外源水和外源酸对万华岩地下河系统岩溶碳汇效应的影响

流域的岩石化学风化过程是全球碳循环中的重要环节。近年来流域水化学碳汇通量估算已越来越多地关注到外源水(硅酸盐风化)及外源酸对全球碳循环的影响。文章选取万华岩地下河流域为研究区,流域硅酸盐岩和碳酸盐岩分布面积占比为64%和36%,于2017年对洞口进行为期一年的取样监测,并分别于4月和9月对万华岩地下河系统内13个水点的离子组成进行监测,利用水化学平衡法和Galy模型,对流域岩石化学风化速率和CO2消耗通量进行了计算,对万华岩地下河系统的岩石风化和碳循环过程进行了分析。结果表明,万华岩地下河系统岩石风化消耗CO2的速率为31.02 t·(km2·a)-1;以碳酸岩风化为主,其风化速率为硅酸盐溶蚀的20倍;流域内碳酸盐岩风化对CO2消耗量占到整个流域的92.16%;不同岩石风化类型对碳通量的贡献率以碳酸溶解碳酸盐岩最大,为87.06%;流域上游的外源水对岩溶碳汇具有巨大的促进作用,外源水汇入后碳酸盐岩碳汇速率可以达到无外源水汇入流域的2倍;硫酸溶解碳酸盐岩次之,为9.24%;碳酸风化硅酸盐岩最小,为3.7%,在计算流域碳汇量的时候应将硫酸参与岩石风化的影响去除。     

混合岩溶流域碳酸盐岩溶蚀速率与岩溶碳汇——以漓江流域上游为例

碳酸盐岩矿物的化学风化速率要显著高于硅酸盐岩矿物,碳酸盐岩和硅酸盐岩混合流域中碳酸盐岩矿物风化对河流水化学的贡献占主导。为研究混合岩溶流域碳酸盐岩风化及岩溶碳汇特征,在漓江流域上游大溶江、小溶江、灵渠3个混合岩溶流域选取了24个点放置标准溶蚀试片并测试对应的土壤理化性质。基于雨季和全年试片溶蚀量和土壤理化特征,分析试片溶蚀量的主控因素及季节差异,定量评估大溶江、小溶江和灵渠流域岩溶碳汇强度。结果表明:空中试片溶蚀量主要受控于降雨,植被会部分遮挡降雨,使试片溶蚀量显著下降,而地表和土下碳酸盐岩溶蚀受降雨和水文过程共同控制;雨季碳酸盐岩溶蚀更快,空中试片溶蚀量主要受控于降雨,而地表和土下试片主要受控于土壤水分的变化;基于溶蚀试片法,大溶江、小溶江和灵渠流域岩溶碳汇强度分别为0.75、0.30和2.92 tC?km-2 ?yr-1。      

亚热带典型河流水化学特征、碳通量及影响因素

为揭示碳酸盐岩风化对河流流域化学风化过程及碳汇效应的影响,以流经我国亚热带地区的典型河流——西江为对象流域,在2011年4月~2012年3月对西江阳朔、昭平、梧州三个干流断面每月定期和暴雨期加密分析河水水样。研究结果表明:(1)三个断面都属于偏碱性水质,水化学类型为HCO3—Ca型,电导率沿西江干流逐渐升高,这主要是体现了流域内广泛分布的碳酸盐岩对河水水化学特征的控制作用。(2)在一个完整的水文年中,通过对三个干流断面逐月计算得出西江河口梧州断面碳通量总通量为51.03×108kg CO2/a,昭平段和阳朔段分别为1.55×108kg CO2/a和1.80×108kg CO2/a;碳通量强度分别为15 606.13kg CO2/km2/a、10 373.61kg CO2/km2/a、32 223.08kg CO2/km2/a。(3)流量为岩溶碳通量的主控因子,降雨影响流量,进而影响碳汇效应的这种现象可能会受到人为作用的干扰。三个干流水体HCO3-浓度的变化趋势各有不同,这可能是因为HCO3-浓度与碳通量的关系比较复杂,涉及到不同的反应机理。三个断面的p H值和温度与碳通量没有明显的相关性,这可能是由于生物的"生物泵"作用主要是日变化为主,月尺度的p H和水温变化并不能真正反映p H和温度对碳通量的影响。     

