硫酸参与的长江流域岩石化学风化速率与大气CO2消耗

流域的岩石化学风化过程是全球碳循环中的重要环节。以往的流域水化学碳汇通量估算大多是基于碳酸的风化作用。而实际上,硫酸和碳酸一样,也参与了流域碳元素的地球化学循环,从而对全球碳循环过程产生影响。长江流域水体近几年出现酸化现象,大部分河段SO42-和Ca2+含量增高,其对应的岩石风化过程和大气CO2消耗速率也发生变化。文章对长江干流及主要支流2013年不同季节的离子组成进行监测,利用水化学平衡法和Galy估算模型,对长江流域岩石化学风化速率和CO2消耗通量进行了估算,对硫酸参与下的长江流域岩石风化和碳循环过程进行了分析。结果表明,长江流域水体离子主要来源于硅酸盐岩风化和碳酸盐岩风化。其中碳酸盐岩风化对河水离子贡献率为92%。在硅酸盐岩广泛分布的赣江流域,碳酸盐岩风化离子贡献也达85%。分析表明,硫酸参与了长江流域的岩石风化过程,对水体中离子产生一定影响。硫酸的参与加快了碳酸盐岩的化学风化速率,平均提高约30%,但是使流域大气CO2消耗速率降低。在不考虑蒸发岩溶蚀作用下,平均从516×103 mol/km2·a降至356×103 mol/km2·a,降低约31%。在各支流中,硫酸对乌江流域碳酸盐岩的风化和碳循环的影响最大,而对雅砻江的影响最小,这与乌江流域的含煤地层、矿床硫化物及大气酸沉降有关。     

硫酸参与的长江流域岩石化学风化与大气CO_2消耗

流域的岩石化学风化过程是全球碳循环中的重要环节。以往的流域水化学碳汇通量估算大多是基于碳酸对岩石的风化作用。而实际上,硫酸和碳酸一样,也参与了碳元素的地球化学循环,从而对全球碳循环过程产生影响。长江流域水体近几年出现酸化现象,大部分河段SO_4~(2-)和Ca~(2+)含量增高,其对应的岩石风化过程和大气CO_2消耗速率也发生变化。文章对长江干流及主要支流2013年不同季节的离子组成进行监测,利用水化学平衡法和Galy估算模型,对长江流域岩石化学风化速率和CO_2消耗通量进行了估算,对硫酸参与下的长江流域岩石风化和碳循环过程进行了分析。结果表明,长江流域水体离子主要来源于硅酸盐岩风化和碳酸盐岩风化。其中碳酸盐岩风化对河水离子贡献率为92%。在硅酸盐岩广泛分布的赣江流域,碳酸盐岩风化离子贡献也达85%。分析表明,硫酸参与了长江流域的岩石风化过程,对水体中离子产生一定影响。硫酸的参与加快了碳酸盐岩的化学风化速率,平均提高约28%。在不考虑硫酸溶蚀作用下,流域大气CO_2消耗速率平均为514.12×10~3 mol/km~2·a,但是硫酸参与时,CO_2消耗速率为467.18×10~3 mol/km~2·a,扣除碳汇量约14%。在各支流中,乌江流域受硫酸影响最大,而对雅砻江的影响最小,这与乌江流域的含煤地层、矿床硫化物及大气酸沉降有关。     

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。     

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。     

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。     

赤水河流域岩石化学风化及其对大气CO_2的消耗

岩石风化碳汇是全球碳汇的重要组成部分,通过对赤水河流域水体主要离子组成进行测定,分析赤水河流域河水水化学特征及其岩石风化过程对大气CO_2的消耗。结果表明:赤水河流域离子组成以Ca~(2+),Mg~(2+),HCO_3~-和SO_4~(2-)为主,河水总溶解性固体(TDS)含量均值为317.88 mg/L,高于全球流域均值(65 mg/L)。元素比值分析表明赤水河流域离子组成主要受岩石风化控制,其中碳酸盐岩风化为主导控制因素,碳酸盐岩、硅酸盐岩对河水溶质贡献率分别为70.77%和5.03%。人类活动和大气降水对流域河水溶质的贡献很小。流域岩石化学风化速率为126.716 t/(km~2·a),高于黄河、长江、乌江及世界河流均值。流域岩石化学风化对大气CO_2的消耗量为10.96×10~9mol/a,岩石风化对大气CO_2消耗速率为5.79×10~5mol/(km~2·a),与长江流域接近,高于黄河流域。     

