环境科学  2019, Vol. 40 Issue (5): 2086-2093   PDF    
引用本文
黄丽, 张心昱, 袁国富, 朱治林, 唐新斋, 孙晓敏. 我国典型陆地生态系统水化学离子特征及空间分布[J]. 环境科学, 2019, 40(5): 2086-2093.
HUANG Li, ZHANG Xin-yu, YUAN Guo-fu, ZHU Zhi-lin, TANG Xin-zhai, SUN Xiao-min. Ion Concentrations and Their Spatial Variability in Underground Water and Surface Water in Typical Terrestrial Ecosystems in China[J]. Environmental Science, 2019, 40(5): 2086-2093.
我国典型陆地生态系统水化学离子特征及空间分布
黄丽1, 张心昱1,2, 袁国富1,2, 朱治林1,2, 唐新斋1, 孙晓敏1,2     
1. 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101;
2. 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100190
收稿日期: 2018-09-05; 修订日期: 2018-11-13
基金项目: 国家重点研发计划项目（2017YFC0503801）
作者简介: 黄丽(1986~), 女, 硕士, 主要研究方向为环境化学分析, E-mail:huangli@igsnrr.ac.cn
通信作者: 张心昱, E-mail:zhangxy@igsnrr.ac.cn; 孙晓敏, E-mail:sunxm@igsnrr.ac.cn
摘要: 选择中国生态系统研究网络（CERN）和国家生态系统观测研究网络（CNERN）中的33个陆地生态站水化学监测数据，分析了2010~2015年我国典型陆地生态系统地下水、静止地表水和流动地表水水化学离子特征及空间分布.结果表明，水中主要阴离子质量浓度为：HCO3- > SO42- > Cl- > CO32-，以HCO3-和SO42-为主，在地下水、静止地表水、流动地表水中HCO3-和SO42-之和分别约占阴离子总量的71.7%、75.3%和74.9%；阳离子以Ca2+和Na+为主，两者之和分别约占阳离子总量的69.7%、64.8%和68.9%.不同生态区域水体离子浓度和离子比例差异较大，水化学类型有地带性差异，即西北干旱半干旱区、东部黄淮海平原区生态系统地下水水化学类型以Na-Mg-SO4-Cl型为主，且水体矿化度较高；亚热带红壤丘陵区地下水水化学类型以Ca-SO4-HCO3型为主，地表水以Ca-HCO3-SO4型为主；南亚热带丘陵赤红壤区地下水水化学类型以Na-Ca-HCO3-Cl型为主；其它生态系统水化学类型以Ca-HCO3型和Ca-Mg-HCO3为主.地下水、静止地表水和流动地表水的水化学类型年际间无明显变化.
关键词: 典型陆地生态系统      地下水      静止地表水      流动地表水      水化学类型      主要离子     
Ion Concentrations and Their Spatial Variability in Underground Water and Surface Water in Typical Terrestrial Ecosystems in China
HUANG Li1 , ZHANG Xin-yu1,2 , YUAN Guo-fu1,2 , ZHU Zhi-lin1,2 , TANG Xin-zhai1 , SUN Xiao-min1,2     
1. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
2. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
Abstract: The water chemistry data monitored during 2010-2015 by 33 terrestrial ecological stations from the Chinese Ecosystem Research Network (CERN) and the National Ecosystem Research Network of China (CNERN) were used to characterize ion concentrations and their spatial variability in underground water, still surface water, and flowing surface water from typical terrestrial ecosystems. The results showed the presence of mass-based concentrations of major anions, including HCO3- > SO42- > Cl- > CO32-. Among them, HCO3- and SO42- were dominant, and their sums accounted for 71.7%, 75.3%, and 74.9% of the total anions in underground water, still surface water, and flowing surface water, respectively. Cations were mainly Ca2+ and Na+, and their sums accounted for 69.7%, 64.8%, and 68.9% of the total cations in underground water, still surface water, and flowing surface water, respectively. The ion concentration and ion ratio in the underground water, still surface water, and flowing surface water differed largely among the studied regions. The hydrochemical type varied regionally, e.g., Na-Mg-SO4-Cl type, usually with high content of salinity, was found in the underground water of ecological systems in the Northwest arid and semiarid areas and in the East Huanghuaihai Plain; Ca-SO4-HCO3 type in underground water and Ca-HCO3-SO4 type in surface water were found in hilly areas with subtropical red soil; Na-Ca-HCO3-Cl type was present in underground water of south hilly areas with subtropical latosolic red soil; and Ca-HCO3 and Ca-Mg-HCO3 types were found in other ecological systems. Hydrochemical types had low inter-annual variation for both underground water and surface water.
Key words: typical terrestrial ecosystem      underground water      still surface water      flowing surface water      hydrochemistry type      major ion     