重庆南山老龙洞地下河流域岩溶地下水DIC和δ13CDIC及其流域碳汇变化特征

以重庆南山老龙洞岩溶地下河流域为例,通过分析地下河水DIC变化特征与来源,估算了流域岩溶碳汇通量,并探讨了自然条件和人类活动对岩溶碳汇的影响。研究结果表明,老龙洞地下河的水化学类型为Ca-HCO3-SO4型,显示其形成过程中受碳酸盐岩碳酸溶蚀和硫酸溶蚀共同控制。地下河水DIC浓度为3.1~6.3mmol/L,其中夏季因受降雨稀释作用影响DIC较冬季的低;地下河水δ13CDIC值介于-3.8‰~-13.1‰之间,且夏季比冬季偏高约2‰。根据地下河水DIC浓度和流域径流量计算出流域岩溶净碳汇通量均值约为167.31×103mol/(km2?a)。降雨条件下,流域岩溶碳汇通量随流域径流量的迅速增加而增加。另外,流域碳酸盐岩溶蚀还受到人类活动产生的硫酸型酸雨影响,使得地下水δ13CDIC值相对偏高,它在一定程度上减少了流域碳汇通量。      

珠江流域岩石风化作用消耗大气/土壤CO2量的估算

以流域的岩性、径流量和水化学分析数据为主要资料,利用基于GIS空间分析的GEM-CO2模型,估算珠江流域陆地岩石风化作用消耗大气/土壤空气中的CO2,评价河流流域的碳汇能力。结果表明,珠江流域因岩石溶蚀和风化作用消耗大气/土壤中的CO2量为252×109 mol·a-1(571×103 mol·km-2·a-1),从岩性分析,碳酸盐岩区大气/土壤CO2消耗量为180×109 mol·a-1(1030×103 mol·km-2·a-1),占总量的71.4%。二级流域以西江流域CO2消耗量最大,占珠江流域总CO2消耗量79.4%,北江、东江分别占总量的13.0%、4.9%。珠江流域大气/土壤CO2消耗量大约为世界大河流域平均值的2.3倍。     

非岩溶水和硫酸参与溶蚀对湘南地区地下河流域岩溶碳汇通量的影响

研究非岩溶水和硫酸参与溶蚀对地下河流域岩溶碳汇通量的影响,有助于提高岩石风化碳汇通量估算精度,对于推进地质作用与全球气候变化研究意义重大。选取湘南北江上游武水河流域内4条典型地下河为对象,通过水化学对比分析,揭示硅酸盐岩风化对流域地下水化学的重要影响。运用Galy方法计算流域非岩溶地层中的硅酸盐岩风化消耗大气/土壤CO_2对岩石风化碳汇的重要贡献,并评价了H_2SO_4参与下碳汇通量的扣除比例。结果显示:(1)流域内有非岩溶地层的L01,L02地下河,Na~+,K~+和SiO_2浓度明显高于纯碳酸盐L03和L04地下河,非岩溶地层中的硅酸盐的风化对地下河水中K~+,Na~+,SiO_2浓度有一定贡献;(2)4条地下河的[Ca~(2+)+Mg~(2+)]/[HCO_3~-]当量比值为1.05~1.15,[Ca~(2+)+Mg~(2+)]/[HCO_3~-+SO_4~(2-)]的当量比值为0.99~1.08,Ca~(2+)+Mg~(2+)相对于HCO_3~-过量,过量的Ca~(2+)+Mg~(2+)与SO_4~(2-)相平衡,证实硫酸参与流域碳酸盐岩的溶蚀;(3)L01和L02地下河岩石风化消耗的CO_2通量中非岩溶地层中的硅酸盐风化消耗所占比例分别为3.36%和2.22%,而L03和L04地下河中硅酸盐风化消耗比例小于0.50%,表明有非岩溶地层存在的地下河流域,其岩石风化消耗的CO_2通量中硅酸盐风化消耗占有一定比例;(4)在考虑硫酸参与碳酸盐岩溶蚀时,4条地下河的碳汇通量分别扣除4.84%,4.52%,6.20%和9.36%。     

