中國(guó)主要河流輸送陸源碳的同位素特征及影響因素
發(fā)布時(shí)間：2021-12-31 14:32
長(zhǎng)江、黃河、珠江和黑龍江是我國(guó)的4條主要大型河流,其淡水和陸源物質(zhì)的輸送對(duì)邊緣海的物理、生物和地球化學(xué)過程具有重要影響。通過碳同位素(13C和14C)與濃度相結(jié)合的方法,研究了4條河流輸送陸源有機(jī)碳（POC和DOC）和無機(jī)碳（PIC和DIC）的同位素特征和通量,通過同位素端元模型對(duì)各河流輸送陸源有機(jī)和無機(jī)碳的來源做了定量計(jì)算并與世界主要河流進(jìn)行了比較。長(zhǎng)江、黃河和珠江輸送的DIC和DOC具有千年尺度的14C年齡,高于世界其他大河流,主要受巖石風(fēng)化以及人類活動(dòng)的影響。黑龍江流域輸送的DIC、DOC及POC具有相對(duì)年輕的14C年齡,這表明其河流碳組分主要受陸源植被有機(jī)質(zhì)降解影響。該研究對(duì)認(rèn)識(shí)我國(guó)主要河流輸送陸源碳的特征、來源和控制因素及對(duì)邊緣海碳循環(huán)的影響具有實(shí)質(zhì)意義。
【文章來源】：地球科學(xué)進(jìn)展. 2020,35(09)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：14 頁
【部分圖文】：
長(zhǎng)江、黃河、珠江和黑龍江河流采樣站位圖
與DIC相比，長(zhǎng)江、黃河和珠江輸送的DOC濃度比DIC要低得多（圖2）。長(zhǎng)江DOC濃度在源頭通天河地區(qū)較高[（158±16）μmol/L]，隨著海拔降低急劇減小，在中國(guó)地勢(shì)第一、二級(jí)階梯交界處的C4站位出現(xiàn)全流域最低值，C4下游DOC濃度逐漸升高，并在C6以下的中下游河段趨于穩(wěn)定，約為120μmol/L。黃河輸送DOC濃度[（129±28）μmol/L]平均略高于長(zhǎng)江和珠江，除源頭H1站位較高外，其余站位濃度差異較小。珠江輸送DOC濃度從上游到下游逐漸增加（82～125μmol/L）。黑龍江流域DOC濃度[（839±244）μmol/L]是4條河流中最高的，比其他河流高7～8倍，且干流濃度高于支流，黑龍江河流與長(zhǎng)江、黃河和珠江最顯著的差異在于其輸送的DOC濃度高于DIC濃度（圖2）。3.2 碳同位素特征
河流輸送DIC很大程度上受到巖石風(fēng)化作用的影響[23,24,59]。長(zhǎng)江源頭流域DIC濃度較高（圖2），流域巖石類型主要為沉積巖[60]（占巖石總量的83%，其中碳酸鹽巖沉積巖占39%），廣泛分布的碳酸鹽巖的風(fēng)化作用是控制河流DIC濃度維持在較高水平的主要因素[26,61～63]。隨著流域徑流量的增加，以及低DIC濃度湖水的注入，從長(zhǎng)江源頭流域到中下游，DIC濃度逐漸降低，而三峽地區(qū)（C8～C11）因?yàn)楹恿餮匕斗植加刑妓猁}巖，也導(dǎo)致該流域DIC濃度較高。Zhang等[28]的研究也發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江源頭及上游是長(zhǎng)江DIC的主要來源，貢獻(xiàn)了中下游47%～61%的DIC通量。相比長(zhǎng)江，黃河流域碳酸鹽巖分布較少[26]（約7%），但其依然具有較高的DIC濃度，且明顯高于其他3條河流。這主要有2個(gè)原因：一是黃河流經(jīng)黃土高原，黃土主要組成為石英、長(zhǎng)石、云母和碳酸鹽[64]，河水中存在大量懸浮顆粒物，而碳酸鹽在高渾濁度河水中更易被溶解，從而維持河水高DIC濃度；二是黃河流域98%區(qū)域位于干旱至半濕潤(rùn)地區(qū)，具有較高的蒸發(fā)速率（1 100 mm/a），全流域年降水量?jī)H為年蒸發(fā)量的一半，蒸發(fā)導(dǎo)致河水中相應(yīng)離子濃度濃縮，從而使黃河DIC濃度一直維持在較高水平[26,64]。珠江流域DIC濃度與長(zhǎng)江中下游DIC濃度相當(dāng)。Guo等[65]研究表明珠江流域DIC濃度有很強(qiáng)的季節(jié)變化，雨季濃度比較低（1 450μmol/L），而旱季濃度相對(duì)較高（2 096μmol/L）。我們的樣品采于雨季早期，反映的是珠江流域正常流量下DIC的變化情況。盡管珠江流域碳酸鹽巖分布廣泛，但其降水較多，年徑流量大，稀釋效應(yīng)導(dǎo)致珠江DIC濃度比黃河低。黑龍江流域裸露巖石、碳酸鹽巖分布較少，風(fēng)化作用較弱，DIC主要來源于有機(jī)質(zhì)的降解，故DIC濃度相對(duì)較低。