地表水体是水文循环过程的重要环节, 通过多种方式与大气降水、冰雪融水及地下水发生相互转化.水体化学不仅是地表风化作用过程指示器, 而且可反映区域水化学元素的产生、组成及丰度(蒲焘, 2012) .地表水化学组成受到降水、岩石风化、水体生物和人类活动等诸多因素影响(Bo et al., 2013；Vystavna et al., 2015；Xiao et al., 2015), 广泛应用于区域气候变化(刘小康等, 2015；李承鼎等, 2016) 、环境变迁(王鹏等, 2013)和水循环过程(李广等, 2015)等研究.

青藏高原被誉为全球气候变化“驱动器”(姚檀栋等, 2000), 近50年来该区域气候与环境发生显著变化, 如气温上升(宋辞等, 2012), 冰川融水增加(Yao et al., 2012), 湖泊面积增加、水位上升和离子浓度减少(姜永见等, 2012；李承鼎等, 2016) .青藏高原作为河流、湖泊的主要分布区, 其地表水化学特征研究一直倍受重视.已有研究表明(郑绵平和刘喜方, 2010；田原等, 2014；李承鼎等, 2016), 青藏高原湖泊水化学类型从东南到西北依次为碳酸盐型-硫酸钠型-硫酸钾型-氯化物型, 河流水化学类型主要为Ca²⁺-HCO₃^-型, 且自北向南水中阳离子由以Na⁺为主逐渐过渡到以Ca²⁺为主, 阴离子HCO₃^-逐渐增多, Cl^-与SO₄^2-逐渐减少.近年来青藏高原水体化学研究主要集中在一些大湖, 如羊卓雍错(孙瑞等, 2013) 、普莫雍错(鞠建廷等, 2008) 、纳木错(郭军明等, 2012；王君波等, 2013) 、青海湖等(张飞等, 2013), 对于高山冰湖及其所在流域地表水化学研究成果较少.本文研究区——叶如藏布流域位于喜马拉雅山中段北坡, 自然环境恶劣, 受人类活动干扰较少, 开展该流域地表水体化学研究对于理解喜马拉雅山地区水化学特征及离子来源具有重要意义, 可为该区域地球化学过程研究提供基础资料.

叶如藏布流域(27°50′N~28°10′N, 87°50′E ~88°09′E)位于喜马拉雅山中段北坡, 隶属于朋曲流域, 流域面积为1836 km², 河流全长为90 km.在行政区划上, 叶如藏布流域位于西藏自治区日喀则市定结县境内, 南与尼泊尔和印度锡金邦接壤(图 1) .流域南高北低, 地势起伏大, 平均海拔为5752 m, 属典型高寒地区.受西风环流和南亚季风环流影响, 流域降水集中在6—9月.受全球气候变暖影响, 流域年平均气温以0.063 ℃·a^-1速率上升, 近40年的上升幅度达2.78 ℃(丁永建等, 2006) .叶如藏布支流给曲流域发育大面积的现代冰川, 共96条, 面积为131.32 km².定结县境内出露地层比较复杂, 总体隶属于喜马拉雅地层区, 以扎西岗乡断裂(朋曲断裂)和藏南拆离系(STD)为界, 进一步分为康马-隆子分区, 北喜马拉雅地层分区和高喜马拉雅分区.研究区北部为变质岩, 普遍发育钾长石、斜长石、大理岩与石英砂岩, 中部普遍发育粉砂岩、页岩与灰岩, 南部主要发育石英片岩和大理岩等(邵兆刚等, 2013) .

图 1(Fig. 1)

图 1 叶如藏布流域及采样点分布示意图 Fig. 1 The distribution of water samples in Yairuzangbo Basin

2015年9月利用聚乙烯塑料瓶采集了叶如藏布流域24个地表水体水样(图 1), 其中湖泊水样8个(L1~L8), 叶如藏布及其支流水样8个(R1~R8), 湿地水样7个(W1~W7) 以及1个雨水水样(P1) .样品分析工作在中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室完成.阳离子K⁺、Na⁺、M²⁺、Ca²⁺和NH₄⁺浓度用Dionex-600型离子色谱仪测定, 阴离子F^-、Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-浓度用Dionex-300型离子色谱仪测定, 测试精度均达到ng·g^-1, 测试误差小于0.5%.实验中未测HCO₃^-和CO₃^2-含量, 采用离子平衡方法计算出其浓度.通过电导率仪(DDSJ-308A)对水体中的电导率(EC)和溶解质固体(TDS)进行分析.