珠江流域碳酸盐岩与硅酸盐岩风化对大气CO_2汇的效应

对珠江流域11个测站的河水1个水文年4次取样进行水化学和同位素测试分析,揭示无论是碳酸盐岩区还是硅酸盐岩区,岩石风化均使河流的离子成分以HCO3-、Ca2+、Mg2+为主,碳酸盐岩风化溶蚀速率和由碳酸盐岩风化溶蚀引起的大气CO2消耗量分别为27.60 mm/ka和540.21x103mol/(km2·a-1),是硅酸盐岩风化速率和由硅酸盐岩风化引起的大气CO2消耗量的10.8倍和6.7倍,说明碳酸盐岩风化是流域碳汇过程及效应的主体。由于有利的水热条件和高的碳酸盐岩面积比例,珠江流域平均岩石风化速率和由岩石风化作用引起的大气CO2消耗量分别为30.15mm/ka和620.36×103mol/(km2·a-1),为全球60条河流平均值的2.6倍。     

漓江流域丰水期外源酸对岩溶化学风化碳汇的影响

于2020年4月对漓江流域主要干/支流进行采样及监测, 结合Gibbs图、离子比值、Galy模型和同位素特征值方法, 分析流域内水化学特征及外源酸对流域岩溶碳汇的影响。结果显示: (1)受碳酸盐岩风化影响所控制, 漓江水体主要水化学类型为HCO3-Ca; [Ca2++Mg2+]/[HCO– 3]的当量比均值为0.87, [Ca2++Mg2+]/ [HCO– 3+SO2– 4+NO– 3]的当量比均值为1.07, 指示碳酸盐岩风化过程受到外源输入的硫酸和硝酸影响; (2)漓江流域最终出口(阳朔断面)的碳汇通量为974.86×103 mol·(km2·a)–1。各支流碳汇量占总出口比例的波动较大, 比例最小为小溶江, 只占总通量1.44%, 而贡献比例最大则为良丰河35.74%, 甘棠江和良丰河贡献比例合计达57.04%。(3)流域内各支流CO2消耗量的占比均值为10.02%, 存在显著的空间变化, 受不同流域的地质分布和流量的影响明显。(4)外源酸风化碳酸盐岩的DIC贡献率介于13%~55%之间, 空间变化上, 大榕江和桃花江的贡献比例较大, 均高于50%, 而外源酸对阳朔断面DIC贡献率低至13%。     

岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响

有资料显示陆地碳酸盐岩风化消耗大气CO2的碳通量与世界森林碳汇通量量级相当。但农业地区过量施用氮肥形成的硝酸对碳酸盐岩的溶解会减弱岩溶碳汇效应,其量可达到7%~38%,而适量施用氮肥在增加农作物产量的同时,能降低土壤C/N比,增加土壤微生物活性,促进有机物料分解,从而提高土壤CO2浓度,提高土下碳酸盐岩的溶解速率。因此,要从两方面分析岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇效应的影响。同时,岩溶区碳酸盐岩风化形成的土壤具有较高的pH值及盐基饱和度,对H+有较强的缓冲作用,可能是导致自然条件下,河流中溶解无机碳(DIC)与水体中钙、镁等离子并不守恒的原因之一,因此,运用端元法可能过高估算了硝酸对碳酸盐岩的溶解量。岩溶区土壤环境中硝化作用产生的硝酸到底多少能对碳酸盐岩产生溶蚀,并影响到岩溶碳汇效应还有待研究。应结合土壤本身的特性及河流生物地球化学过程,综合研究不同施氮水平、土壤硝化产酸及其影响下的土下碳酸盐岩溶解及碳汇效应过程,客观评价岩溶区土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响,并寻求适宜氮肥施用量及促进岩溶碳循环,提高岩溶碳汇效应的技术方法。      