天然水体中Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-这8种离子总量约占天然水溶质总量的95%~99%[1], 是水质监测的重要指标, 也是水化学特征研究的主要离子.目前对水化学特征的研究主要是在某一流域或地区的地下水、湖泊和河流开展, 水体中主要离子成分常用来分析流域水化学控制因素、物质来源、分布特征及演变规律等[2~8].对长江[9]、黄河[10]、尼洋河[11]、沁河[12, 13]、拉萨河[14]、大溶江[15]、呼伦湖[16]、疏勒河[17]等不同流域水化学离子含量进行分析, 认为水体离子组成主要受风化作用、蒸发-结晶、侵蚀、大气降水、人类活动等因素的影响, 且离子间存在一定的相关关系.研究水体化学离子特征对于正确理解河流流域内地表水和地下水的补给关系、水离子组成和来源具有重要意义[17~19].

水质监测对水环境保护、水污染控制以及维护水环境健康方面的环境管理、环境科学研究提供数据和资料.水环境是陆地生态系统主要的环境因子, 是影响陆地生态系统结构和功能的重要因素[20].中国生态系统研究网络(CERN)和国家生态系统观测研究网络(CNERN)开展水环境的生态观测, 已有对不同生态系统的水质特征如pH、矿化度[21]、硝态氮[22, 23]、总氮[24]、总磷[25]等的分析研究, 然而尚未开展典型生态系统水化学特征的分析.

本研究利用CERN和CNERN中的33个陆地生态站2010~2015年地下水、静止地表水、流动地表水水质8种离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-)、pH及矿化度的监测数据, 分析其水的化学类型及在我国的空间分布特征, 以期为未来水体水化学特征变化趋势分析和监测提供依据和建议.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究利用33个生态站监测数据, 包括农田生态系统13个, 森林生态系统10个, 荒漠生态系统7个, 草地生态系统2个, 湿地生态系统1个, 其中地下水统计31个生态系统、静止地表水统计17个生态系统、流动地表水统计29个生态系统, 各生态站的基本信息见表 1.

表 1 我国典型陆地生态系统生态站基本情况[25, 26] Table 1 Distribution of typical ecosystem ecological stations in China

1.2 研究方法

各典型陆地生态系统依据文献[20, 27]布置采样点, 统一监测方法, 参照规范中的国标方法进行样品分析.每个生态站对该地区所在的典型陆地生态系统的流动地表水、静止地表水、地下水进行定位监测, 每年干湿季节至少采集2次样品, 分析指标包括pH、矿化度及8种主要离子等.

为保证水质监测数据质量, 对数据进行准确性检验, 其中包括阴阳离子电荷平衡法, 质量法与加和法与矿化度比对, 以及电导率校核分析[27].通过以上检验, 剔除监测异常值, 进行数据质量控制.

利用Sigmaplot 10.0绘制离子浓度箱式图、矿化度柱形图及离子浓度关系图, 利用GW_Chart绘制Piper三线图. Piper图以3组主要的阳离子(Ca2+、Mg2+、Na++K+)和阴离子(Cl-、SO42-、HCO3-+CO32-)的每升毫克当量的百分数来表示, 认为主要离子总和的毫克当量百分数大于25%的离子为主要离子, 参与水化学类型分类[17].分类表达方式：离子按浓度高低排序, 阳离子在前, 阴离子在后.各生态站的水化学类型以2010~2015年水8种离子平均数值计算, 此外, 选择水质监测频率较高的生态站, 对其水化学类型的年际变化进行分析.

