环境科学  2024, Vol. 45 Issue (8): 4589-4599   PDF    
高原湖泊周边浅层地下水:溶解性碳时空分布及驱动因素
崔荣阳1,2, 陈安强1, 刘刚才2, 陈清飞3, 叶远行3, 王炽1, 张丹3     
1. 云南省农业科学院农业环境资源研究所, 昆明 650201;
2. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所, 中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室, 成都 610299;
3. 云南农业大学资源与环境学院, 昆明 650201
摘要: 地下水中溶解性碳在碳循环和生态功能维持中发挥着重要作用, 其浓度水平影响着地下水中污染物的迁移转化.为了解高原湖泊周边浅层地下水中溶解性碳的时空变化特征, 分析了云南8个高原湖泊周边浅层地下水(n = 404)中溶解性有机碳(DOC)、溶解性无机碳(DIC)和溶解性总碳(DTC)浓度的时空分布及驱动因素.结果表明, 高原湖泊周边浅层地下水中ρ(DOC)、ρ(DIC)和ρ(DTC)的均值分别为8.23、49.01和57.84 mg·L-1, 近79.0%的浅层地下水中ρ(DOC)超过5 mg·L-1.季节变化对DOC、DIC和DTC浓度无显著影响, 而农业集约化强度和地下水位深度显著影响浅层地下水中溶解性碳浓度变化, 表现为设施农业区(SFAR)、农田休耕区(CFAR)和较深地下水位集约化农业区(DIAR)的地下水中DOC、DIC和DTC浓度相比于较浅地下水位集约化农业区(SIAR)分别显著降低了25.8%~56.6%、14.0%~32.9%、16.6%~36.7%, 且DIAR地下水中溶解性碳浓度均显著低于SFAR和CFAR.冗余分析(RDA)表明水和土壤中理化因子显著解释了溶解性碳的变化.此外, 异龙湖周边浅层地下水中溶解性碳浓度显著高于其它湖泊, 程海却显著低于其它湖泊.可见, 农业集约化强度和地下水位共同驱动了高原湖泊周边浅层地下水中溶解性碳浓度变化.研究结果以期为了解高原湖区碳随地下径流入湖等区域碳循环及评估浅层地下水中溶解性碳对污染物的衰减提供科学依据.
关键词: 溶解性有机碳(DOC)      溶解性无机碳(DIC)      浅层地下水      高原湖泊      农业集约化强度     
Shallow Groundwater Around Plateau Lakes: Spatiotemporal Distributions of Dissolved Carbon and Its Driving Factors
CUI Rong-yang1,2 , CHEN An-qiang1 , LIU Gang-cai2 , CHEN Qing-fei3 , YE Yuan-hang3 , WANG Chi1 , ZHANG Dan3     
1. Agricultural Environment Resources Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650201, China;
2. Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Chinese Academy of Sciences, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610299, China;
3. College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China
Abstract: Dissolved carbon in groundwater plays an important role in carbon cycling and ecological function maintenance, and its concentration level affects the migration and transformation of pollutants in groundwater. To understand the spatiotemporal variation characteristics of dissolved carbon and its driving factors in shallow groundwater around plateau lakes, variations in the concentrations of dissolved organic carbon (DOC), inorganic carbon (DIC), and total carbon (DTC) and their driving factors in shallow groundwater (n = 404) around eight plateau lakes were analyzed. The results indicated that the average values of ρ(DOC), ρ(DIC), and ρ(DTC) in shallow groundwater around plateau lakes were 8.23, 49.01, and 57.84 mg·L-1, respectively, with the ρ(DOC) in 79.0% of shallow groundwater samples exceeding 5 mg·L-1. There were no significant differences in the DOC, DIC, and DTC concentrations between rainy and dry seasons, whereas the change in dissolved carbon concentrations in shallow groundwater were strongly affected by the intensity of agricultural intensification and the depth of groundwater table; the DOC, DIC, and DTC concentrations in shallow groundwater from facility agricultural regions (SFAR), cropland fallow agricultural regions (CFAR), and intensive agricultural regions with deeper groundwater tables (DIAR) were significantly reduced by 25.8% - 56.6%, 14.0% - 32.9%, and 16.6% - 36.7%, respectively, compared with those in intensive agricultural regions with shallower groundwater tables (SIAR). Additionally, the dissolved carbon concentrations in shallow groundwater from DIAR were significantly lower than those of SFAR and CFAR. RDA revealed that physicochemical factors in water and soil significantly explained the changes in the dissolved carbon concentrations. Moreover, the dissolved carbon concentrations in shallow groundwater around Yilong Lake were significantly higher than those of other lakes, whereas that of Chenghai Lake was significantly lower than that of other lakes. Our study highlights that agricultural intensification intensity and groundwater table depth jointly drove the variations in dissolved carbon concentrations in shallow groundwater around plateau lakes. The study results are expected to provide a scientific basis for understanding the carbon cycle in plateau lake areas with underground runoff flowing into lakes and evaluating the attenuation of pollutants by dissolved carbon in shallow groundwater.
Key words: dissolved organic carbon (DOC)      dissolved inorganic carbon (DIC)      shallow groundwater      plateau lake      agricultural intensification intensity     

