西江溶解無機碳時空變異特征及其物源的同位素示蹤.pdf

1、河流水系由于對流域強大的碳匯集、輸移、改造及對近海水域的干擾而引起科學界的廣泛關注。全球經河流輸移入海的碳元素約45﹪以溶解無機碳(DIC)形式存在，年入?？偭考s3.8×10<'14>g，主要來源于碳酸鹽巖和土壤/大氣CO<,2>，其準確測量是研究河流碳循環(huán)的基礎。河流DIC與流域巖性、氣候及水文等因素緊密相關，有研究指出，即使流域內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氣候區(qū)，流域內廣泛分布

2、碳酸鹽巖，如此特殊的地質氣候大背景勢必深刻影響流域DIC的產出，研究其河流DIC的濃度、來源、遷移轉化及對大氣CO<,2>的源/匯性質意義重大。 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月進行了每月一次的周期性觀測采樣和洪水期間的加密觀測(2005年6月)，利用基本水文水化學參數和穩(wěn)定碳同位素來揭示西江DIC濃度及其物源的時空變異特征，并探討控制這些變異的主要過程和機制，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主要物源貢獻率，進而查明西江水系在區(qū)域碳平衡中所扮演的角色，結果表明： 1．觀測期間，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>，呈現明顯的時空變異特征：干流DIC濃度明顯高于支流，且向下游呈減小趨勢，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/礦物化學風化強度的季節(jié)變化，加之洪水期間降水的強烈稀釋作用，導致西江水體DIC濃度呈現汛期較高、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)生強烈的風化作用，自身溶蝕的同時還消耗大量土壤/大氣CO<,2>，極大地促進了陸源無機碳的向海遷移，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、河流水動力及水體生物活動等因素的影響而呈現明顯的時空變異特征：支流水體pCO<,2>季節(jié)變異模式基本吻合，非汛期波動不大且整體較低，其波動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。汛期pCO<,2>受徑流影響波動較大，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>釋放作用的增強又使得年內最低值出現在洪水過境期間。同一觀測時段水體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。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)域性碳平衡預算中應該予以重視。

7、 4．西江段干支流實測δ<'13>C<,DIC>值變化于-17.22～-8.25﹪0，呈現明顯的時空變異特征，流域水熱條件及地層巖性控制下碳酸鹽巖和土壤CO<,2>兩種物源對河水DIC貢獻比例的時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/礦物的化學風化強度存在季節(jié)性差異，導致風化產物“重”HCO<,3><'->和直接隨水排釋的“輕”土壤無機碳對河水DIC的貢獻比例發(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了流域碳酸鹽巖的空間分布格局。此外，伴隨其它過程發(fā)生的碳同位素分餾也會影響河水DIC的同位素組成，干流δ<'13>C<,DIC>向下游缺乏規(guī)律的空間變化趨勢即體現了河流水動力及水體內部生物活動對河水δ<'13>C<,DIC>的影響。 5．利用δ<'13>C質量平衡模型估算河水DIC兩大物源碳酸鹽巖和土壤CO<,2>的相對貢獻率，結果表明，西江段河水DIC

9、兩種物源貢獻率的空間變化對應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移的媒介，每年輸出約2.60～3.20×10<'12>g由流域陸地巖石風化作用消耗的大氣CO<,2>-C，又通過水．氣界面CO<,2>釋放而成為大氣CO<,2>的源，西江段和