2 结果与讨论 2.1 水化学组成分析

水体中离子质量浓度平均值分析表明, 水中主要阴离子浓度为HCO3->SO42->Cl->CO32-, 以HCO3-和SO42-为主, 在地下水、静止地表水、流动地表水中两者之和分别约占阴离子总量的71.7%、75.3%和74.9%;地下水阳离子浓度为Na+>Ca2+>Mg2+>K+, 以Na+和Ca2+为主, 两者之和约占阳离子总量的69.7%;静止地表水阳离子浓度为Ca2+>Na+>Mg2+>K+, 以Na+和Ca2+为主, 两者之和约占阳离子总量的64.8%;流动地表水阳离子浓度为Na+>Ca2+>Mg2+>K+, 也以Na+和Ca2+为主, 两者之和约占阳离子总量的68.9%.而从整体中值上看, 水化学组成的阳离子则均以Ca2+和Mg2+为主, 阴离子仍为HCO3-和SO42-为主, 即大多数的生态系统中水化学离子以Ca2+、Mg2+和HCO3-、SO42-占的比例较高[图 1(a)~(c)].

图中虚线段为平均值, 箱图中实线段为中位数, 箱体上方和下方的黑点表示极端值, n为生态站个数 图 1 8种离子浓度、pH及矿化度的箱式图 Fig. 1 Box plots showing variations of eight-ions, pH, and salinity

各生态站地下水、静止地表水和流动地表水pH变化范围分别为5.68~8.49、5.89~8.85和5.53~8.49, pH平均值分别为7.39、7.58和7.63, 三者之间差异不显著[图 1(d)].静止地表水和流动地表水矿化度含量均值分别为304mg·L-1和315mg·L-1, 而地下水矿化度均值为620mg·L-1, 高于地表水[图 1(e)].

从图 2中可知, 位于西北部干旱半干旱地区和黄淮海平原地区的水体矿化度普遍高于南部地区, 且以地下水矿化度的变化最为明显, 地下水矿化度值变化主要受流域地质条件产生的蒸发作用影响[16], 西北部干旱地区的生态站AKA、FKD和CLD地下水矿化度均大于1000 mg·L-1, 而位于南部湿润地区的生态站HSF、HTF、TYA等水体矿化度较低.

图 2 各生态站地下水、静止地表水和流动地表水的矿化度 Fig. 2 Salinity of underground water, still surface water, and flowing surface water at each eco-station

2.2 水化学类型

Piper三线图可以反映水体离子的组成情况, 由图 3(a)可知, 大多数生态系统的地下水水化学类型以Ca-HCO3型为主, 其次为Ca-Mg-HCO3型, 两者占生态站总数的64.5%.少数生态系统, 如生态站LCA、YCA、SQA都位于黄淮海平原, 地下水阳离子均以Mg2+为主, LCA水化学类型为Mg-Ca-HCO3型, YCA和SQA均为Mg-Na-SO4-Cl型; 位于西北干旱生态系统的CLD、AKA和FKD, 阳离子均以Na+为主, 阴离子以SO42-和Cl-为主, CLD水化学类型为Na-Mg-Cl-SO4型, AKA为Na-SO4-Cl型, FKD为Na-Mg-SO4-Cl型; ASA半干旱生态系统水化学类型为Mg-Na-SO4-HCO3型, TYA亚热带红壤丘陵生态系统水化学类型为Ca-SO4-HCO3型, HSF南亚热带丘陵生态系统水化学类型为Na-Ca-HCO3-Cl型.

图 3 地下水、静止地表水和流动地表水的Piper三线图 Fig. 3 Piper diagrams of underground water, still surface water, and flowing surface water

静止地表水化学类型以Ca-HCO3型为主, 其次为Ca-Mg-HCO3型[图 3(b)], 占生态站总数的70.6%.少数生态系统, 如西北干旱生态系统的CLD、AKA和FKD, 水化学类型较为复杂, 无显著的主导离子, 水化学类型分别为Na-Ca-Mg-Cl-SO4、Na-Mg-Ca-SO4-Cl和Na-Mg-Ca-HCO3-SO4, 与之相近的LZD干旱生态系统, 水化学类型为Mg-Ca-HCO3-SO4.

流动地表水化学类型也以Ca-HCO3型为主, 其次为Ca-Mg-HCO3型[图 3(c)], 占生态站总数的55.2%.少数生态系统, 阳离子以Na+为主, 如西北干旱区AKA(Na-Cl-SO4型)、ASA(Na-Mg-SO4-HCO3型), 黄淮海平原生态系统的YCA(Na-Mg-SO4-Cl型)、SQA(Na-Ca-SO4-Cl型), 长白山森林生态系统CBF(Na-Ca-HCO3型), 林芝森林生态系统LZF(Na-Mg-HCO3型), 黄土高原沟壑生态系统CWA(Na-Mg-Ca-HCO3型); 贡嘎森林生态系统GGF水体阴离子以SO42-为主, 水化学类型为Ca-SO4-HCO3型; 而在HSF南亚热带丘陵生态系统, 有较高的K+和Cl-含量, 水化学类型为Ca-K-Cl-HCO3型.