地下水作为全球分布最广, 质量较高的陆地淡水资源, 在保障生产生活用水、维持生态系统功能和促使人类适应气候变化中发挥着核心作用[1].然而, 近年来地下水污染已成为全球关注的重要环境问题, 一系列的消毒副产品、残留农药、硝酸盐和砷等污染物赋存于地下水中[2, 3], 且这些污染物的转化、降解均与地下水中溶解性碳浓度紧密相关[2, 4];同时, 溶解性碳贡献了全球近90%的陆源碳向水生系统的碳转移[5].因此, 理解地下水中溶解性碳的时空分布特征及其驱动因子, 对于有效控制地下水污染和量化地下水中溶解性碳在陆地碳收支中的角色极为重要.

溶解性碳主要由溶解性无机碳(DIC)和溶解性有机碳(DOC)组成, DIC主要来源于岩石矿物的化学风化, 土壤CO2以及通过水-气界面交换的大气CO2, 代表着陆地CO2[6];DOC在地下水中普遍存在, 具有强烈的生物活性和流动性, 是生物代谢的载体和能量源[7].此外, DOC具有驱动氧化还原过程的潜力, 从而影响着地下水中物质的转化[8], 成为衡量地下水可用性和水中碳生物有效性的重要指标, 许多国家规定污水处理或饮用水中ρ(DOC)范围应控制在0~5 mg·L-1[9].McDonough等[9]研究表明全球地下水ρ(DOC)均值和中值分别为3.8 mg·L-1和1.2 mg·L-1, 84.1%的地下水样品中ρ(DOC) < 5 mg·L-1, 但这些样品主要集中分布在中低纬度国家, 且城市区域的地下水DOC浓度相比于自然土地显著增加了19%.同样, 不同土地利用对DIC浓度影响也较大, 如洱海入湖河流中DIC浓度受建设用地面积影响最大, 耕地次之, 林地和草地影响最小[10].季节变化通过改变地下水的补给数量和补给方式导致地下水位和水中物理化学性质的变化, 进一步影响地下水DOC和DIC浓度[9, 11], 如雨、旱季通过调控地下水位和蒸发量影响着地下水中DOC浓度, 但对DIC浓度没有明显影响[12];地下水中溶解氧(DO)[13, 14]、阴阳离子[15]、pH[16]及地下水更新周期[17]同样显著影响着DOC和DIC浓度时空变化.此外, 人类活动(如生活污水排放、农业和工业生产及基础设施建设等)也显著增加了地下水及河流中DOC浓度[18, 19];而生物分解作用又能将DOC分解为DIC, 影响水体DIC动态变化[5], 同时, 碳氮耦合循环可参与碳酸盐岩的风化过程, 导致含水层中DIC浓度增加[20], 而DIC和NO3-耦合过程可以促进DOC产生[21].可见, 水中生物(或微生物)新陈代谢过程推动了DOC和DIC的内部耦合及动态变化, 致使DOC和DIC不断循环转化[5].

