岩溶水库热结构变化对水体溶解无机碳及其同位素的影响过程

以中国南方亚热带地区典型的地下水补给型水库——大龙洞水库为对象,于2018年1月、4月、7月、10月、12月分别在上、中、下游三个监测点进行采样,探究水库热结构变化对于水体无机碳及其同位素的影响过程及机理。结果表明:（1）大龙洞水库水体在一个水文年中呈现周期性的混合期—分层期—混合期的热结构变化,4月热分层开始显现,7月逐渐显著呈现完整的热分层,10月以后热分层逐渐消失,水体逐渐实现混合;（2）水体热分层是溶解无机碳（DIC）浓度与碳稳定同位素（δ13C_DIC）值变化的主要驱动力。表水层中DIC主要受水—气界面二氧化碳脱气、水生生物光合作用控制,其DIC浓度与δ13C_DIC值分别为3.22 mmol·L?1和?9.15‰;温跃层中DIC主要受有机质降解过程影响,其DIC浓度与δ13C_DIC值分别为3.43 mmol·L?1和?9.70‰;底水层中DIC主要受碳酸盐沉淀过程影响,其DIC浓度与δ13C_DIC值分别为4.32 mmol·L?1和?11.89‰;（3）三种过程伴随水库热结构的变化而变化,驱动DIC浓度及其同位素的变化梯度 G (DIC)与 G (δ13C_DIC)的变化,表现为底水层＜表水层＜温跃层。热分层结束进入混合期后,DIC浓度与δ13C_DIC值的时空差异均逐渐消失,最终表现出DIC浓度与δ13C_DIC值的均一化。      

激光光谱技术在溶解无机碳碳同位素分析中的应用

天然水溶解无机碳（DIC）碳同位素组成（δ13CDIC）分析是研究碳元素循环及相关生物地球化学过程的重要手段之一。近年来,激光光谱技术的发展为碳同位素比值测定提供了一种新的方法。文中阐述了一种总有机碳仪—激光光谱同位素仪联用在线测定水中DIC含量及δ13CDIC值的技术方法。该方法具有较高的测试精度,DIC含量测试结果相对标准偏差能控制在1%以内,δ13CDIC值精度优于±0.1‰（1σ）。不同类型岩溶水δ13CDIC值的测试结果与质谱仪法结果接近,差值总体≤0.3‰,表明该测试技术具有较高的准确度。由于吸收光谱信号与目标气体浓度有关,较低的CO2浓度会影响激光光谱仪的稳定性,在测试时需要根据DIC浓度控制样品进样量,最好采用多标样法来校准仪器测量值。激光光谱技术因其具有低成本、测试快速可靠,且仪器小巧便携等特点,在岩溶水溶解无机碳碳同位素分析中具有较大应用前景。      

咸化水体中DIC的同位素组成及环境过程分析

系统采集了天津地区地表水样品,对其溶解无机碳的稳定碳同位素比值(δ13CDIC)及相关化学组成进行了全面测定,以期对咸化并且受到污染水体中的溶解无机碳的来源和迁移转化特征进行探讨.研究结果显示,天津地表水中溶解无机碳的δ13CDIC值主要分布于0.27‰～ -14.9‰之间,显示了相对较宽的分布范围.同时,天津地表水体...     

硫酸侵蚀碳酸盐岩对长江河水DIC循环的影响

对长江及其主要支流河水水化学和溶解无机碳（DIC）同位素组成（δ13GDIC）进行了研究。河水阳离子组成以Ca^2＋、Mg^2＋为主,阴离子以HCO3-、SO4^2-为主,水化学组成主要受流域碳酸盐岩矿物的化学侵蚀控制。DIC含量为0．3～2．5mmol／L,从上游到河口逐渐降低。δ13CDIC值为-12．0‰-3．4‰,与DIC含量具有相似的变化趋势。H2CO3溶解碳酸盐岩是控制河水DIC来源及其占δGDIC组成的主要机制。H2SO4溶解碳酸盐岩加剧了流域碳酸盐岩的化学侵蚀,一方面导致了河水的DIC含量增加,另一方面也使河水的δ13GDIC值升高。     