农业活动对岩溶作用碳汇的影响:以重庆青木关地下河流域为例

以受农业活动影响强烈的重庆青木关地下河流域为研究对象,利用CTDP300多参数水质自动记录仪、WGZ-1型光电数字水位计、HOBO小型气象站在线自动监测电导率、水位以及降雨等数据,并获取流域耕地面积数据,于2010年分月采集地下水样,分析常规水化学和地下水溶解无机碳δ13C,初步探讨流域农业活动对岩溶作用过程和碳汇的影响,发现农业活动对岩溶作用过程产生明显的影响,进而影响到岩溶地质碳汇。地下水水化学以及地下水δ13CDIC值证实了流域地下水DIC是碳酸、硝酸和硫酸共同溶蚀碳酸盐岩的产物;每月碳酸溶蚀碳酸盐岩产生DIC占地下水中总DIC的比例在55.53%～81.25%之间,雨季(62.98%)普遍低于旱季(74.86%);碳酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC的量为14.67×106mol/a,其中岩溶作用产生的净CO2汇量为7.335×106mol/a,而硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生的DIC总量为7.48×106mol/a,约占地下水中总DIC的33.8%,单位面积耕地上硝酸和硫酸溶蚀碳酸盐岩产生DIC的强度为1.89×106mol/(km2.a)。人类活动引入的硝酸和硫酸参与碳酸盐岩的溶解并改变了区域碳循环。     

鄱阳湖流域岩石化学风化特征及CO2消耗量估算

岩石风化过程中所产生的碳汇是全球碳循环的重要组成部分,该领域受到研究全球变化科学家们的普遍关注。文中通过对鄱阳湖流域河水系统的样品采集和化学成分分析,研究了河水化学成分来源及流域岩石风化所产生的碳汇效应。以大气降水、蒸发岩、硅酸岩和碳酸盐岩为4个端员,计算出它们对河水中溶解质的贡献率分别为10．4％、21．9％、30．...     

河流泥沙输移过程中矿物风化的碳汇效应初探——以长江干流为例

本文首先提出了河流泥沙输移过程中泥沙中的钙镁矿物溶蚀消耗水体中的CO2并具有碳汇功能的观点。基于前人长江干流从源头到入海口和支流2003~2007年期间4次河流悬移质泥沙的化学元素组成和矿物组成资料,分析悬移质中CaO、MgO含量和方解石、白云石含量变化特征,定量计算了这些取样点悬移质泥沙的CO2总碳汇能力和非永久性、永久性碳汇能力,分析了不同碳汇能力沿程变化规律及其原因。碳汇计算结果表明：寸滩—大通河段1956~2000年期间泥沙输移过程中钙镁矿物溶蚀产生的总碳汇量、非永久性和永久性碳汇量分别为2572万t/a、1700万t/a和872万t/a。由于输沙量减少,寸滩站—大通站河段的总碳汇量、非永久性和永久性碳汇量2006~2019年期间较1956~2000年期间相应分别减少了1852万t、1224万t和872万t。三峡水库年均淤积量1. 145亿t,损失总碳汇量675. 6万t,相当于三峡电站减排二氧化碳8580万t的7. 9%。全球河流入海年输沙量126. 1亿t,以寸滩- 吴淞口河段碳汇功能0. 060 t/t计,总碳汇量7. 57亿t相当于全球岩石风化碳汇总量10. 56亿t CO2的71. 6%。河流泥沙输移过程中钙镁矿物溶蚀的碳汇量具有重要的作用,其溶蚀速率大于原地风化。     