叶如藏布流域所采水样pH值为6.88~9.57, 平均值为7.88.24个水样中, 只有采样点R7的pH值小于7而呈弱酸性, 其余水样的pH值均呈弱碱性.L1、R1、W2、W4、W6与W7水样点处水体的pH值略高于自然水体(6~8), 表明湿地水样的pH值偏大于其他性质水体.龙巴萨巴湖湖水的pH平均值为7.64, 低于下游河流的pH值.在研究区域内, 从低海拔到高海拔, 地表水体pH值呈微弱减小趋势, 水体性质表现出从弱碱性向中性递变的总趋势(图 2a).

图 2(Fig. 2)

图 2 地表水体pH、TDS值随海拔的分布 Fig. 2 The variation of TDS and pH of water samples along with the altitude in YairuZangbo Basin

TDS值为12.8~1510 mg·L^-1, 平均值为151.13 mg·L^-1.24个水样中17个水样的TDS值低于100 mg·L^-1, 最高值为定结县城南侧的湿地水样(W7), 最低值为定结县城采集的大气降水(P1) .通常, TDS值小于1000 mg·L^-1为淡水、1000~3000 mg·L^-1为微咸水(Maidment, 1994) .24个水样中23个水样属于淡水, 一个水样(W7) 属于微咸水.龙巴萨巴湖湖水的TDS值平均值为72.16 mg·L^-1, 为淡水.从低海拔到高海拔区域, 地表水体TDS值呈微弱的减小趋势(图 2b).

叶如藏布流域水体主要离子检测结果如表 1所示.24个水样中P1采样点(定结县大气降水)的离子浓度最低(∑=12.20 mg·L^-1), W7采样点(湿地)的离子浓度最高(∑=1565.37 mg·L^-1).叶如藏布流域淡水水样中阳离子以Ca²⁺为主, 微咸水水样中以Na⁺为主.流域上、中游水体的阴离子以SO₄^2-为主, 下游(湿地)水体的阴离子以HCO₃^-为主.流域内阳离子主要为Ca²⁺, 阴离子以SO₄^2-为主, 其次为HCO₃^-, 表现为Ca²⁺-SO₄^2-型, 表明叶如藏布流域的水化学特征比较特殊, 该区域受粉尘影响显著, 这种特殊组合在祁连山等受中亚粉尘影响的典型冰川区也有分布(王彩霞等, 2015) .另外, 在该流域水体中检测出微量的F^-, 含量为0.02~1.30 mg·L^-1.适量氟是人体必需的微量元素, 与人畜健康密切相关, 但过量会对人体产生危害.L7与W2采样点的氟含量高于国家生活饮用水卫生标准(1 mg·L^-1), 但低于世界卫生组织饮用水标准(1.5 mg·L^-1).

表 1(Table 1)

表 1 叶如藏布流域地表水主要离子含量 Table 1 The test result of major ions in surface water samples in YairuZangbo Basin

表 1 叶如藏布流域地表水主要离子含量 Table 1 The test result of major ions in surface water samples in YairuZangbo Basin

Piper图是基于水样中阴、阳离子相对含量的特点反映水中各主要离子的比例, 阴离子三角图以(HCO₃^-+CO₃^2-)-SO₄^2--Cl^-相对含量为三角形的3个顶点；阳离子三角图顶点为(K⁺+Na⁺)-Ca²⁺-Mg²⁺相对含量.叶如藏布流域各种水体的主要阴阳离子组成见图 3, 表明地表水类型以Ca²⁺-SO₄^2-为主.在阴离子三角图中, 除了W7(湿地)采样点之外, 其余采样点紧贴CO₃^2-+HCO₃^-轴分布, 整个流域Cl^-的含量较少.阳离子图中主要落在Ca²⁺一角, 只有一个采样点阳离子靠近K⁺+Na⁺端元.将24个采样点划分为Ca²⁺-HCO₃^-、Na⁺-HCO₃^-、Ca²⁺(Mg²⁺)-SO₄^2-、Na⁺(K⁺)-Cl^-, 其中一个水样属于Na⁺(K⁺)-Cl^-型, 4个水样属于Ca²⁺-HCO₃^-, 其余水样为Ca²⁺(Mg²⁺)-SO₄^2-型, 反映该区的水化学类型主要属于硫酸盐型.