长江干流水化学成因与风化过程CO2消耗通量解析

长江流域面积巨大,岩性多变,加之三峡大坝等重大水利工程的影响,干流河水的水化学成因存在较大争议。此外,以往研究中流域矿物风化过程的碳汇通量估算一般基于阳离子来源分析,但该算法通常涉及多种矿物端元的参数选取,结果具有不确定性。本次研究对长江干流水化学的时空演变进行了整体分析,并基于上游河水样品HCO₃~-含量的校正与计算,提出了一种计算矿物风化过程碳汇通量的新方法。研究结果表明,蒸发盐溶解、循环盐作用、矿物风化及硫酸盐溶解是控制长江干流河水离子组成的主要水文地球化学作用,而人类活动主要影响了离海距离3 000 km以内河水NO₃~-含量;长江上游干流硅酸盐风化消耗CO₂速率为1.16×10~5 mol/(km~2·a),碳酸盐风化消耗CO₂速率为4.75×10~5 mol/(km~2·a)。本研究有助于加深对长江干流主要水文地球化学作用的认识,丰富和完善碳循环研究理论。     

南水北调中线水源地河水地球化学特征与流域侵蚀

丹江口水库及其上游流域是南水北调中线工程的水源地,本文讨论了水源地河流水化学与锶同位素(87Sr/86Sr)组成变化特征,目的在于了解水源地流域河流地表水溶质的物质来源以及岩石风化侵蚀过程和人为活动的影响。流域内河流水化学组成以Ca2+、HCO3-为主,Mg2+和SO42-次之,反映了碳酸盐岩风化溶解起控制作用的典型特征。水化学分析表明水源地河水受到工农业活动等人为因素的影响;河流87Sr/86Sr同位素地球化学研究表明,流域岩石风化输入至少存在三个不同端员(硅酸岩、石灰岩和白云岩)之间的混合。水源地流域内硅酸岩和碳酸岩的风化侵蚀速率分别为38.6和4.4 t/km2.a,总岩石风化侵蚀速率高于全球河流平均值。     

峨眉山玄武岩化学风化研究——以龙苍沟小流域为例

通过对四川省雅安龙苍沟峨眉山玄武岩小流域的水化学组成研究,分析了不同物质来源对小流域溪水溶解质的贡献,并对该小流域岩石风化速率和CO2消耗速率进行了估算。结果表明,龙苍沟流域溪水呈中性,PH平均值为6.82。溪水中阳离子以Ca^2+为主,约占阳离子总量的56%;阴离子以HCO3^-为主,约占阴离子总量的45%。碳酸盐岩风化、硅酸盐岩风化、大气降水和人为活动对溪水阳离子平均贡献率分别为50.2%、38.2%、10.5%和1.1%。流域硅酸盐岩风化速率为37.54±24.94 t/km^2/yr,硅酸盐岩风化对大气C02消耗速率为5.4±3.6 mol C/km^2/yr。本文首次对我国峨眉山玄武岩省化学风化大气CO2消耗量进行估算,得到其年消耗通量为1.35±0.89×10^11 mol C/yr,约为全球玄武岩CO2年消耗通量的3.31±2.18%。     