地下水的水化学特征是在长期的地质历史发展过程中, 经多种地球化学作用而形成的, 受气候、水文、地质、地貌条件及人类活动等多种因素的影响[28], 地下水的水化学类型受当地岩石类型的影响比较大[6].唐克旺等[28]于2006年对我国地下水进行分析, 发现我国地下水以重碳酸盐型为主, 这与本研究的结果一致.

Gibbs[29]曾指出控制地表水水化学的3种主要机制：大气降水、流域岩石主导及蒸发-结晶过程.在60年代初, 乐嘉祥等[30]首次对我国河流水化学性质的空间变化规律进行了分析, 研究发现我国广大地区常以重碳酸盐类钙组型为主, 在西北内陆地区河水常以硫酸盐类钠组型为主, 历经近50余年, 本研究结果与其结果相同, 河流水化学特征主要受碳酸盐岩的风化和蒸发岩(水溶性矿物沉淀)的影响[31].

从图 3中可知, 在大多数生态系统中, 地下水、静止地表水和流动地表水水化学类型相似, 如HBG、HTF、SNF、YGA等, 均为Ca-Mg-HCO3型, 在AKA、LZD、CWA、CSA、SJM等, 3类水体的主要阴阳离子相同, 可见这些地区地下水与地表水关系较为密切, 可能有着补排关系.少数生态系统中的水化学类型存在差异, 在FKD, 地下水为Na-Mg-SO4-Cl型, 静止地表水Na-Mg-Ca-HCO3-SO4型, 流动地表水为Ca-HCO3型, 该地区为典型的荒漠-绿洲生态系统, 流动地表水监测的三工河水源主要依赖高山冰川和积雪融水[32], 从地下水-静止地表水-流动地表水, Ca2+和HCO3-逐渐取代Na+和SO42-, 成为流动地表水中的主要离子, 表明水的补给来源也在影响着水化学特征.

2.3 水化学的年际变化

为比较生态系统年际间水体化学差异, 以部分生态站为代表, 绘制2010~2015年年际离子组成变化的Piper三线图, 从图 4(a)中可知, 生态站YGA和SJM 2010~2015年间地下水主要阳离子为Ca2+, 主要阴离子为HCO3-, 水化学类型分别以Ca-HCO3-SO4型和Ca-Mg-HCO3型为主, 年间偶然出现Na+、Cl-的毫克当量百分数大于25%, 但并未影响其主导离子; 在YCA, 地下水阳离子以Na+和Mg2+为主, 阴离子以SO42-和Cl-为主, 虽然后期Ca2+和HCO3-的比例有所上升, 但主导离子并未改变; 在LZD, 地下水水化学类型以Mg-Ca-SO4-HCO3型为主, 变化不大.

图 4 2010~2015年部分生态站水Piper三线图 Fig. 4 Piper diagrams of some eco-stations from 2010 to 2015

从图 4(b)可知, YGA和SNF 6年间静止地表水水化学类型以Ca-Mg-HCO3型为主, CWA以Ca-Mg-Na-HCO3型为主, 在AKA, 主要的阴阳离子也未发生变化, 阳离子以Mg2+、Na+、Ca2+为主, 阴离子以SO42-和Cl-为主.从图 4(c)可知, 6年间SYA流动地表水水化学类型均为Ca-HCO3型, GGF均为Ca-SO4-HCO3型, YGA和BNF的水化学类型也以Ca-HCO3型为主, 其次是Ca-Mg-HCO3型.

各生态系统年际间水化学类型稳定, 说明水体中主要离子成分比例稳定.可见, 不论是农田、森林、荒漠还是湿地生态系统, 在较短的时间内, 人为因素(如农业生产活动等)并未明显影响其主要的水化学类型, 水化学成分主要受到当地岩层、土壤类型、气候等自然因素的影响.