相比于DIC，長(zhǎng)江中下游（C11～C16)DOC濃度沒有太大的變化，基本處于一個(gè)較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，這也與前人研究結(jié)果一致[13,14,28]，而上游河段DOC有類似于DIC的濃度變化趨勢(shì)。源頭DOC濃度較高，可能主要來自沿岸土壤，土壤中保存的老齡難降解有機(jī)碳通過雨水及冰雪融化等沖刷帶入河流，同時(shí)高原地區(qū)河水水溫常年較低，導(dǎo)致微生物活動(dòng)較弱，難以降解該部分有機(jī)碳，使其可以保留在河水中形成較高的DOC濃度。隨著海拔的降低，降雨量增加，同時(shí)支流增多，長(zhǎng)江干流徑流量增加[66]，稀釋效應(yīng)使得長(zhǎng)江DOC濃度迅速降低；而到了中下游平原地區(qū)，流域內(nèi)不同河段自然環(huán)境和人類活動(dòng)情況比較接近，這使得長(zhǎng)江中下游地區(qū)DOC濃度處于穩(wěn)定水平。黃河源頭H1站位DOC濃度最高，H2站位最低，從H2開始到下游逐漸升高。黃河源頭較高的DOC濃度主要來自于高原草本植物有機(jī)質(zhì)的溶解釋放，因此具有較高的Δ14C值（圖3），與長(zhǎng)江源頭類似，高原地區(qū)生物活性較低，減弱了對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解，導(dǎo)致源頭流域DOC濃度相對(duì)較高。珠江流域DOC濃度在4條河流中最低。因珠江流域處于亞熱帶地區(qū)，盡管植被茂盛，向河水中釋放的有機(jī)質(zhì)較多，但是由于溫度較高，微生物活動(dòng)劇烈，大量植物有機(jī)質(zhì)被迅速降解，導(dǎo)致河水中DOC濃度偏低。而珠江口（Z4），人類生產(chǎn)生活釋放的廢水中含有大量有機(jī)質(zhì)，使得DOC濃度增加，其對(duì)應(yīng)的14C年齡也有明顯增加（圖3）。黑龍江流域DOC濃度相對(duì)較高。相比于長(zhǎng)江和珠江，黑龍江流域雖然生產(chǎn)力相對(duì)較低，但是由于所處緯度較高，年平均氣溫低，微生物活動(dòng)比較弱，導(dǎo)致大量富含有機(jī)物的植物殘?bào)w積累在土壤中，形成黑土，在春季冰雪融水和夏季降水的沖刷和淋溶作用下，大量有機(jī)碳被攜帶進(jìn)入河流中，極大的增加了DOC的濃度。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Dynamics of soil organic carbon following land-use change:insights from stable C-isotope analysis in black soil of Northeast China[J]. Chenglong Tu,Congqiang Liu,Timothy A.Quine,Matthew William Jones,Taoze Liu,Longbo Li,Wenjing Liu. Acta Geochimica. 2018(05)
[2]An Effective Method of UV-Oxidation of Dissolved Organic Carbon in Natural Waters for Radiocarbon Analysis by Accelerator Mass Spectrometry[J]. XUE Yuejun,GE Tiantian,WANG Xuchen. Journal of Ocean University of China. 2015(06)
[3]民用蜂窩煤燃燒排放顆粒物的化學(xué)組成和穩(wěn)定碳同位素特征[J]. 黃衛(wèi),畢新慧,張國(guó)華,黃渤,林欽浩,王新明,盛國(guó)英,傅家謨. 地球化學(xué). 2014(06)
[4]CHEMICAL WEATHERING PROCESSES AND ATMOSPHERIC CO2 CONSUMPTION OF HUANGHE RIVER AND CHANGJIANG RIVER BASINS[J]. LI Jing-ying1, ZHANG Jing2, 3 (1. School of Materials and Environmental Sciences Qingdao University of Science & Technology Qingdao 266042 P. R. China 2. Chemistry and Chemical Engineering College Ocean University of China Qingdao 266003 P. R. China 3. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research East China Normal University Shanghai 200062 P. R. China). Chinese Geographical Science. 2005(01)