硫酸型酸雨参与碳酸盐岩溶蚀的研究进展

碳酸盐岩的H2CO3溶蚀产生岩溶碳汇,占整个岩石风化碳汇的 94%。西南岩溶区硫酸型酸雨严重,硫酸型酸雨广泛参与碳酸盐岩的溶蚀。H2SO4参与的碳酸盐岩风化是一个大气CO2净释放过程,具有减汇作用巨大。另一方面,岩溶区石灰土壤和地下水具有较高的pH值及盐基饱和度,对H+有巨大的缓冲作用,大气酸沉降在碳酸盐岩地区可能并不会造成地下水的HCO3-和pH降低;相反,较高浓度的SO42-所产生的盐效应和SO2-4与各种阳离子形成的离子对会增大方解石、白云石溶解度,可增强H2CO3对碳酸盐的溶蚀,这可能会使岩溶作用产生更大的碳汇效应。因此,硫酸型酸雨参与碳酸盐岩风化的减汇效应不仅可能被高估,硫酸型酸雨还可能增强碳酸盐岩的H2CO3溶蚀,具有增加岩溶碳汇效应的作用。应结合石灰土壤对大气酸沉降的缓冲容量和阈值及大气酸沉降的H+与土壤中盐基离子的交换量,并综合考虑盐效应、离子对作用、同离子效应,客观评价硫酸型酸雨流经石灰土壤层后对碳酸盐岩溶蚀吸收大气/土壤CO2的影响      

大陆剥蚀速率与造山隆升速率研究的某些进展

大陆的机械剥蚀速率与区域高度和地表径流量呈正相关关系。化学溶蚀速率与地表径流量呈正相关关系。在大陆地壳无升降运动条件下，现代大陆剥蚀夷平至海平面只需30－300Ma。大陆平均高度受控于地球内部的放射性热能，由于放射性热能的缓慢衰减而引起大陆平均高度的缓慢降低。剧烈构造运动期间，隆升速率可以是剥蚀速率的数倍，由于隆升的阶段性（短期性）和剥蚀的持续性（长期性）使大陆高度长期发生不断的变化。     

齐齐哈尔市水土流失现状与趋势分析

齐齐哈尔市是黑龙江省水土流失重点治理区之一,也是全省风蚀最严重的地区,耕地水土流失面积占耕地面积的82.2%。分析了水蚀、风蚀的分布情况和草原"三化"状况,论述了水土流失变化趋势,水土流失严重,土壤肥力下降,治理速度落后于破坏速度。扎龙湿地中水利、交通、基础建设工程均占用了大面积湿地,由于干旱缺水造成了严重的水土流失。     

土质陡坡降雨侵蚀的数学模型及求解方法

建立了土质陡坡降雨侵蚀的数学模型,模型包括陡坡细沟间坡面流控制方程、变沟宽陡坡细沟流控制方程、陡坡细沟间坡面侵蚀泥沙连续方程及陡坡变沟宽细沟侵蚀泥沙连续方程。通过紊流冲击分布概率确定土壤剥蚀方程,确定了泥沙源/汇项的表达形式及细沟高程与宽度的表达式。通过有限元和有限差分相结合的方法求解该数学模型,利用有限单元法对数学模型的水动力方程、运动方程及泥沙连续方程进行空间上的离散,利用有限差分法解决时间域的问题,得出了顺序求解的数值计算公式及模型数值求解的具体方法和步骤。     

土壤侵蚀速率研究方法综述

对目前国内外土壤侵蚀研究方法进行了综合分类与介绍,将之分为用于研究现代与地史时期土壤侵蚀两类主要方法。对于现代土壤侵蚀着重介绍了测量方法,遥感方法,地球化学方法,地貌学方法,水文学方法,土壤学方法;地史时期土壤侵速率方法主要介绍了阶地剖面方法和宇宙核素法。并对各种方法的适用范围,优点及局限性进行了讨论。     

