喀斯特地区城市河流碳、氮同位素特征与人为活动的影响——以贵州省遵义湘江为例

河流是多个生态系统间物质输送的重要纽带,其输送的物质对于环境生态有重大影响.河流物质的地球化学组成反映了流域的水文、降水、岩石、土壤、植被及物理、化学风化和流域的环境变化,通过对河水的地球化学组成研究可以获得有关流域盆地化学风化、生态环境变化和人为活动输入等重要信息[1].     

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。     

镁同位素体系在河流中的研究进展

近年来风化过程中镁同位素的研究取得了一系列重要进展,这些进展不仅有利于准确理解河流中镁同位素组成变化的机理,还为深入探讨镁同位素地球化学循环奠定了基础。河流既是风化过程中镁的汇,也是海洋中镁的源。流域河水的镁同位素组成主要与物源和迁移过程中镁同位素分馏有关。河水的镁主要来源于流域的岩石,也受风尘沉积、地下水、植物残骸、降雨降雪等因素的影响。河水迁移过程中镁同位素分馏过程主要为碳酸盐矿物沉淀和溶解、硅酸盐矿物水解、矿物或胶体物质的吸附作用以及植物的吸收作用。此外,水体中次生矿物的形成还可能反映了河流水化学参数(主量元素、CO2溶解度、p H等)的突变。因此,分析河水的镁同位素组成,探讨其主要的分馏过程,不仅是应用镁同位素示踪地表物质循环的基础,还对深入认识镁同位素的地球化学循环具有重要意义。     

贵州河流河水的锶同位素与喀斯特地区化学风化作用

贵州省地处世界岩溶发育最复杂、类型最齐全、分布面积最大的东亚岩溶区域中心, 也是我国碳酸盐岩分布面积最大、岩溶最发育的省区, 同时也是我国水土流失严重的地区之一。由于河水的地球化学反映了流域盆地的化学风化、气候和上地壳的化学组成的重要信息, 本工作对贵州喀斯特地区两条主要水系(乌江水系、沅江水系)河流的主要阴、阳离子和Sr2＋离子及锶同位素组成变化进行了系统研究, 对河水地球化学组成变化特征及其控制因素进行了解释。 贵州喀斯特地区两条主要水系河流的水化学组成代表了典型碳酸盐岩地区河流的相应化学组成, 显示了与世界主要河流不同的水化学特征, 反映了喀斯特环境地表化学风化作用的特点。     

鄱阳湖流域水化学特征及影响因素分析

在地球表生系统中,化学风化作用强烈改变着岩石、水体、土壤和大气成分,是元素地球化学循环的最主要驱动力。河水溶解物质主要来源于流域内岩石化学风化,同时受到降水、人类活动的影响。文中通过对鄱阳湖流域河水样品的采集和化学成分分析,结合流域地质背景,研究了河水化学成分特征及其影响因素。结果显示,与20世纪80年代相比,本区河水Cl-、SO24-所占比例显著增高,有逐渐酸化趋势;与世界上其他主要河流相比较,该区Ca2+/Na+、Mg2+/Na+、HCO3-/Na+等比值偏低,反映了较强的蒸发岩溶解及人类活动影响特征。该区河水离子特征主要由岩石风化所控制,降水对该区河水溶解物质贡献率为10.3%,农业生产活动对鄱阳湖水溶解物质贡献率为4.9%,矿山活动对饶河丰水期、枯水期离子总量贡献率分别为8.9%、14.6%。     

柴达木盆地盐湖物质来源识别

柴达木盆地是我国重要的盐矿资源战略基地,深入认识其物质来源具有重要的科学及社会意义。本研究根据柴达木盆地盐湖水、晶间卤水,以及格尔木河流域地表水、地下水化学组成,利用多元统计方法,探讨盆地区盐湖物质来源。结果显示:从山前到湖区,水体溶解性总固体逐渐增大,微量组分含量也逐渐升高,二者均表现为晶间卤水盐湖水格尔木河流域水体;阳离子变化趋势为:补给源头由昆仑山雪融水以Ca2+为主过渡到格尔木河流域以Na+为主;再到盐湖区以Mg2+为主;阴离子则从以HCO-3为主逐步过渡到以Cl-为主;盐湖水和晶间卤水的化学组成差异显著。因子分析表明,对于格尔木河流域河水和地下水,岩石风化淋滤是其化学组分的主要来源。而岩石风化淋滤来源和深部水来源对柴达木盆地不同盐湖区化学组成的贡献率差异很大,该差异取决于周围岩石的化学组成和深部水的存在及其化学组成,以及断层是否导通为深部水补给盐湖提供了通道。     