贵州洪家渡盆地泉水水化学和碳同位素特征及成因

泉水是洪家渡盆地居民的重要饮用水源,近些年随着人类活动的增强,泉水水质呈恶化趋势。为查明泉水中污染物来源及其地球化学过程,采集15组具有代表性的水样分析水化学、溶解无机碳（dissolved inorganic carbon,DIC）碳同位素(δ13CDIC)特征。结果显示泉水组分以Ca2+、Mg2+和HCO-3为主,富集SO2-4,硫酸、硝酸与碳酸共同参与了研究区碳酸盐岩风化。泉水Na+、Cl-、K+和NO-3主要来源于肥料（如化肥、粪肥）和污水,SO2-4主要来源于煤层中硫化物氧化、雨水和污水。S01和S09泉因NO-3超标已不可直接饮用。泉水δ13CDIC值主要受碳酸盐岩溶解和土壤CO2的控制,但硫酸、硝酸参与碳酸盐岩风化使泉水δ13CDIC值偏正,且SO2-4、NO-3浓度上升;而硫酸盐细菌还原作用和反硝化作用及人为输入污染物中有机质的降解导致泉水δ13CDIC值偏负。诸多因素导致泉水δ13CDIC值在-17.72‰~-8.74‰之间,平均值为-11.58‰。研究证实δ13CDIC与水化学相结合是探讨碳的生物地球化学过程及示踪岩溶区地下水污染物来源行之有效的方法。     

云南白水台钙华池出入口水化学和δ13CDIC昼夜变化的影响因素及水生光合作用影响比例的计算

钙华是岩溶区常见的次生化学沉积物,也是陆地气候环境信息的高分辨率载体之一。它的形成常常与水生植物有关,后者的新陈代谢过程可能会改变水中溶解无机碳(DIC)的同位素组成,进而影响钙华的碳同位素值。然而在古环境重建中,水生植物引起微环境变化所造成的影响常常被研究者忽视。本研究选取了白水台两个具有丰富沉水植物的钙华水池,对水池入口、出口的水化学和DIC的碳同位素组成(δ13CDIC)进行了高分辨率的昼夜观测和取样分析。结果显示,在低浓度DIC水体（S1-3）补给水池时,水池出口与入口之间的δ13CDIC的变化很小,主要反映的是出口δ13CDIC继承入口δ13CDIC,反映了滞后效应对水体δ13CDIC的控制;而在高浓度DIC水体（S1-1）补给水池时,水池出口与入口之间的δ13CDIC的变化主要受脱气作用控制。通过对水生光合作用影响比例的计算发现,由于库效应的存在,水生植物的光合作用对δ13CDIC的影响很小。      

淡水双壳类壳体碳同位素研究:以河蚬(corbicula fluminea,Müller 1774)为例

双壳类壳体碳酸盐(文石)稳定同位素组成已被广泛地用于古气候和古环境重建研究中,但是双壳类壳体碳同位素组成所指示的气候和环境意义一直是争议的问题.对双壳类河蚬(corbicula fluminea)进行了室内养殖,并选取两个壳体样品(壳高,A=13 mm,B=9mm),测定其生长部分壳体和生长期间水体碳同位素,研究表明,随着水体碳同位素的升高(δ13CDIC由-5.24‰升至1.41‰),两壳体碳同位素也随之升高,表明水体对壳体碳同位素的影响;δ13CA分布范围为-4.76‰～2.09‰,δ13CB为-8.49‰～2.89,壳体A和B碳同位素均比预测平衡值偏负,表明壳体在形成过程中利用了新陈代谢产生的富集12C的CO2.根据计算壳体A在实验中沉淀部分壳体利用新陈代谢碳的比例(M值)为24%～43%,平均值为33%;壳体B为33%～75%,平均值为58%.M值随生物的生长呈下降变化,这说明在实验中河蚬主要是通过增加对DIC的吸收和利用来满足壳体生长对物质量增加的需求.     

内陆水体溶解无机碳同位素研究进展及展望

碳是陆地生态系统中最重要的生命元素,能够在各个圈层之间相互转换和运移。碳循环作为地球各圈层相互连接的纽带,被认为是地表系统最重要的元素地球化学循环。碳在水体中主要以溶解性有机碳（dissolved organic carbon,简称DOC）和溶解性无机碳（dissolved inorganic carbon,简称DIC）形式存在。内陆水体（包括河水、地下水、湖水和水库等）尽管只占陆地表面1%,但它们在碳循环过程中发挥了重要作用。其DIC浓度(CDIC)和DIC同位素组成(δ13CDIC)可以为碳循环研究提供线索,因此成为近年来国际研究的热点之一。本文系统总结了全球内陆水体DIC同位素的研究进展。DIC同位素具有广泛的地质应用,不同碳源具有独特的同位素特征。因此,DIC同位素被用于定性和定量地示踪碳源,指示碳循环过程以及确定河水补给端元。     

