此可以计算岩盐成因的Na+质量浓度.硫酸盐作为含水介质中除岩盐外的主要矿物, 成为河水中阳离子的主要来源.根据本次沉积物溶滤试验结果, 硫酸盐成因Na+/SO42-为0.12, Mg2+/Ca2+为1.36, 以此计算硫酸盐风化产生的盐量.河水中Na+扣除岩盐和硫酸盐成因后, 可得出硅酸盐风化产生的Na+质量浓度, 参考前人在黄河流域研究结果[36], 取硅酸盐成因Ca2+/Na+为0.26, Mg2+/Na+为0.16, 即可计算硅酸盐风化产生的离子组分.扣除硫酸盐、硅酸盐成因Ca2+和Mg2+, 可得出碳酸盐风化产生的盐量.根据以上分析, 建立方程如下：

(1)
(2)
(3)
(4)

式中, [M]x为x化学风化作用产生的盐量(mg ·L-1).

由此计算马莲河流域不同时段河水离子组分中蒸发岩风化贡献比例为58.7%~75.9%, 均值67.1%, 碳酸盐贡献比例为14.0%~26.5%, 均值19.2%, 硅酸盐风化贡献比例为4.5%~25.8%, 均值13.7%.从图 5中可以看出, 蒸发岩风化是控制流域水化学组成的主要作用.如前所述, 黄土高原蒸发岩含量较高, 并含有大量的方解石, 另外蒸发岩和碳酸盐的风化速率高于硅酸盐[18], 矿物含量和风化性质的差异决定了风化过程具有显著的季节分异.蒸发岩风化贡献全年除雨季外保持相对稳定, 在雨季贡献比例显著增高, 暴雨期增至全年最高, 显示由于蒸发岩具有较高的风化速率, 对降雨响应积极.硅酸盐贡献在雨季前期高于其它时期, 特别是融冰期为全年最高.这是因为雨季前期河水流量低, 相对于其它盐类, 较长的水岩作用时间更有利于硅酸盐风化.

图 5 化学风化贡献比例的季节变化 Fig. 5 Contributions of three sources to total ions in different seasons

融冰期大量地下水输入, 而地下水通常水岩作用时间较长, 硅酸盐来源离子质量浓度更高[37].进入雨季硅酸盐风化贡献不断降低, 直至雨季后趋于稳定.碳酸盐风化贡献从雨季前期至雨季早期不断降低, 其后呈增加趋势, 至雨季后期增至全年最高, 可能是因为雨季后降雨吸收更多的土壤CO2形成H2CO3增强了对碳酸盐的溶解所致[38].

3.5 影响因素

流域化学风化作用受一系列复杂气候和水文因素影响, 一些研究表明, 河水径流量、物理侵蚀和温度是重要控制因素[18, 19, 39~43].根据资料掌握程度, 分析了蒸发岩、碳酸盐和硅酸盐风化速率和水温、流量、降雨量的关系.由于河水化学动态观测频率为10 d一次, 降雨量采用采样前10 d的累计降雨量.风化速率计算公式如下：

(5)
(6)
(7)

式中, EWR、SWR、CWR分别为蒸发岩、碳酸盐和硅酸盐风化速率, kg ·(km2 ·d)-1; Q为河水流量, m3 ·d-1; A为流域面积, 1.9×104 km2.

计算结果显示2016年非暴雨期马莲河流域EWR、SWR、CWR分别为12.8~131.7、1.4~16.9、3.3~31.0 kg ·(km2 ·d)-1, 均值分别为30.6、6.2、8.7 kg ·(km2 ·d)-1.雨季这一均值分别为151.3、20.7、32.0 kg ·(km2 ·d)-1, 暴雨期更是远远高于其它时段, 显然季风季候有利于岩石风化作用的进行.另外, 融冰期SWR高于其它时段, 而EWR和CWR却低于年平均值, 表明了融冰期硅酸盐风化作用的加强, 这和前述分析具一致性.

通过以上分析发现, EWR、CWR和流量显著正相关[图 6(a)、6(g)], 这和多数地区的研究结论一致[18, 19], 表明流量同样是马莲河流域化学风化的主控因素.由于黄土高原富含蒸发岩和碳酸盐, 季风气候下降雨增多所致的强烈物理侵蚀带来了丰富的蒸发岩和碳酸盐, 造成了雨季EWR、CWR增高. SWR和流量关系较为复杂[图 6(d)], 雨季前期和雨季SWR与流量正相关, 但拟合直线的斜率不一, 雨季后期SWR和流量相关性不明显, 反映了不同季节硅酸盐风化作用的差异.雨季前期, 硅酸盐主要来源于经历了长时间水岩作用的土壤水、地下水或冰融水, 硅酸盐成因离子质量浓度较高, SWR对流量响应明显.雨季河水流量增高, 水岩作用时间变短, 硅酸盐来源于瞬时溶解作用, 河水中硅酸盐成因离子质量浓度降低, SWR虽然随着流量增加而增高, 但增幅降低.雨季后期流量高于雨季前期, 但低于雨季, 硅酸盐来源可能既包括孔隙水、地下水, 也包括瞬时溶解作用, 过程较为复杂, 造成了SWR和流量关系不明显.

图 6 EWR、SWR和CWR和流量、水温、降雨量关系 Fig. 6 Relationships of EWR, SWR and CWR vs. river discharge, temperature, and precipitation in different seasons

分析还发现, EWR、SWR和CWR与水温关系不明显[图 6(b)、6(e)、6(h)], 这和已有的研究结论不同[38], 表明在马莲河流域水温对流域化学风化影响较小.另外, 雨季EWR、SWR和CWR与降雨量呈正相关[图 6(c)、6(f)、6(i)], 表明雨季降雨增进了流域风化作用, 但在其它时段相关性较差, 其原因还需要进一步研究.

4 结论

(1) 马莲河水离子组成以Na+、Ca2+、Mg2+和SO42-为主, 各离子质量浓度季节变化明显, 总体上雨季前期逐渐下降, 雨季后期逐渐增高.融冰期除NO3-外其它离子质量浓度突增, 暴雨期除SO42-、Ca2+外其它离子质量浓度骤降.

(2) 河水离子来源主要为化学风化, 蒸发岩、碳酸盐和硅酸盐风化贡献比例均值分别为67.1%、19.2%和13.7%, 蒸发岩风化控制了河水化学组成.

(3) 矿物含量和风化速率的差异决定了各风化作用对气候-水文变化的差异性响应.蒸发岩风化对季风气候响应积极, 在雨季贡献比例显著增高.硅酸盐风化在雨季前期贡献比例高于其它时期, 碳酸盐风化贡献比例在雨季后期增至全年最高.

(4) 2016年非暴雨期马莲河流域EWR、SWR和CWR均值分别为30.6、6.2和8.7 kg ·(km2 ·d)-1. EWR、CWR和流量显著正相关, SWR和流量关系较复杂.河水流量是流域化学风化的主控因素, 水温和降雨量的影响不明显.

参考文献
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