西江溶解無(wú)機(jī)碳時(shí)空變異特征及其物源的同位素示蹤.pdf

1、河流水系由于對(duì)流域強(qiáng)大的碳匯集、輸移、改造及對(duì)近海水域的干擾而引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注。全球經(jīng)河流輸移入海的碳元素約45﹪以溶解無(wú)機(jī)碳(DIC)形式存在，年入海總量約3.8×10<'14>g，主要來(lái)源于碳酸鹽巖和土壤/大氣CO<,2>，其準(zhǔn)確測(cè)量是研究河流碳循環(huán)的基礎(chǔ)。河流DIC與流域巖性、氣候及水文等因素緊密相關(guān)，有研究指出，即使流域內(nèi)只存在少量碳酸鹽巖，它仍然是河流DIC的主要控制因素。西江流域位處濕熱的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，流域內(nèi)廣泛分布

2、碳酸鹽巖，如此特殊的地質(zhì)氣候大背景勢(shì)必深刻影響流域DIC的產(chǎn)出，研究其河流DIC的濃度、來(lái)源、遷移轉(zhuǎn)化及對(duì)大氣CO<,2>的源/匯性質(zhì)意義重大。 本研究選取西江流域下游西江段干支流水系，于2005年4月-2006年3月進(jìn)行了每月一次的周期性觀測(cè)采樣和洪水期間的加密觀測(cè)(2005年6月)，利用基本水文水化學(xué)參數(shù)和穩(wěn)定碳同位素來(lái)揭示西江DIC濃度及其物源的時(shí)空變異特征，并探討控制這些變異的主要過(guò)程和機(jī)制，估算流域DIC輸出通量、水一

3、氣界面CO<,2>釋放通量及河水DIC主要物源貢獻(xiàn)率，進(jìn)而查明西江水系在區(qū)域碳平衡中所扮演的角色，結(jié)果表明： 1．觀測(cè)期間，西江段干流DIC濃度變化于1.16～2.40mML<'-1>，支流桂江和賀江分別變化于0.83～1.78mML<'-1>和0.74～1.79mML<'-1>，呈現(xiàn)明顯的時(shí)空變異特征：干流DIC濃度明顯高于支流，且向下游呈減小趨勢(shì)，基本與流域碳酸鹽巖的分布格局一致；流域水熱條件的季節(jié)變化引起陸地土壤微生物活性

4、及其CO<,2>含量，以及巖石/礦物化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的季節(jié)變化，加之洪水期間降水的強(qiáng)烈稀釋作用，導(dǎo)致西江水體DIC濃度呈現(xiàn)汛期較高、非汛期較低而洪水期最低的季節(jié)變化特征。 2．大面積分布的碳酸鹽巖在濕熱氣候條件下發(fā)生強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，自身溶蝕的同時(shí)還消耗大量土壤/大氣CO<,2>，極大地促進(jìn)了陸源無(wú)機(jī)碳的向海遷移，西江流域DIC輸出通量約12.95gCm<'-2>yr<'-1>，在已有研究的世界各流域中居中上水平。西江水系年輸出DIC

5、達(dá)4.57×10<'12>gC，占全球河流DIC年輸出總量的1﹪。流量是控制西江流域DIC輸出的決定性因素，汛期和6月洪水期輸出的DIC分別占到了年輸出量的84﹪和40﹪。 3．西江段干支流表水pCO<,2>全年均處于超飽和狀態(tài)，變化于600～11000uatm，因受徑流量、河流水動(dòng)力及水體生物活動(dòng)等因素的影響而呈現(xiàn)明顯的時(shí)空變異特征：支流水體pCO<,2>季節(jié)變異模式基本吻合，非汛期波動(dòng)不大且整體較低，其波動(dòng)主要受控于水體生物

6、呼吸/分解作用和光合作用的彼此消長(zhǎng)。汛期pCO<,2>受徑流影響波動(dòng)較大，初汛期較高而后汛期較低，洪水的稀釋作用及洪水期水-氣CO<,2>釋放作用的增強(qiáng)又使得年內(nèi)最低值出現(xiàn)在洪水過(guò)境期間。同一觀測(cè)時(shí)段水體pCO<,2>存在顯著空間變化，但向下游沒有觀察到明顯的變化趨勢(shì)。西江段干流水-氣CO<,2>釋放通量約8.3～15.6 MgC ha<'-1>yr<'-1>，其作為大氣CO<,2>源的這一作用在區(qū)域性碳平衡預(yù)算中應(yīng)該予以重視。

7、 4．西江段干支流實(shí)測(cè)δ<'13>C<,DIC>值變化于-17.22～-8.25﹪0，呈現(xiàn)明顯的時(shí)空變異特征，流域水熱條件及地層巖性控制下碳酸鹽巖和土壤CO<,2>兩種物源對(duì)河水DIC貢獻(xiàn)比例的時(shí)空變化是其主要原因：水熱條件的季節(jié)變化使得土壤CO<,2>含量及巖石/礦物的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度存在季節(jié)性差異，導(dǎo)致風(fēng)化產(chǎn)物“重”HCO<,3><'->和直接隨水排釋的“輕”土壤無(wú)機(jī)碳對(duì)河水DIC的貢獻(xiàn)比例發(fā)生季節(jié)變化，從而使河水δ<'13>C<,DI

8、C>汛期偏輕而非汛期偏重；干流δ<'13>C<,DIC>明顯較支流偏重則體現(xiàn)了流域碳酸鹽巖的空間分布格局。此外，伴隨其它過(guò)程發(fā)生的碳同位素分餾也會(huì)影響河水DIC的同位素組成，干流δ<'13>C<,DIC>向下游缺乏規(guī)律的空間變化趨勢(shì)即體現(xiàn)了河流水動(dòng)力及水體內(nèi)部生物活動(dòng)對(duì)河水δ<'13>C<,DIC>的影響。 5．利用δ<'13>C質(zhì)量平衡模型估算河水DIC兩大物源碳酸鹽巖和土壤CO<,2>的相對(duì)貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明，西江段河水DIC

9、兩種物源貢獻(xiàn)率的空間變化對(duì)應(yīng)于流域碳酸鹽巖的空間分布格局，干流DIC中由碳酸鹽巖溶蝕貢獻(xiàn)的約占30﹪～48﹪，明顯高于支流(24﹪～40﹪)，且向下游逐漸降低；流域水熱條件的季節(jié)變化則使得碳酸鹽巖溶蝕貢獻(xiàn)率冬春季節(jié)大于夏秋季節(jié)。 6．西江既是陸地碳匯向海轉(zhuǎn)移的媒介，每年輸出約2.60～3.20×10<'12>g由流域陸地巖石風(fēng)化作用消耗的大氣CO<,2>-C，又通過(guò)水．氣界面CO<,2>釋放而成為大氣CO<,2>的源，西江段和