湿地、地下水和季节性因素影响了低地形流域内溪流水质的空间分布

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Wetlands, Groundwater and Seasonality Influence the Spatial Distribution of Stream Chemistry in a Low-Relief Catchment

湿地对低起伏集水区溶解物模式的影响及地下水贡献研究。通过58次同步采样分析28个站点32个月的数据，发现湿地在上游小集水区显著影响DOC、NO3-、SO4^2-浓度，但下游地下水输入掩盖了湿地效应，导致整体化学模式稳定。空间稳定性指数显示所有溶解物均保持高时空稳定性，方差崩溃尺度显示DOC在25km2时收敛，NO3-、SO4^2-在50km2后因地下水贡献呈现反向趋势。研究强调低起伏集水区需同时考虑地表湿地与地下水过程，传统高起伏集水区模型不适用。

　　在地球科学领域，研究流域内的水化学模式对于理解生态系统和水文过程至关重要。通常，我们对高地形流域中的水溶质空间分布和其控制因素有较为深入的认识，因为这些流域的溶质输送路径往往与地表地形一致。然而，在低地形流域中，由于地下水地质异质性和河流廊道特征（如湿地）的影响，溶质模式的控制因素尚不明确。本研究通过在低地形湿地丰富的流域中开展58次同步调查，覆盖28个站点，历时32个月，收集了溶质模式的数据集，以确定主要的地表和地下控制因素，以及湿地对流域内溶质分布的影响。研究发现，湿地的储水、处理和输送作用在最小的子流域中才较为明显，而下游的季节性变化和湿地影响可能被大型地下水输入对主河道的贡献所掩盖。这些发现强调了在低地形流域研究中，纳入地下水贡献的重要性，同时表明要理解湿地对水化学的整体影响，需要在多种空间和时间尺度上进行采样。因此，在低地形湿地丰富的流域中，建模工作可能需要同时考虑地表和地下水文数据与过程。

研究的背景在于，水化学模式是流域生态和水文过程的重要指标。湿地作为重要的水文系统，可以显著影响溶质趋势，尤其是在低地形流域中。然而，湿地对水化学的影响在以往的研究中常常被低估，尤其是在高地形流域中，湿地的作用相对较小。为了弥补这一知识空白，本研究采用了同步采样和生态水文指标来分析低地形湿地丰富的流域中的溶质模式。研究对象是位于美国密歇根州西南部的Augusta Creek流域，其面积为102平方公里，主要由湿地、农业和森林覆盖，其中湿地占比超过14%。由于湿地在水文和土壤特征中的重要性，我们预计它们会对溶质模式产生显著影响。

在方法部分，研究团队在October 2021至June 2024期间，每隔两到三周对Augusta Creek主干流和支流进行同步采样，共采集了1622个样本。采样点分布均匀，覆盖整个流域，并且每个采样点的面积范围从0.4平方公里到102平方公里。通过使用生态水文指标（包括空间稳定性、方差坍缩和子流域杠杆），研究团队评估了不同尺度下溶质变化的控制因素。其中，空间稳定性用于衡量溶质浓度排名随时间的变化，方差坍缩用于确定浓度变化显著减少的空间尺度，而子流域杠杆则用于评估每个子流域对整体流域溶质贡献的影响。这些指标的计算基于R统计软件，以及从美国地质调查局（USGS）监测站获得的长期数据。

研究结果显示，尽管湿地在低地形流域中广泛分布，但溶质浓度的变化在时间上表现出高度的稳定性。在所有采样日期中，DOC（溶解有机碳）、NO3^-（硝酸盐）、SO4^2-（硫酸盐）和Cl^-（氯离子）的浓度排名均保持一致，表明这些溶质在流域中的分布模式相对稳定。这与我们最初的预测（H1）不同，即湿地过程会通过季节变化影响溶质的时空模式。例如，在夏季和冬季的采样中，DOC的浓度有所波动，但整体趋势并未表现出显著的季节性变化，而NO3^-和SO4^2-的浓度则显示出一定的季节性变化，但在更大的子流域中，这种变化被地下水输入所掩盖。Cl^-的浓度在所有子流域中表现出较高的稳定性，这与地下水输入为主导的预期一致。

此外，研究团队发现，对于NO3^-和SO4^2-，方差坍缩的空间尺度在较大的子流域中发生，这表明这些溶质在较大的子流域中具有更高的浓度，而与湿地的影响无关。这一发现表明，低地形流域中的溶质模式可能受到更广泛的地下水输入的影响，而非仅限于湿地。因此，尽管湿地在小尺度上对溶质有显著影响，但在大尺度上，地下水可能成为主导因素。同时，子流域杠杆分析显示，虽然某些子流域对整体溶质贡献有较大影响，但大多数子流域的贡献较小，这表明地下水在溶质输送中的重要性。

研究还探讨了地下水输入对水化学模式的影响。通过在稳定流期测量主干流24个地点的流量，研究团队发现，随着子流域面积的增加，特定流量（q）显著增加，尤其是在超过25平方公里的子流域中。这一结果表明，地下水输入在低地形流域中扮演了重要角色，特别是在较大的子流域中。此外，Cl^-的浓度变化在较小的子流域中较为显著，但在更大的子流域中趋于稳定，这进一步支持了地下水输入对水化学模式的主导作用。

讨论部分强调了研究结果的特殊性。尽管湿地在低地形流域中广泛分布，但它们对溶质模式的影响可能被地下水输入所掩盖。例如，NO3^-和SO4^2-的浓度在较大的子流域中显著增加，而湿地在小规模子流域中可能发挥主要作用。然而，这些溶质的浓度在大流域中趋于稳定，这可能与地下水输入有关。同时，Cl^-的浓度在小流域中变化较大，但在大流域中保持稳定，这与地下水输入为主导的预期一致。

研究还指出，低地形流域的水化学模式可能受到多种因素的影响，包括地表过程和地下水过程。因此，在建模和管理低地形流域的水化学时，需要综合考虑地表和地下水文数据与过程。此外，研究结果表明，传统的高地形流域模型可能不适用于低地形流域，因此需要发展新的模型和方法来适应这些流域的特殊性。

总之，本研究通过同步采样和生态水文指标，揭示了低地形湿地丰富的流域中溶质模式的复杂性。研究发现，湿地的影响可能被地下水输入所掩盖，因此在理解这些流域的水化学模式时，需要综合考虑地表和地下水文过程。此外，研究强调了在低地形流域中，地下水输入可能成为主导因素，特别是在较大的子流域中。这些发现对于未来的流域研究和管理具有重要意义，特别是在如何综合考虑地表和地下水文过程以准确模拟和管理水化学方面。