西藏搭格架地热区天然水的水化学组成与稳定碳同位素特征

为探究青藏高原搭格架地热区地热水、湖水、河水、冰雪融水等天然水体的水化学组成及物质来源控制因子,于2014年8月对该地区进行了考察和取样。利用紫外-可见光分光光度计和ICP-OES测定了水样中各阴、阳离子含量,利用Gas Bench连接同位素质谱仪测定了水样中溶解无机碳（DIC）同位素比值。结果表明,地热水中总溶解固体（TDS）含量为977.13~1 279.50 mg/L,阳离子以K+和Na+为主,阴离子以HCO3-和Cl-为主,湖水的TDS含量为77.81~810.94 mg/L,阳离子以Na+和Ca2+为主,阴离子以HCO3-(CO32-)和SO42-为主,地热水和湖水的水化学类型为HCO3-Na型;河水和冰雪融水的各离子含量较低,水化学类型为HCO3-Ca型;地热水的DIC浓度范围为9.2~15.4 mmol/L,δ13CDIC值为-9.09‰~-0.95‰;湖水的DIC浓度为1.1~9.7 mmol/L,δ13CDIC值为-8.84‰~-0.27‰。根据水化学Gibbs分布模式图判断出区域水化学特征主要受硅酸盐岩风化控制,以钠长石和钾长石风化为主,但是地热水的水化学组分受到硅酸盐岩和蒸发盐岩共同控制。通过碳同位素比值分析对区域主要风化过程中CO2的来源示踪表明,湖区周围的硅酸盐风化其碳源主要为土壤CO2,热泉区硅酸盐水解其碳源为地球深部CO2输入。      

贵州七星洞系统中水文地球化学特征对滴水δ~(13)C_(DIC)的影响及其意义

2003年4月至2004年5月,笔者对贵州七星洞(QXD)进行了较为详细的监测,逐月采集了土壤水和洞穴滴水等样品,分别测定了样品的稳定碳同位素组成和水文地球化学参数。结果显示,9个滴水点同期的溶解无机碳同位素值(δ13CDIC)之间存在着大的差异,最大达6.9‰;δ13CDIC值偏重的Ⅰ组滴水,其Ca、Sr、HCO3、电导率(EC)和方解石饱和指数(SIC)等水文地球化学指标偏小,而Mg/Ca比值偏大,Ⅱ组则相反;不同滴水点的δ13CDIC值分别与相应滴水的Ca、Sr、HCO3、EC、Mg/Ca和SIC等水文地球化学指标之间存在较好的相关关系。进一步分析表明,与土壤水δ13CDIC平均值-9.9‰相比,Ⅰ组1#、2#、6#、7#和8#滴水点δ13CDIC值偏重4.5‰～5.7‰,主要是由大量的基岩溶解以及前期方解石沉积(prior calcite precipitation,PCP)共同作用的结果;Ⅱ组3#、4#、5#和9#滴水点δ13CDIC值偏重0.6‰～1.6‰,受基岩溶解和PCP过程影响较小,尤其是9#滴水点受影响最小。因此,若不考虑基岩溶解和PCP过程影响作用,将会极大地影响洞穴化学沉积物碳同位素记录的准确解释。     

水生植物对岩溶区河水地球化学昼夜变化的影响——以漓江为例

为研究河流非岩溶区断面和岩溶区断面生物地球化学昼夜变化过程、特征及影响因素,探讨水生生物对岩溶区河水碳汇作用的影响,于2016年10月30日-2016年11月1日,在广西桂林漓江干流非岩溶区的峡背和岩溶区的省里设置两个监测点同时开展了为期48小时的高分辨率在线监测和高频率取样工作,研究其水文参数(电导率(EC)、水温(T)、pH以及Ca2+、HCO-3、NO-3等离子和溶解无机碳同位素(δ13CDIC)等水化学参数的昼夜变化规律,并分析其影响因素。发现:（1）峡背和省里两断面水化学类型为HCO3－Ca型,但水文地球化学昼夜变化过程不同:省里断面的物理化学参数昼夜变化显著,T、pH、DO、SIC白天上升夜间下降,Ca2+、HCO-3的质量浓度和EC、p (CO2)白天降低、夜晚上升;而峡背断面理化指标昼夜变幅小,这与峡背断面处于岩溶区与非岩溶区交界处,非岩溶河流汇入、生物量较小等环境特征有关。（2）省里断面营养元素(NO-3、SO42-、Cl-、Na+)昼夜变化过程主要受水生植物同化作用控制,呈现白天降低、夜间升高的变化规律。（3）峡背断面和省里断面TOC 与DOC白天上升、夜间下降,最高日变化幅度可达79%和61%,利用端元混合模型计算得出省里断面和峡背断面内源有机碳占总有机碳的比例分别为91.99%和88.39%,省里断面和峡背断面水生植物光合作用利用HCO-3作为无机碳源的比例为67.42%～99.75%和57.76%～69.78%,平均值分别为79.54%和63.13%。（4）省里断面溶解无机碳(DIC)变化范围为67.1～115.9 mg·L-1,平均值为96.5 mg·L-1,呈现白天下降夜间上升的变化。δ13CDIC变化范围-7.8‰～-9.9‰,平均值为-8.9‰,表现为白天偏重、晚上偏轻的动态变化,两者呈显著的负相关关系(相关系数为-0.79)。研究表明省里断面水生植物光合作用和呼吸作用以及钙沉降是控制DIC昼夜变化的主导因素。通过估算监测期间省里断面光合作用DIC转化速率平均值为1.2×10-5 mmol·L-1·S-1,Ca2+离子的沉积速率平均值为0.18×10-5mmol·L-1·S-1。因此,岩溶区河段水生生物光合作用及其固碳能力较非岩溶区河段明显增强。      