贵州喀斯特地区河流的研究--碳酸盐岩溶解控制的水文地球化学特征

测量了喀斯特地区乌江、沅江两大水系的河流枯水期的主元素、Sr2+离子浓度和Sr同位素比值。这些河流的化学组成代表了流经碳酸盐岩地层的河水的化学组成。这些河流及其支流有高的溶解盐,TZ+变化范围为：2.1～6.3 meq/L,高于全球河流的平均值(TZ+=0.725 meq/L)。河水含有较高的溶质浓度,河水水化学组成以Ca2+和HCO-3为主,其次为Mg2+和SO2-4,Na++K+和Cl-+Si分别只占阳离子和阴离子组成的5%～10%。 这些河流的化学和同位素组成主要受其自流盆地的地质特征控制。流经碳酸盐岩地层的乌江水系河流具有较高的Sr浓度（1.1～9.70 mol/L）和较低的87Sr/86Sr比值（0.7077～0.7110）,与流经碎屑岩地层的沅江水系的清水江河流中较高的87Sr/86Sr比值（0.7090～0.7145）及较低的Sr浓度（0.28～1.32 mol/L）形成鲜明的对比。 流域盆地的地理岩性控制了河水的化学组成和同位素组成。对河水的化学计量分析表明河水化学组成受碳酸盐岩溶解控制,而碳酸盐岩主要受碳酸和硫酸作用而溶解。乌江流域受硫酸作用特别明显,表明硫酸主要来源于燃煤或流域盆地硫化物矿物氧化而形成的大气输入。化学元素和同位素比值之间的相互关系表明3个主要来源为：石灰岩、白云岩和硅酸盐岩的风化。同时估计了碳酸盐岩和硅酸盐岩的化学风化速率,结果表明流域盆地的碳酸盐岩风化速率远远高于许多世界大河。岩石风化过程中硫酸的出现或土地的过度使用或土壤植被的退化等都可能是导致流域的碳酸盐岩风化速率如此高的原因。      

贵州乌江水系的水文地球化学研究

乌江水系河流的水化学组成代表了典型碳酸盐岩地区河流的相应化学组成,显示了与世界主要河流不同的水文化学特征: 河水含有较高的溶质浓度,河水水化学组成以Ca2+ 和HCO3- 为主,其次为Mg2+和SO42- , Na+ + K+ 和Cl- + Si分别只占阳离子和阴离子组成的5%～10%。这表明乌江流域河水中水化学组成主要来源于碳酸盐风化,硅酸盐、蒸发盐风化对水中溶质的贡献很小,农业活动、开矿和工业污染对水体化学组成有一定影响。      

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。     

钱塘江流域的地球化学质量平衡研究

从地球化学角度出发，对钱塘江流域的物质平衡关系及起控制作用的化学风化反应进行了探讨和计算。结果表明，降雨提供了河水中大部分的Ｋ~＋、Ｎａ~＋和ＳＯ~２－＿４。另外，灰岩地区碳酸钙的溶解反应提供了河水中大部分的Ｃａ~２＋和ＨＣＯ~－＿３，硅酸盐岩地区钠长石和黑云母生成高岭石的风化反应提供了剩余的Ｋ~＋、Ｎａ~＋、Ｈ＿４ＳｉＯ＿４和大部分的Ｍｇ~２＋及少量的ＨＣＯ~－＿３。石膏和白云石的风化反应控制了ＳＯ~２－＿４和Ｍｇ~２＋的平衡，其中碳酸钙的溶解反应占主导地位。流域的化学侵蚀率和机械剥蚀率分别为０．０２２和０．０７１（ｋｇ·ｍ－２·ａ－１），碳酸盐岩区的物质流出量是硅酸盐岩区的２倍。     

贵州喀斯特地区河水中溶解态微量元素地球化学

本文主要研究了贵州喀斯特地区乌江流域和沅江流域河水中溶解态微量元素Pb、Cu、Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Rb、Sr、Ba和U等的组成.研究结果表明,流域盆地的地理岩性控制了河水的微量元素化学组成.由于河水的pH值较高,控制河水中溶解态微量元素的机制是吸附/解析-沉定-溶解平衡.     

全球变暖背景下北美育空河流域化学风化增强

硅酸盐岩风化对气候变化和构造运动的反馈对长尺度气候变化可能起到重要的调节作用,对该反馈过程的定量认识有助于更确切理解地球碳循环的运行规律。通常认为风化类型可分为两种,分别是供应限制和动力学限制。全球变暖可能促进了动力学限制流域的化学风化作用,然而,关于这方面的认识仍很有限。育空河流域是典型的动力学限制风化区域,研究育空河的风化对气候变暖的响应有助于深入认识气候和大陆风化之间的相互作用。正演模型是区分河流风化端元的重要手段,文章利用正演模型对育空河流域从1975年到2019年的主要离子组成的数据集进行分析,并获得了该流域在过去几十年的化学风化速率的变化趋势。结果表明,育空河水化学性质主要受到碳酸盐岩风化和硅酸盐岩风化控制,两者多年平均碳汇通量分别为2.1×10¹¹ mol/yr和4.1×10¹⁰ mol/yr,处于世界主要大河碳汇通量的中间水平。更重要的是,在同一时期,伴随着2.2℃的温度增幅和13.7%的径流量增加,流域内的阳离子总通量增加了35.7%,其中硅酸盐岩和碳酸盐岩风化产生的阳离子通量分别增加了41%和35%,阳离子通量/风化速率对气候的敏感性与冰岛地区的研究结果符合的很好,与风化速率加快相对应的,硅酸盐岩风化碳汇通量相对增加了59.6%。尽管碳汇的增加在绝对通量上相比人类化石燃烧产生的碳排放通量微不足道,但是考虑到构造尺度内全球硅酸盐岩风化速率的增强,尤其是在较为寒冷的高纬度地区,额外的二氧化碳固定量可能对地球历史时期的全球气候产生重要影响。     