图 3(Fig. 3)

图 3 叶如藏布流域地表水主要离子浓度Piper图 Fig. 3 Piper diagram showing major ion composition of natural water samples in Yairuzangbo Basin

叶如藏布流域水样中各离子含量的变化较大, 相关性分析可探讨该流域地表水化学参数的异同并揭示离子的来源(姜凌等, 2009) .表 3为叶如藏布流域地表水中主要离子之间的相关系数矩阵.F^-与其他离子之间呈现弱的正相关.Cl^-、HCO₃^-、Na⁺和K⁺ 4种离子之间呈现显著正相关, 说明四者之间的共源性好；Ca²⁺与SO₄^2-之间呈显著正相关, 但Ca²⁺与Na⁺、Mg²⁺和K⁺之间的相关性较差, 而Mg²⁺和其它离子之间正相关, 这说明阳离子的来源不同, Na⁺和K⁺的来源一致, 主要来源于碳酸氢盐, 而Ca²⁺主要来源于硫酸盐, 而Mg²⁺的来源比较广泛.

表 2(Table 2)

表 2 叶如藏布流域地表水主要离子的相关系数 Table 2 Correlation coefficients of major ions in YairuZangbo Basin

表 2 叶如藏布流域地表水主要离子的相关系数 Table 2 Correlation coefficients of major ions in YairuZangbo Basin

表 3(Table 3)

表 3 叶如藏布流域地表水主要离子非海洋源来源比例 Table 3 The non-sea-salt source constituents of major cations and anions in YairuZangbo Basin

表 3 叶如藏布流域地表水主要离子非海洋源来源比例 Table 3 The non-sea-salt source constituents of major cations and anions in YairuZangbo Basin

流域水体溶解盐主要来源为海盐(循环盐)、流经地区可溶性岩石的风化物以及人类活动产生的污染物(孙瑞, 2012) .本文选择海盐示踪法研究叶如藏布流域大气输入(海盐成分)对离子来源的影响(肖辉和沈志来, 1993；李宗省等, 2007；董志文等, 2010) .叶如藏布流域地表水体离子Na⁺/Cl^-和Mg²⁺/Cl^-的当量比值都大于海水的相应值, 因此选择Cl^-为海盐源示踪离子, 并根据公式(1) 计算叶如藏布流域离子的非海洋源部分, 结果见表 3.

(1)

式中, NX为X离子非海洋来源的比例；X为离子的实测浓度值；M为示踪离子的浓度值；R为标准海盐中X离子跟M离子的比值, R值参考《大气和海洋化学》(霍兰, 1986) .

由表 3可知, 叶如藏布流域大部分离子主要来源于陆地, 其中HCO₃^-全部受到陆源作用, Na⁺的陆源来源比例最低, 为73%.受陆源影响从小到大排列顺序为：Na⁺＜Mg²⁺＜SO₄^2-＜Ca²⁺＜K⁺＜HCO₃^-.标准海水中阴离子浓度的顺序为：Cl^->SO₄^2-, 而叶如藏布流域大部分水样点阴离子的浓度顺序为：SO₄^2->Cl^-, 反映出陆源物质对叶如藏布流域阴离子的贡献较大, 这可能与叶如藏布流域位于喜马拉雅山中段北坡, 受印度季风影响较弱有关.

为进一步说明叶如藏布流域地表水体主要离子来源的陆源物质, 借助Gibbs图定性判断水体化学类型受流域岩石、大气降水或蒸发-结晶作用影响(Fethand Gibbs, 1971) .Gibbs图是一种半对数坐标图, 纵坐标是水中溶解物质的总量值(TDS), 为对数坐标；横坐标是水样品Na⁺/Na⁺+Ca²⁺或Cl^-/Cl^-+HCO₃^-浓度的比值, 为线性坐标.Gibbs图分析受人类活动影响强烈的河流有一定的局限性, 但叶如藏布流域位于喜马拉雅山中段北坡的高寒区, 人类活动微弱, 因此可以利用Gibbs图判断该流域的水化学成因.由图 4可知, 该地区大部分样品落在岩石风化控制区域内, 远离大气降水作用带, 只有一个采样点落在蒸发结晶控制区域, 表明本流域水文化学过程主要受到岩石风化作用的控制.此外, TDS-Na⁺/Na⁺+Ca²⁺的点在图上出现聚集甚至重叠, 说明该流域地表水体的TDS含量基本处于同一水平, 部分采样点的值落在虚线外, 说明采样点水样中TDS含量小, 这可能与冰川融水补给作用有关.