利用REE示踪法研究坡面侵蚀过程

次降雨条件下坡面侵蚀形态的演变过程和细沟的发生发展过程是土壤侵蚀规律研究中的重点和难点。利用REE示踪法,采取沿坡面垂直分层布设的新的试验方法,通过室内模拟降雨试验,对坡面侵蚀演变过程进行了探索性研究。结果表明:降雨初期坡面侵蚀以面蚀为主,细沟出现后,坡面侵蚀加剧;随着降雨时间的延续,累积面蚀量和细沟侵蚀量逐渐增加,但后者的增加速率大于前者,面蚀占总侵蚀量的比率随降雨时间呈曲线形式逐渐递减,细沟侵蚀则逐渐增加;试验结束时细沟侵蚀量为面蚀量的2～4倍。本研究为定量区分和研究坡面侵蚀过程中面蚀和细沟侵蚀量,面蚀向细沟侵蚀的转变以及细沟侵蚀发生、发育提供了新的思路和解决途径。     

国内外风蚀监测方法回顾与评述

为了准确认识风沙运动规律、建立风蚀模型,必须对风沙过程进行野外实地监测.鉴于风沙过程的复杂性,目前风蚀监测的方法多种多样.根据监测目的和原理的差异,将现有的主要风蚀监测方法分为风蚀量监测和输沙率监测两大类分别评述.风蚀量监测主要包括集沙盘法,降尘缸法,风蚀盘法,风蚀圈法,示踪法,遥感法,侵蚀针法等;输沙率的监测主要使用...     

The scaling law in the hole erosion test with a constant pressure drop

A process called ‘piping’, which often occurs in the soil at dams, levees, and dykes, involves the formation and development of a continuous tunnel between upstream and downstream ends. The hole erosion test is commonly used to quantify the critical stress and the rate of piping erosion progression. The aim of this study is to draw up a model for interpreting the results of this test. A characteristic internal erosion time is defined and expressed as a function of the initial hydraulic gradient and the coefficient of surface erosion. It is established here that the product of the coefficient of erosion and the flow velocity is a significant dimensionless number: when this number is small, the kinetics of erosion are low, and the particle concentration does not have any effect on the flow. This finding applies to most of the available test results. Theoretical and experimental evidence is presented showing that the evolution of the pipe radius during erosion with a constant pressure drop obeys a scaling exponential law. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

The influence of sediment thickness on energy delivery to the bed by bedload impacts

Fluvial bedrock erosion rates due to impacting sediment particles are thought to be proportional to the energy delivered to the bedrock. When sediment particles cover the bed, they reduce the energy transmitted to the bed by an impacting particle. We measured the decline of energy transferred through sediment cover of increasing thickness in laboratory experiments. The energy arriving at the bed is a function both of the cover thickness and the grain size of the covering sediment. Using a simple stochastic model of cover distribution, the experimental results were upscaled to the reach scale. Although cover thickness influences energy delivery heavily at a given point, when averaging over the whole bed, cover-free areas dominate total energy delivery, making partial energy transfer through the cover negligible when a small or intermediate fraction of the bed is covered by sediment. Partial energy delivery through the bed cover is not negligible when a large fraction or the complete bed is already covered, but in this situation, an erosion threshold may become important. On grounds of the presented data, we expect that the areal distribution of sediment in a bedrock channel dominates total energy delivery and that partial energy delivery to the bed through a sediment layer can be neglected for most modelling purposes.     

岩溶山区土壤耕作侵蚀研究——以重庆市中梁山为例

在岩溶山区采用示踪法证实了锄耕会引起耕作侵蚀。实验结果表明: 岩溶山区单次耕作土壤的最大位移距离为1m 左右;土壤平均位移距离0. 2053～0. 2982m,土壤位移量为42. 364～ 61. 534kg /m;耕作侵蚀速率为141. 21～ 205. 11t /hm2 ,平均侵蚀速率为162. 85t /hm2 ;它们都受坡度的影响,而且在相同坡体长度下,都随地块坡度的增加而递增。地块面积较小、坡体较短,地块破碎是岩溶山区土壤耕作侵蚀严重的重要原因。本文还结合岩溶山区特殊的自然环境条件,提出了加强岩溶山区土壤耕作侵蚀研究的必要性和重要意义。