[5]天然放射性碳同位素在海洋有機(jī)地球化學(xué)中的應(yīng)用[J]. 王旭晨,戴民漢. 地球科學(xué)進(jìn)展. 2002(03)
本文編號(hào)：3560425
【文章來源】：地球科學(xué)進(jìn)展. 2020,35(09)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：14 頁
【部分圖文】：
長(zhǎng)江、黃河、珠江和黑龍江河流采樣站位圖
與DIC相比，長(zhǎng)江、黃河和珠江輸送的DOC濃度比DIC要低得多（圖2）。長(zhǎng)江DOC濃度在源頭通天河地區(qū)較高[（158±16）μmol/L]，隨著海拔降低急劇減小，在中國(guó)地勢(shì)第一、二級(jí)階梯交界處的C4站位出現(xiàn)全流域最低值，C4下游DOC濃度逐漸升高，并在C6以下的中下游河段趨于穩(wěn)定，約為120μmol/L。黃河輸送DOC濃度[（129±28）μmol/L]平均略高于長(zhǎng)江和珠江，除源頭H1站位較高外，其余站位濃度差異較小。珠江輸送DOC濃度從上游到下游逐漸增加（82～125μmol/L）。黑龍江流域DOC濃度[（839±244）μmol/L]是4條河流中最高的，比其他河流高7～8倍，且干流濃度高于支流，黑龍江河流與長(zhǎng)江、黃河和珠江最顯著的差異在于其輸送的DOC濃度高于DIC濃度（圖2）。3.2 碳同位素特征
河流輸送DIC很大程度上受到巖石風(fēng)化作用的影響[23,24,59]。長(zhǎng)江源頭流域DIC濃度較高（圖2），流域巖石類型主要為沉積巖[60]（占巖石總量的83%，其中碳酸鹽巖沉積巖占39%），廣泛分布的碳酸鹽巖的風(fēng)化作用是控制河流DIC濃度維持在較高水平的主要因素[26,61～63]。隨著流域徑流量的增加，以及低DIC濃度湖水的注入，從長(zhǎng)江源頭流域到中下游，DIC濃度逐漸降低，而三峽地區(qū)（C8～C11）因?yàn)楹恿餮匕斗植加刑妓猁}巖，也導(dǎo)致該流域DIC濃度較高。Zhang等[28]的研究也發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江源頭及上游是長(zhǎng)江DIC的主要來源，貢獻(xiàn)了中下游47%～61%的DIC通量。相比長(zhǎng)江，黃河流域碳酸鹽巖分布較少[26]（約7%），但其依然具有較高的DIC濃度，且明顯高于其他3條河流。這主要有2個(gè)原因：一是黃河流經(jīng)黃土高原，黃土主要組成為石英、長(zhǎng)石、云母和碳酸鹽[64]，河水中存在大量懸浮顆粒物，而碳酸鹽在高渾濁度河水中更易被溶解，從而維持河水高DIC濃度；二是黃河流域98%區(qū)域位于干旱至半濕潤(rùn)地區(qū)，具有較高的蒸發(fā)速率（1 100 mm/a），全流域年降水量?jī)H為年蒸發(fā)量的一半，蒸發(fā)導(dǎo)致河水中相應(yīng)離子濃度濃縮，從而使黃河DIC濃度一直維持在較高水平[26,64]。珠江流域DIC濃度與長(zhǎng)江中下游DIC濃度相當(dāng)。Guo等[65]研究表明珠江流域DIC濃度有很強(qiáng)的季節(jié)變化，雨季濃度比較低（1 450μmol/L），而旱季濃度相對(duì)較高（2 096μmol/L）。我們的樣品采于雨季早期，反映的是珠江流域正常流量下DIC的變化情況。盡管珠江流域碳酸鹽巖分布廣泛，但其降水較多，年徑流量大，稀釋效應(yīng)導(dǎo)致珠江DIC濃度比黃河低。黑龍江流域裸露巖石、碳酸鹽巖分布較少，風(fēng)化作用較弱，DIC主要來源于有機(jī)質(zhì)的降解，故DIC濃度相對(duì)較低。相比于DIC，長(zhǎng)江中下游（C11～C16)DOC濃度沒有太大的變化，基本處于一個(gè)較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，這也與前人研究結(jié)果一致[13,14,28]，而上游河段DOC有類似于DIC的濃度變化趨勢(shì)。源頭DOC濃度較高，可能主要來自沿岸土壤，土壤中保存的老齡難降解有機(jī)碳通過雨水及冰雪融化等沖刷帶入河流，同時(shí)高原地區(qū)河水水溫常年較低，導(dǎo)致微生物活動(dòng)較弱，難以降解該部分有機(jī)碳，使其可以保留在河水中形成較高的DOC濃度。