图 4(Fig. 4)

图 4 叶如藏布流域地表水主要离子在Gibbs图上的分布 Fig. 4 Plots of the major ions within the Gibbs boomerang envelope for water samples in YairuZangbo Basin

一般认为, HCO₃^-来源于硅酸盐或碳酸盐的非全等风化提供；SO₄^2-则来源于蒸发盐及黄铁矿的氧化风化提供(鞠建廷等, 2008) .Ca²⁺和Mg²⁺主要来源是碳酸盐、硅酸盐和蒸发岩的风化, Na⁺和K⁺主要来源是硅酸盐和蒸发岩的风化(孙瑞等, 2012) .水体中(Ca²⁺+Mg²⁺)/(Na⁺+K⁺)浓度的比值可用来判断流域内不同种类岩石风化的相对强度.世界河流水体中(Ca²⁺+Mg²⁺)/(Na⁺+K⁺)浓度的比值为2.2(侯昭华等, 2009) .(Ca²⁺+Mg²⁺)/(Na⁺+K⁺)比值较高, 则指示受碳酸盐风化的控制, 例如印度Brahmaputra河基岩为碳酸盐段, (Ca²⁺+Mg²⁺)/(Na⁺+K⁺)的比值为5.2~11.5(Sarinand Krishnaswami, 1984) .(Ca²⁺+Mg²⁺)/(Na⁺+K⁺)比值较低, 则受蒸发岩控制, 例如塔克拉玛干沙漠周围河流受蒸发岩影响, 比值平均值为0.89(朱秉启和杨小平, 2007) .叶如藏布流域地表水体(Ca²⁺+Mg²⁺)/(Na⁺+K⁺)的比值为0.10~21.95, 平均值为6.01, 主要受到碳酸盐风化, 与羊卓雍错、普莫雍错流域一致.值得注意的是, W7采样点(Ca²⁺+Mg²⁺)/(Na⁺+K⁺)的比值为0.10, 主要受蒸发岩风化的影响.在非碱土金属硅酸盐为主的环境中, 水体中(Ca²⁺+Mg²⁺)/(Na⁺+K⁺)的比值与地壳硅酸盐中的比例1相差较大(鞠建廷等, 2008；Taylor and Scott, 1985), 说明硅酸盐对流域水化学性质的影响较小.

人类活动也会对流域内地表水体的化学组成产生影响, 在叶如藏布流域内主要受农牧业活动影响, 沿河两岸人口、耕地、草场较为集中, 以农业为主, 兼营牧业.通过分析与人类活动密切相关的SO₄^2-和NO₃^-离子的浓度变化, 可探讨人类活动对该流域水化学性质的影响(蒲焘, 2013) .比较发现, 以强木村为界, 以北低海拔地区受到人类活动的影响较大, SO₄^2-和NO₃^-含量普遍较高, 表明农业活动对水体离子组成产生影响.此外, 在水体中也检测出一定量的NH₄⁺, 表明畜牧活动及施肥对该流域的水化学性质产生影响.综上所述, 叶如藏布流域地表水体主要受到陆源物质影响, 特别是可溶性岩石的风化物, 但流域内农牧业活动对水体离子组成也产生一定影响.

1) 叶如藏布流域水化学特征存在显著空间差异.随着海拔升高, 地表水体pH值、TDS值呈微弱的减小趋势.24个水样中23个水样属于淡水, 一个属于微咸水.叶如藏布流域24个采样点中4个水样水化学类型属于Ca²⁺-HCO₃^-, 其余水样为Ca²⁺-SO₄^2-型.流域内阳离子主要为Ca²⁺, 阴离子以SO₄^2-为主, 其次为HCO₃^-, Cl^-含量较少.

2) 叶如藏布流域水样中各离子之间具有不同程度的相关性.F^-与其他离子之间呈现弱的正相关.F^-与其他离子之间呈现弱的正相关.Cl^-、HCO₃^-、Na⁺和K⁺ 4种离子共源性好；阳离子的来源不同, Na⁺和K⁺主要来源于碳酸氢盐, Ca²⁺主要来源于硫酸盐, 而Mg²⁺的来源比较广泛.

3) 叶如藏布流域大部分离子主要来源于陆地, 受陆源影响从小到大排列顺序为：Na⁺＜Mg²⁺＜SO₄^2-＜Ca²⁺＜K⁺＜HCO₃^-.流域水文化学过程主要受到岩石风化作用控制.地表水体(Ca²⁺+Mg²⁺)/(Na⁺+K⁺)的比值为0.10~21.95, 主要受到碳酸盐风化影响, 与羊卓雍错、普莫雍错流域一致.以强木村为界, 叶如藏布流域下游地区受到人类活动影响较大, 特别是畜牧活动及人类施肥的影响.