2.4 离子主要来源分析

Ca2+和HCO3-是水中的主要离子, 地下水Ca2+与HCO3-相关系数为0.75, 而静止地表水和流动地表水分别为0.33和0.34, CLD的静止地表水、AKA的流动地表水为图 5(a)中的极端点, 剔除该两点, 相关系数可分别达到0.74和0.62.从图 5(a)可以看出, 大多数点分布在1:1等线的上侧, 说明Ca2+不足以平衡HCO3-, 还有其他阳离子. Ca2+、HCO3-主要受控于流域岩性[15, 19], HCO3-主要来自碳酸盐矿物的溶解, Ca2+除碳酸盐岩外, 也可能来自石膏岩、硅酸盐岩等风化, 以碳酸盐岩占主要优势.

(d2)为(d1)去除右下方两点后的放大图 图 5 水离子毫克当量浓度关系 Fig. 5 Correlation among major ions in water

Na+与Cl-在地下水、静止地表水、流动地表水相关系数分别为0.95、0.93和0.93[图 5(b)], 表明Na+与Cl-有相似的来源, 从图 5(b)可以看出, 大多数点分布于1:1等线附近或下侧, 说明[Na+]≥[Cl-].各类水Na+/Cl-平均值都大于海水比值(Na+/Cl-=0.86)[33], 说明生态站受大气降水的影响较小, Na+主要来源于盐岩和硅酸盐岩风化[11, 14], 也是Cl-的主要来源.

(Ca2++Mg2+)与(HCO3-+SO42-)相关性良好, 地下水、静止地表水、流动地表水的相关系数分别为0.75、0.98和0.95, 地下水去除FKD和AKA这两个极端点, 相关系数可达0.98.从图 5(c)可见, 大多数点均分布在1:1等线附近, 水中的Ca2+和Mg2+由HCO3-和SO42-来平衡, 其来源主要为硫酸和碳酸盐岩共同参与的风化过程或是蒸发岩、石膏溶解[12].

为分析各生态系统地下水、地表水的阳离子交换情况, 水中(Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-)与(Na+-Cl-)的浓度关系如图 5(d1)和5(d2)所示, 靠近原点位置的点表征受离子交换作用影响较小, 若水系统中碳酸盐岩溶解作用连续发生且发生离子交换, 则点分布靠近1:1等线[7].从中可见, 大多数点分布均靠近1:1等线, 有部分点分布在原点附近, 且不论在地下水、静止地表水和流动地表水都呈明显的负相关, 可见在自然水域中多出的Na+应是来自与Ca2+或Mg2+的交换[5, 33].

我国幅员辽阔, 各生态系统间环境差异较大, 气候因子、地质地貌均为水化学的控制因素.因各地的流域岩性、土壤类型、降水量、蒸发量的不同, 自然因素的差异强烈影响着水化学特征.受流域的地质岩性型控制, 水中各主要离子的含量在地区上的分布和矿化度一样, 具有同一分布趋势, 矿化度由东南沿海向西北内陆递增, 水化学类型由重碳酸盐类过渡为硫酸盐、氯化物类, 阳离子中Na+也逐渐超过Ca2+含量而成为主要成分[30].

3 结论

(1) 2010~2015年中国典型陆地生态系统水质监测数据分析表明, 在地下水、静止地表水和流动地表水中, 阳离子以Ca2+为主, 阴离子以HCO3-为主, 多数生态系统水体阳离子中Mg2+所占比例仅次于Ca2+. 6年间典型生态系统水化学类型基本稳定.位于西北干旱半干旱地区和黄淮海平原地区的水体矿化度较高, 离子通常以Na+、Mg2+、SO42-、Cl-为主; 南部湿润地区的水体矿化度较低, 离子通常以Ca2+和HCO3-为主.水体中离子主要来源于当地岩石风化、蒸发岩溶解及一些离子间的交换作用, 主要受自然因素影响.

(2) 地下水、静止地表水和流动地表水的水化学类型在同一地区大多相似.因地理位置、气候条件、地质地貌等的差异, 水化学类型具有明显的地带性分布特征：西北干旱半干旱生态系统、东部黄淮海平原生态系统地下水水化学类型以Na-Mg-SO4-Cl型为主; 亚热带红壤丘陵区地下水水化学类型以Ca-SO4-HCO3型为主, 地表水以Ca-HCO3-SO4型为主; 南亚热带丘陵赤红壤区地下水水化学类型以Na-Ca-HCO3-Cl型为主, 地表水中K+比例增加; 其它生态系统水化学类型以Ca-HCO3型和Ca-Mg-HCO3型为主.

致谢: 感谢CERN和CNERN各个生态站对样品的采集和分析工作, 感谢CERN综合研究中心和水分研究中心提供数据.
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