隨著海拔的降低，降雨量增加，同時(shí)支流增多，長(zhǎng)江干流徑流量增加[66]，稀釋效應(yīng)使得長(zhǎng)江DOC濃度迅速降低；而到了中下游平原地區(qū)，流域內(nèi)不同河段自然環(huán)境和人類活動(dòng)情況比較接近，這使得長(zhǎng)江中下游地區(qū)DOC濃度處于穩(wěn)定水平。黃河源頭H1站位DOC濃度最高，H2站位最低，從H2開始到下游逐漸升高。黃河源頭較高的DOC濃度主要來自于高原草本植物有機(jī)質(zhì)的溶解釋放，因此具有較高的Δ14C值（圖3），與長(zhǎng)江源頭類似，高原地區(qū)生物活性較低，減弱了對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解，導(dǎo)致源頭流域DOC濃度相對(duì)較高。珠江流域DOC濃度在4條河流中最低。因珠江流域處于亞熱帶地區(qū)，盡管植被茂盛，向河水中釋放的有機(jī)質(zhì)較多，但是由于溫度較高，微生物活動(dòng)劇烈，大量植物有機(jī)質(zhì)被迅速降解，導(dǎo)致河水中DOC濃度偏低。而珠江口（Z4），人類生產(chǎn)生活釋放的廢水中含有大量有機(jī)質(zhì)，使得DOC濃度增加，其對(duì)應(yīng)的14C年齡也有明顯增加（圖3）。黑龍江流域DOC濃度相對(duì)較高。相比于長(zhǎng)江和珠江，黑龍江流域雖然生產(chǎn)力相對(duì)較低，但是由于所處緯度較高，年平均氣溫低，微生物活動(dòng)比較弱，導(dǎo)致大量富含有機(jī)物的植物殘?bào)w積累在土壤中，形成黑土，在春季冰雪融水和夏季降水的沖刷和淋溶作用下，大量有機(jī)碳被攜帶進(jìn)入河流中，極大的增加了DOC的濃度。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Dynamics of soil organic carbon following land-use change:insights from stable C-isotope analysis in black soil of Northeast China[J]. Chenglong Tu,Congqiang Liu,Timothy A.Quine,Matthew William Jones,Taoze Liu,Longbo Li,Wenjing Liu. Acta Geochimica. 2018(05)
[2]An Effective Method of UV-Oxidation of Dissolved Organic Carbon in Natural Waters for Radiocarbon Analysis by Accelerator Mass Spectrometry[J]. XUE Yuejun,GE Tiantian,WANG Xuchen. Journal of Ocean University of China. 2015(06)
[3]民用蜂窩煤燃燒排放顆粒物的化學(xué)組成和穩(wěn)定碳同位素特征[J]. 黃衛(wèi),畢新慧,張國(guó)華,黃渤,林欽浩,王新明,盛國(guó)英,傅家謨. 地球化學(xué). 2014(06)
[4]CHEMICAL WEATHERING PROCESSES AND ATMOSPHERIC CO2 CONSUMPTION OF HUANGHE RIVER AND CHANGJIANG RIVER BASINS[J]. LI Jing-ying1, ZHANG Jing2, 3 (1. School of Materials and Environmental Sciences Qingdao University of Science & Technology Qingdao 266042 P. R. China 2. Chemistry and Chemical Engineering College Ocean University of China Qingdao 266003 P. R. China 3. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research East China Normal University Shanghai 200062 P. R. China). Chinese Geographical Science. 2005(01)
[5]天然放射性碳同位素在海洋有機(jī)地球化學(xué)中的應(yīng)用[J]. 王旭晨,戴民漢. 地球科學(xué)進(jìn)展. 2002(03)
本文編號(hào)：3560425
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