季节变化、土地利用和人为活动已是公认的影响水环境中DOC和DIC浓度变化的主要驱动因子.目前, 水体中溶解性碳时空分布及驱动因素等方面的研究主要集中于湖泊、河流以及大型水库等地表水体, 由于水体中溶解性碳受地质背景、区域环境和人为活动的影响, 通常具有较强的时空异质性.鉴于此, 本研究选取农田与农村交错分布、人口密集和农业集约化程度高的8个高原湖泊流域为研究对象, 分析了8个湖泊周边浅层地下水中DIC、DOC和DTC浓度的时空变化及其在雨旱季和4个不同类型农业区之间的差异, 探讨了地下水、土壤的理化因子与地下水中DOC和DIC浓度的关系, 以期为了解高原湖区碳随地下径流入湖等区域碳循环及评估浅层地下水中溶解性碳对污染物的衰减提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

8个高原湖泊流域(97°31′ ~ 106°11′ E, 21°08′ ~29°15′ N)分别位于云南滇中、滇南、滇西和滇西北(图 1), 包括滇池、洱海、抚仙湖、星云湖、杞麓湖、异龙湖、阳宗海和程海[22, 23].研究区属于亚热带低纬高原季风气候, 平均海拔1 414~2 000 m(表 1), 年均气温14.9~19.2 ℃, 年均降雨量756~1 100 mm, 超过80%的降雨集中于雨季(6~11月). 8个湖泊分属不同水系, 其中滇池与程海属长江上游的金沙江水系, 洱海属澜沧江水系, 其余5个湖泊属于珠江水系. 8个湖泊流域总面积约为7 742.68 km2, 滇池、洱海和抚仙湖流域面积均超过500 km2. 2022年云南省生态环境状况公报中指出, 滇池、洱海、抚仙湖、星云湖、杞麓湖、异龙湖、阳宗海和程海8个高原湖泊水质类别分别为Ⅳ~Ⅴ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类、劣Ⅴ类、Ⅱ类和Ⅳ类.8个湖泊周边村镇和农田密集, 人口密度大, 农业集约化程度高, 依据农业集约化程度和水位差异可划分为地下水位较浅的集约化农业区(SIAR, 洱海、星云湖、杞麓湖、异龙湖)、设施农业区(SFAR, 滇池、阳宗海)和农田休耕区(CFAR, 抚仙湖, 2017年底至2021年休耕, 之后逐渐恢复种植低耗型大田作物), 地下水位较深的集约化农业区(DIAR, 程海)[24].研究区种植作物种类多样, 复种指数高, 蔬菜是种植面积最大的作物(每年3~4茬), 其次为玉米、花卉、水稻和烤烟.作物种植过程中化肥及有机肥施用量较高, 且农业灌溉频繁.水稻土和红壤是研究区最主要的土壤类型, 成土母质为第四纪全新世河流相沉积物、湖相沉积物和河湖混合相沉积物, 含水层类型主要为疏松岩孔隙水含水层、碳酸盐裂隙岩溶水含水层和部分侵入岩含水层[25].8个湖泊流域均属于岩溶断陷湖盆, 周边环绕的山脉含水层主要以碳酸盐岩和变质岩含水层为主, 盆地周边碳酸盐岩分布面积较广, 碎屑岩与玄武岩也均有分布[25 ~ 28].尽管8个湖泊周边地下水资源极为丰富, 是生活用水和农业灌溉的主要水源, 但由于人口密度、农业活动强度高和复杂的水文地质环境导致湖泊周边浅层地下水氮磷污染严重[22, 23].

图 1 研究区位置示意 Fig. 1 Location of study area

表 1 8个高原湖泊流域自然地理和农业活动参数 Table 1 Physical geography and agricultural activity parameters of eight plateau lake basins

1.2 样品采集与分析

2020年8月(雨季)和2021年5月(旱季)对8个湖泊周边浅层地下水(第四纪松散沉积物间的孔隙水)进行监测与采样, 共收集了404个浅层地下水样品(雨季176个和旱季228个), 各湖泊周边样品总数为滇池73个、洱海52个、抚仙湖54个、星云湖52个、杞麓湖51个、异龙湖43个、阳宗海44个和程海35个.使用有机玻璃水样收集器采集2份水样, 一份装入100 mL聚乙烯瓶用于分析总氮(TN);另一份经0.45 μm滤膜过滤和加入20 μL的浓缩HgCl2溶液存储在100 mL聚乙烯瓶中用于DTC和DIC分析.所有样品放在带冰袋的保鲜箱中带回实验室, 存放在4 ℃冰箱中.同时, 选择68个浅层地下水监测点附近的土壤剖面, 用100 cm长的螺旋土钻采集0~30、30~60和60~90 cm土壤剖面样(共204个), 用于分析土壤全氮(STN)、有机碳(SOC)和pH.