桂西北典型峰丛洼地降雨过程中地表水溶解性碳和δ^13CDIC变化特征

文中研究了中国科学院环江喀斯特农业生态系统观测站内的地表水（地表径流和溪流）中溶解性有机碳（DOC）和溶解性无机碳（DIC）及其同位素组成在两次降雨事件中的连续变化特征。在两次降雨中DOC和DIC输移量分别为107．1和812．5kg,分别约为无降雨条件下相同时间内IX）C和DIC输移量的64和8倍。降雨时洼地溪流下游...     

Damming effects on dissolved inorganic carbon in different kinds of reservoirs in Jialing River,Southwest China

To assess the effects of river damming on dissolved inorganic carbon in the Jialing River, a total of 40 water samples, including inflow, outflow, and stratified water in four cascade reservoirs (Tingzikou, Xinzheng, Dongxiguan, Caojie) were collected in January and July, 2016. The major cations, anions, and δ¹³C_DIC values were analyzed. It was found that the dissolved compositions are dominated by carbonate weathering, while sulfuric acids may play a relatively important role during carbonate weathering and increasing DIC concentration. Different reservoirs had variable characteristics of water physiochemical stratification. The DIC concentrations of reservoir water were lower in summer than those in winter due to the dilute effects and intensive aquatic photosynthesis, as well as imported tributaries. The δ¹³C_DIC values in Tingzikou Reservoir were higher during summer than those in winter, which indicated that intensive photosynthesis increased the δ¹³C_DIC values in residual water, but a similar trend was not obvious in other reservoirs. Except for in Xinzheng Reservoir, the δ¹³C_DIC values in inflow and outflow reservoir water were lower than those in the surface water of stratified sampling in summer. For stratified sampling, it could be found that, in summer, the Tingzikou Reservoir δ¹³C_DIC values significantly decreased with water depth due to the anaerobic breakdown of organic matter. The significant correlation (p < 0.01 or 0.05) between the DIC concentrations, the δ¹³C_DIC values and anthropogenic species (Na⁺+K⁺, Cl^–, \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)and \({\text{NO}}_{3}^{ - }\)) showed that the isotope composition of DIC can be a useful tracer of contaminants. In total, Tingzikou Reservoir showed lacustrine features, Xinzheng Reservoir and Dongxiguan Reservoir had “transitional” features, and Caojie Reservoir had a total of “fluvial” features. Generally, cascade reservoirs in the Jialing River exhibited natural river features rather than typical lake features due to characteristics of reservoir water in physiochemical stratification, spatiotemporal variations of DIC concentrations and isotopic compositions. It is evident that the dissolved inorganic carbon dynamics of natural rivers had been partly remolded by dam building.     

样品采集和保存方法对水中溶解无机碳同位素分馏的影响

为探明不同的样品前处理方法对水中溶解无机碳同位素的影响,寻找最佳的样品前处理方法,本文系统研究了不同样品采集方法（顶空样品瓶和聚乙烯瓶）和保存方法（不同的温度和是否加饱和氯化汞）以及储存时间对不同类型水样溶解无机碳同位素值的影响。结果表明:在水样类型相同的情况下,顶空瓶法较聚乙烯瓶法采集的水样δ13CDIC值更稳定;用聚乙烯瓶采集水样,加入饱和氯化汞能抑制微生物生长,不加饱和氯化汞的水样δ13CDIC值变化无规律且幅度大,而加了饱和氯化汞的水样δ13CDIC值更接近初始值,但随保存温度的升高和保存时间的推移,其δ13CDIC值逐渐偏重,主要受温度升高有利于HCO3-水解并释放CO2的影响;不同类型水样在不加饱和氯化汞条件下,随保存时间加长,岩溶水的δ13CDIC值较初始值偏重,混合水和非岩溶区水δ13CDIC值较初始值偏轻。实验表明,用顶空样品瓶采集的水样保存100天,δ13CDIC最大变化值为0.42‰;用顶空样品瓶采集的水样保存时间长,δ13CDIC值变化小,最能反映样品的初始值,是最佳的样品前处理方法。用聚乙烯瓶采集的水样加饱和氯化汞并保存在5 ℃能满足样品短时间的保存。