外源水对岩溶碳汇的影响——以桂林毛村地下河为例

以桂林毛村地下河为对象,研究了外源水对岩溶碳汇的影响。观测计算结果表明:外源水进入岩溶区后,由于内外源水相互混合,提高了岩溶水的溶蚀能力,以致DIC含量不断升高,其碳酸盐饱和指数也逐渐增加,SIc由不饱和达到饱和,增加了岩溶碳汇的通量。2010年9月至2011年3月仅以位于地下河上游的小龙背的外源水补给量和地下河出口的HCO3-浓度进行计算,岩溶碳汇通量由2.28×105g增加至2.04×106g,增加了近10倍。碳汇通量的增加固然与沿途大气降水、植被及土地利用等可能产生的CO2输入有关,但更与外源水加入形成的混合溶蚀作用有关。因此,在岩溶碳汇通量计算中外源水的影响作用不容忽视。      

西江流域化学风化过程及其CO2消耗通量

为深入评估中国南方陆地风化过程及河流物质循环过程, 通过测定西江主要干、支流丰水期及枯水期水体主要离子和锶及其同位素比值, 结合Galy模型对西江流域化学风化特征及CO2消耗通量进行计算。结果表明: (1)西江流域化学风化受人类活动的影响较小, 流域化学风化过程主要受到碳酸的控制。(2)河水阳离子的主要物质来源为硅酸盐岩和碳酸盐岩风化, 硅酸盐岩在丰水期和枯水期的阳离子物质来源摩尔占比均为0.04, 碳酸盐岩中石灰岩占比分别为0.79和0.78, 白云岩分别为0.17和0.18。(3)西江流域在丰水期和枯水期的化学风化过程具有一定的差异性, 由于硫酸参与白云岩的风化作用影响碳酸盐岩风化过程中的CO2消耗通量, 导致各个化学风化过程所涉及的CO2通量有所差别。(4)碳酸风化碳酸盐岩在丰水期和枯水期所消耗的CO2通量分别为(0.78~244.25)×106 mol/km2/yr和(0.10~49.16)×106 mol/km2/yr, 硫酸风化碳酸盐岩所产生的CO2通量分别为(0.25~42.16)×106 mol/km2/yr和(0.01~13.90)×106 mol/km2/yr, 碳酸风化硅酸盐岩所消耗CO2通量的分别为(0.05~17.83)×106 mol/km2/yr和(0.02~6.07)×106 mol/km2/yr。     

Global significance of the carbon cycle in the karst dynamic system: evidence from geological and ecological processes

On the basis of proposing the existence of a karst carbon cycle and carbon sink at a watershed scale, this paper provides four pieces of evidence for the integration of geology and ecology during the carbon cycle processes in the karst dynamic system, and estimated the karst carbon sink effect using the methods of comparative monitoring of paired watersheds and the carbon stable isotope tracer technique. The results of the soil carbon cycle in Maocun, Guilin, showed that the soil carbon cycle in the karst area, the weathering and dissolution of carbonate rocks under the soil, resulted in a lower soil respiration of 25% in the karst area than in a non-karst area (sandstone and shale), and the carbon isotope results indicated that 13.46% of the heavy carbon of the limestone is involved in the soil carbon cycle. The comparative monitoring results in paired watersheds, suggesting that the HCO₃^- concentration in a karst spring is 10 times that of a rivulet in a non-karst area, while the concentration of inorganic carbon flux is 23.8 times. With both chemical stoichiometry and carbon stable isotopes, the proportion of carbon in karst springs derived from carbonate rocks was found to be 58.52% and 37.65% respectively. The comparison on carbon exchange and isotopes at the water-gas interface between the granite and carbonate rock basins in the Li River showed that the CO₂ emission of the karst water is 10.92 times that of the allogenic water from the non-karst area, while the carbon isotope of HCO₃^- in karst water is lighter by 8.62‰. However, this does not mean that the karst water body has a larger carbon source effect. On the contrary, it means the karst water body has a greater karst carbon sink effect. When the karst subterranean stream in Zhaidi, Guilin, is exposed at the surface, carbon-rich karst water stimulated the growth of aquatic plants. The values of carbon stable isotopes in the same species of submerged plants gradually becomes heavier and heavier, and the 512 m flow process has a maximum range of 15.46‰. The calculation results showed that 12.52% of inorganic carbon is converted into organic carbon. According to the data that has been published, the global karst carbon sink flux was estimated to be 0.53-0.58 PgC/a, equivalent to 31.18%-34.41% of the global forest carbon sink flux. In the meanwhile, the karst carbon sink flux in China was calculated to be 0.051 PgC/a, accounting for 68% of its forest carbon sink flux.     