使用手持式多参数测量仪(YSI ProPlus, xylem, 美国)原位监测浅层地下水中pH、温度(T)、电导率(EC)、溶解氧(DO)和氧化还原电位(ORP), 使用钢卷尺测定浅层地下水水位(SGT).TN采用过硫酸钾消解-紫外分光光度计(T6, Xinrui, Puxi, 中国)测定;土壤pH采用pH计测定(土∶水= 1∶5);STN采用浓硫酸消煮-凯氏定氮仪(oss/Kjeltec, FOSS, 丹麦)测定;SOC、DTC、DOC和DIC使用碳氮分析仪(Multi N/C 3100, analytikjena, 德国)测定.

1.3 数据处理

相对反应商(relative reaction quotient, RRQ)是一种测量DOC与DO浓度的曲率并回归到衰减双曲线方程的方法, 用于评估DOC的相对生物利用度[13], 计算公式见式(1)、(2):

(1)
(2)

式中, f为DO浓度, x为DOC浓度, ab为DOC和DO数据进行非线性回归拟合计算得到的回归值;RRQ值越高, 表示DOC的生物可利用性越强.

使用SPSS 20.0进行正态分布和显著性差异检验(LSD, P < 0.05), 利用R程序包“vegan”进行溶解性碳和环境因子的冗余度(RDA)分析, 其余分析和绘图采用Origin 2019b和ArcGIS 10.0进行.

2 结果与分析 2.1 不同季节和农业区域下浅层地下水中溶解性碳浓度变化

浅层地下水中ρ(DOC)、ρ(DIC)和ρ(DTC)变化范围分别为1.33~43.93、0.71~163.34和2.73~207.23 mg·L-1, 平均值分别为(8.23 ± 4.31)、(49.01 ± 21.94)和(57.84 ± 25.10)mg·L-1.旱季浅层地下水中ρ(DOC)、ρ(DIC)和ρ(DTC)均值分别为(8.47 ± 5.41)、(49.44 ± 23.07)和(57.91 ± 26.59)mg·L-1[图 2(a)], 与旱季相比, 雨季浅层地下水中DTC和DIC浓度降低了0.3%和2.0%, 而DOC浓度则增加9.7%, 但均无显著差异(P > 0.05).SIAR浅层地下水中ρ(DOC)、ρ(DIC)和ρ(DTC)均值分别为(10.57 ± 6.25)、(55.29 ± 23.91)和(65.85 ± 27.81) mg·L-1[图 2(b)2(c)].与SIAR中DOC、DIC和DTC浓度相比, SFAR、CFAR、DIAR浅层地下水中DOC浓度分别显著(P < 0.01)降低了25.8%、30.1%、56.6%, DIC和DTC浓度分别显著(P < 0.01)降低了23.5%、14.0%、32.9%和23.9%、16.6%、36.7%.同时, DIAR浅层地下水中DOC、DIC和DTC浓度均显著(P < 0.01)低于其它3个农业区, 说明农业生产和地下水位深度强烈影响着高原湖泊周边浅层地下水中溶解性碳浓度变化.分析发现高原湖周区域仅有21.0%的浅层地下水样品中ρ(DOC) < 5 mg·L-1, 旱季和雨季ρ(DOC)处于0~5 mg·L-1范围的地下水样占比分别为25.0%和15.9%.

图 2 不同条件下浅层地下水中溶解性碳浓度变化 Fig. 2 Variations in the dissolved carbon concentrations in shallow groundwater under different conditions

2.2 湖泊周边浅层地下水溶解性碳的空间分布

杞麓湖、异龙湖、星云湖、滇池、洱海、抚仙湖、阳宗海和程海周边浅层地下水中ρ(DOC)均值分别为13.10、12.73、10.16、8.20、7.58、7.38、7.23和4.59 mg·L-1, ρ(DIC)均值分别为52.28、71.41、51.22、38.30、48.99、47.53、50.85和37.10 mg·L-1(表 2).异龙湖和杞麓湖周边浅层地下水中DOC浓度显著(P < 0.05)高于其它湖泊, 且异龙湖周边浅层地下水中DIC和DTC浓度也均显著(P < 0.05)高于其它湖泊.相反, 程海周边浅层地下水中溶解性碳浓度及滇池周边浅层地下水中DIC和DTC浓度均显著(P < 0.05)低于其它湖泊.与异龙湖周边浅层地下水溶解性碳浓度相比, 杞麓湖周边浅层地下水中DOC浓度增加3%, 而其余湖泊的DOC、DIC和DTC浓度分别降低20.1%~64.0%、26.8%~48.0%和22.3%~49.0%.

表 2 8个高原湖泊周边浅层地下水中溶解性碳浓度的统计描述1) Table 2 Statistical description of dissolved carbon concentrations in shallow groundwater around eight plateau lakes

湖泊周边浅层地下水中ρ(DOC) < 5 mg·L-1的样品占比大小分别为:程海(66.7%) > 洱海(32.7%) > 阳宗海(27.3%) > 抚仙湖(22.2%) > 异龙湖(14%) > 滇池(13.7%) > 星云湖(5.8%) > 杞麓湖(2.0%), 近79%的浅层地下水样ρ(DOC)超过5 mg·L-1, 分别高于全球地下水中DOC浓度中值6.86倍和均值2.17倍.各湖泊周边浅层地下水中DOC和DIC浓度空间分布如图 3图 4所示, ρ(DOC)较高(> 10 mg·L-1)的区域主要位于杞麓湖西南部、星云湖北部和异龙湖西部, 5 ~10 mg·L-1的区域主要分布于滇池东南部、洱海西部、抚仙湖北部、阳宗海南部和异龙湖东部.浅层地下水中ρ(DIC)较高(> 70 mg·L-1)的区域主要分布于洱海北部、异龙湖西部和东部、杞麓湖西南部和东北部, ρ(DIC)较低(< 20 mg·L-1)的区域分布较为零散.

图 3 浅层地下水中DOC浓度空间分布 Fig. 3 Spatial distributions of the DOC concentrations in the shallow groundwater

图 4 浅层地下水中DIC浓度空间分布 Fig. 4 Spatial distributions of the DIC concentrations in the shallow groundwater

2.3 浅层地下水中溶解性碳与主要环境因子的关系

浅层地下水中溶解性碳浓度受多个环境因子影响, RDA分析表明, 浅层地下水和土壤剖面中环境因子分别解释了77.2%和61.2%的溶解性碳浓度变化, 浅层地下水中EC、TN、T、SGT、DO、ORP和pH[图 5(a)]与土壤剖面中SOC、pH和STN[图 5(b)]均显著影响着溶解性碳浓度的变化.基于RDA分析结果, 本研究进一步分析了环境因子与DOC和DIC的线性关系(图 6), 结果表明浅层地下水中DOC和DIC分别与ORP、DO、SGT和ORP、DO、TN呈现出显著线性负相关(P < 0.01), 分别与pH、T、EC、TN和pH、T、EC呈现出显著线性正相关(P < 0.01), 但与土壤剖面中SOC没有呈现出显著线性关系(P ≥ 0.05).此外, DOC与EC、T、DO、SGT呈现出较强的线性关系, 这说明DOC浓度变化受这些因素影响较为强烈.

图 5 浅层地下水中溶解性碳与水和土中环境因子的RDA分析 Fig. 5 RDA analysis of the dissolved carbon concentrations and environmental factors in shallow groundwater and soil profile

图 6 浅层地下水中溶解性碳与水、土中环境因子的关系 Fig. 6 Relationships between the dissolved carbon and environmental factors in shallow groundwater and soil profile

3 讨论 3.1 环境因子对浅层地下水中溶解性碳浓度的影响

高原湖泊周边浅层地下水中溶解性碳浓度变化受水、土中物理化学因子的驱动.通过RDA与线性分析相结合发现, 浅层地下水中DOC和DIC均与ORP、pH、DO、T、EC、TN表现出显著线性关系, 但与SOC并未呈现出显著的线性关系(图 6).这与McDonough等[9]的研究结果是一致的.一般来说, 土壤是水体溶解性碳的主要来源, 如Wen等[19]研究发现河水中36.4%的DOC来源于土壤有机碳.然而, 本研究中DOC和DIC与SOC未呈现出显著的线性关系, 可能有两方面原因:一是研究区水文环境复杂, 地下水在区域之间相互流通, 导致溶解性碳浓度及来源发生变化, 从而掩盖了这一线性关系, 以往的研究也发现水文过程控制着水体中溶解性碳浓度变化[29, 30];二是由于研究区土壤黏粒含量(20.58%, 范围5.42%~47.48%)有利于SOC吸附和保存于土壤中, 降低了SOC的分解[31, 32].此外, 土壤碳氮耦合循环也可增加DIC浓度[20]和促进DOC产生[21].浅层地下水中TN是DOC和DIC浓度变化的重要驱动因子, 这主要归因于含水层中碳氮耦合可以通过水中微生物代谢途径来控制DOC浓度, 参与DIC转化为DOC过程, 并以DIC∶NO3-= 9∶1的消耗比率促进DOC产生[21], 且水生生物新陈代谢过程建立了DOC和DIC的内部耦合, 致使部分溶解性碳持续处于有机和无机相的不断循环中[5].