典型岩溶水系统碳汇通量估算

现代岩溶学研究成果表明,碳酸盐岩在全球碳循环中响应极其迅速,水循环过程中的碳汇效应显著。本研究选取广西桂林寨底地下河系统、广西环江大安地下河系统、重庆北碚青木关地下河系统三个典型岩溶地下水系统,利用各系统地下河的流量和HCO3-浓度的监测资料,采用简单化学平衡模式法估算碳汇通量(CO2)。结果显示,寨底地下河系统的单位面积年碳汇通量为68.82 t/(km2.a),大安地下河系统的单位面积年碳汇通量为81.18 t/(km2.a),青木关地下河系统的单位面积年碳汇通量为100.07 t/(km2.a)。分析认为同一个岩溶水系统的结构特征和环境条件基本上是稳定的;地下河的流量和HCO3-浓度是影响岩溶碳汇强度的关键因素,尤其是地下河流量的变化对碳汇强度的影响显著;不同岩溶水系统的碳汇通量不但受水化学条件和地下水动力条件的控制,同时受土地利用变化的影响。该研究对于改进碳循环模型和评价岩溶地质碳汇有重要意义。     

北江河水溶解无机碳同位素的季节变化

在有碳酸盐岩分布的河流流域, 河水地球化学主要反映的是风化速率较高的碳酸盐矿物风化的信息, 而硅酸盐矿物风化的信息往往被掩盖掉.北江流域碳酸盐岩和硅酸岩分布广泛, 为追踪其中的硅酸盐矿物风化的信息, 分析了北江河水中溶解无机碳同位素的时空变化.河水样品按4个季节自北江的上游到下游采集6个样点, 分析结果显示, 除上游武江的采样点同位素值季节变化不大外, 中下游采样点的同位素值有明显季节变化, 主要表现在6月份的δ13C_DIC显著变轻(-16‰~-19‰).在详细剖析矿物风化过程对碳同位素的影响后, 指出除了显著的碳酸盐矿物风化过程外, 北江流域在夏季还存在明显的硅酸盐矿物风化过程, 大大提高了流域的碳汇作用.      

近27a来典型白云岩流域岩溶碳汇变化及其调控机制——以贵州施秉黄洲河流域为例

以贵州省施秉县黄洲河典型白云岩岩溶小流域为例,基于白云石化学平衡热力学方法分别定量估算出1990-1992年、2001-2003年及2016-2018年白云岩流域的年均岩溶碳汇强度,并分析其对气候变化、土地利用调控的响应,结果表明:（1）流域内第二个时段年均有效降雨最大,其次是第一个时段,第三个时段的最小;（2）流域内主要以有林地为主,旱地、建设用地持续增加但增长速率减缓,总体上流域植被覆盖度呈现上升趋势;（3）流域整体的岩溶碳汇强度由大到小依次为2002年、1990年、2016年,水田与旱地对岩溶碳汇贡献较大;（4）气候变化与土地利用共同控制岩溶碳汇,碳汇强度可能不随地类正向演替而增大。