McDonough等[9]研究表明水位埋深每增加10 m, DOC浓度将降低7.7%, 但对DIC浓度没有明显影响[12], 这与本研究结果中SGT显著影响DOC浓度结果一致. Zhong等[33]研究表明, DOC和DIC对温度的敏感指数分别为12.2%/℃和5.5%/℃, 地下水温度每增加1 ℃将会导致DOC浓度增加4.6%[9], 本研究结果也表明地下水温度显著增加了DOC和DIC浓度, 这主要是由于地下水温度增加的同时也增加了土壤区的温度, 饱和含水层土壤温度增加可以刺激微生物活性和增加土壤溶解性有机碳的释放[34], 从而增加地下水中溶解性碳浓度.DO和ORP是衡量氧化还原环境的主要指标, 高原湖泊周边浅层地下水中以氧化环境为主, 当浅层地下水中DO浓度降低时, 可减缓或限制DOC的生物分解, 从而增加地下水中DOC的累积[35].因此, DOC与DO和ORP呈现出显著线性负相关, DO也成为评估地下水体系中DOC的相对生物利用度指标[14].此外, DOC矿化也需消耗DO, 并产生CO2和降低地下水pH[9], 以致于浅层地下水中较高的DOC浓度需维持在高的pH环境下.本研究结果表明DOC和DIC浓度与pH也呈现出显著线性正相关, 但Xu等[12]研究却表明, DOC和pH之间并没有明显的线性关系, 这可能与区域土壤和地下水环境差异所致, 如土壤和地下水呈现出强酸或强碱性都将掩盖这种关系. 而DIC与pH紧密相关, 主要是由于DIC本身以HCO3-为主, 直接影响着pH. DOC和DIC与EC呈现出较紧密的线性正相关, 这与Tiemeyer等[36]的研究结果相一致, 这或许是由于DOC、DIC和EC均会随T升高而增加导致的结果.

3.2 浅层地下水中溶解性碳浓度时空变化的影响因素

由于碳来源和水生生物体系的复杂性[37, 38], 溶解性碳浓度随时间和空间而发生变化, 土地利用[39]、气候变化[9]、水文化学[12, 40]、水生生物代谢[37]、降雨[20]和人为活动[41, 42]等均为主要驱动者.高原湖泊周边浅层地下水中ρ(DOC)、ρ(DIC)和ρ(DTC)范围分别为1.33~43.93、0.71~163.34和2.73~207.23 mg·L-1, 每个湖泊流域浅层地下水中溶解性碳浓度变化范围均较大.这可能是由于8个湖泊流域均存在较多农田和农村相互环绕, 从而导致来源于生活区和农业生产区(包括养殖和种植)的溶解性碳相互混合, 而独立的农田或者生活区来源则相对单一, 从DOC和DIC浓度空间分布发现, 农田和居住区相互交错的集中区域往往会有更多的取样点呈现出较高的DOC或DIC浓度;另一方面, 村庄、城镇等居民区的污水管网或排污设施建设参差不齐, 农田之间种植的作物和农艺管理措施同样存在差异, 这也是导致DOC、DIC和DTC浓度在空间分布上差异较大的主要原因.此外, 8个湖泊流域均属于岩溶断陷湖盆, 不同区域单元之间地质背景同样存在差异(如碳酸盐岩分布不均), 这也可能是浓度变化范围较大的原因.以往研究发现, 降雨和地下水补给会降低地下水中DOC浓度, 如旱季和雨季降雨量每增加10 mm, DOC分别降低9.5%和2.5%, 较高的补给率显著降低地下水中DOC浓度[9, 12].但本研究结果表明, 雨季与旱季浅层地下水中DOC、DIC和DTC浓度均无显著差异, 说明季节变化对浅层地下水中溶解性碳浓度变化影响较弱.一般来说, 在雨季较高的降雨量能加快生活和养殖区的污水泄漏和垃圾渗滤液浸出, 以及动物粪便、土壤中CO2和有机质、有机肥淋溶等[43], 雨季水热条件将促进光合作用和有机质分解[44], 且适宜的增温有利于微生物的新陈代谢, 从而导致雨季溶解性碳浓度升高.然而, 强降雨历时较短的情况下上述作用将会被大大削减, 相反, 降雨和地下水补给将会对DIC和DOC产生稀释效应[45].此外, 旱季和雨季DOC相对生物利用度并没有差异(图 7), 这意味着季节变化也并未明显加速DOC分解, 因而DOC得以持续保存[35].而旱季虽然没有降雨的影响, 但排放的生活和养殖废水、粪便和垃圾渗滤液的泄漏也并未得到稀释, 且旱季抽取地下水灌溉频繁发生, 这不仅加快了土壤中CO2和有机质进入地下水中, 也加速了有机质分解及DOC从生物膜和胶体沉积物中释放[46, 47].因此, 旱季和雨季浅层地下水中DOC和DIC浓度无显著差异.

图 7 DOC和DO的双曲线用以评估浅层地下水中DOC的相对生物利用度 Fig. 7 Hyperbolic function of the DOC vs. DO for assessing the relative bioavailability of DOC in shallow groundwater

异龙湖、杞麓湖和星云湖周边浅层地下水中溶解性碳浓度高于其它湖泊, 程海却显著低于其它湖泊, 这与农业集约化强度和地下水位密切相关[42, 48, 49].本研究发现相比于SIAR、SFAR、CFAR和DIAR浅层地下水中DOC、DIC和DTC浓度分别显著降低了25.8%~56.6%、14.0%~32.9%和16.6%~36.7%, 且DIAR浅层地下水中溶解性碳浓度也均显著低于其它2个农业区.这主要归因于SIAR区域居住人口、村庄和养殖密度高, 以及耕作面积(尤其是蔬菜种植面积)和农业措施(施肥和灌溉等)等均强于其它3个区域, 这些因素极大地增加了DOC浓度, 并间接性地提高了DIC浓度[19, 41, 48].尽管SFAR区域人口、村庄和养殖密度及农业集约化强度高, 但并不像SIAR区域频繁抽取地下水漫灌和降雨直接作用于农田耕层, 加速农田耕层土壤中溶解性碳向地下水的迁移;SFAR区滴灌或喷灌及降雨淋溶均有所减缓了农田耕作面土壤中溶解性碳的淋溶迁移, 以致于SFAR浅层地下水中溶解性碳浓度显著低于SIAR. CFAR区域农田休耕后缺乏施肥[50]、灌溉、土壤翻耕、作物和植被覆盖[39]等干扰, 加之畜禽养殖数量较少, 限制了地上碳源的补给及其向地下水中的迁移, 导致溶解性碳浓度低于SIAR. DIAR区域DOC、DIC和DTC浓度显著低于其它3个农区, 这主要是由于该区地下水位较深所致[9, 12, 49], 较深的地下水位增加了地上碳源向地下水中迁移的距离.此外, 8个湖泊周边的DIC浓度呈现出不同程度的差异, 这可能与各湖泊周边分布的碳酸盐和石灰岩数量、风化作用及其与地下水的交互程度有关.而异龙湖周边浅层地下水中溶解性碳浓度显著高于其它湖泊, 这主要与地下存在大量泥炭土有关, 且农业生产和人为活动的频繁干扰可能增加了泥炭层DOC向地下水中的输入量[51, 52].

4 结论

高原湖泊周边浅层地下水中ρ(DTC)、ρ(DIC)和ρ(DOC)分别为57.84、49.01和8.23 mg·L-1, DOC浓度是全球DOC浓度中值和平均值的6.86倍和2.17倍, 其中ρ(DOC)高于5 mg·L-1的样品占比高达79%.季节变化对高原湖泊周边浅层地下水中DOC, DIC和DTC的影响差异不显著, 但农业集约化强度和地下水位深度显著影响浅层地下水中溶解性碳浓度, 造成异龙湖、杞麓湖和星云湖周边浅层地下水中溶解性碳浓度高于其它湖泊, 程海却显著低于其它湖泊.此外, 人为扰动、生活污水排放和浅层地下水中理化环境因子也显著影响着地下水溶解性碳浓度的变化.

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