长江河水~(87)Sr/~(86)Sr值的季节性变化及其指示意义:以长江大通站为例

在长江下游大通水文站进行了为期1年的每2周1次的水样采样,分析测试其Sr含量及其同位素组成。结果表明,长江溶解Sr浓度在1.74~2.92μmol/L之间变化,87Sr/86Sr值的范围为0.710125~0.710965,河水Sr含量及同位素组成出现明显的季节性差异,表现为从洪水季节开始87Sr/86Sr值逐步升高,至12月达到最高值后缓慢下降并在下一个洪水季节到来时升高。研究认为,下游河水87Sr/86Sr值的季节性变化主要受流域降雨的时空变化所导致的物源相对贡献比例变化控制。受季风气候影响,当洪水期短期强降雨集中在上游地区时,强烈的风化使得上游贡献增多,致使下游河水Sr同位素组成迅速降低。采样期间(2011年1~5月)中下游的持久干旱致使中下游硅酸盐岩风化对河水Sr贡献减少从而造成河水同位素组成持续降低。同时,基于全年样品数据计算得出长江溶解Sr同位素组成的入海特征值为0.710628,Sr通量为1.9×109mol/a。研究结果表明河水Sr同位素组对流域极端气候的响应较好,可为今后使用历史时期物质Sr同位素研究解释极端气候变化奠定基础。     

中国西南河流碳、氮运移机制及其对水文条件变化的响应:以西江为例

流域碳、氮的生物地球化学循环过程关联着区域/全球尺度的气候变化,同时受到气候条件变化的影响。本次研究以我国西南喀斯特地区的西江为例,通过时间序列的高频次样品采集和分析,揭示水文条件变化对河流碳、氮动态变化的影响及其控制机制。结果表明,在高流量条件下,化学风化的加速、土壤CO2的汇入及流域内有机质的降解导致了水体δ13CDIC偏负,碳酸盐矿物的快速风化致使河水HCO3-浓度表现出强烈的"化学稳定性";对DIC、δ13CDIC、流量、温度的联合分析表明,矿物溶解、土壤CO2的汇入与河流中有机质降解的共同作用导致了西江河水碳动态的季节变化;河水NO3-浓度在高流量条件下并未表现出明显的稀释效应,反应了人为输入和化学转化过程对NO3-浓度的影响;硝酸盐氮、氧同位素的分析结果表明,西江NO3-来源受人为活动影响较大,主要转化过程为硝化作用;同位素和水化学证据表明碳酸、硫酸、硝酸共同参与流域岩石化学风化,雨季外源酸参与风化的减弱是河流中HCO3-稀释的重要原因。     

多元统计法在河水主要离子含量变化特征及来源分析中的运用——以梧州水文站控制断面为例

文章利用2011年4月到2012年3月对梧州水文站控制断面进行的定期采样数据,分析了该断面河水中主要阴、阳离子的化学组成,并运用多元统计分析方法研究和探讨了河水化学组成变化特征。结果表明,梧州水文站控制断面河水水化学类型以Ca2+ + HCO3-型为主,Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、NO3- 主要来源于岩石的风化,K+ 、Cl-来自于人类活动的输入;河水中离子化学组成受水—岩作用和土壤表面离子交换作用影响,对河水溶质的贡献率分别为69.34％、17.10％。      

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。     

青海湖近千年来气候环境变化的湖泊沉积记录

本文根据青海湖沉积岩芯（QH00A）碳酸盐含量、TOC和Rb/Sr等环境指标的综合分析，探讨了该地区近千年来的气候变化过程和化学风化史。结果表明：青海湖地区近千年来经历了5次冷湿期和5次暖干期，气候组合类型为冷湿与暖干交替。中世纪暖期、小冰期以及20世纪以来的升温在该沉积岩芯中得到良好的记录。沉积岩芯Rb/Sr较好地记录了湖泊流域化学风化的历史，并揭示流域化学风化的主要控制因素为气温变化。     

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。     

长江水系水文地球化学特征及主要离子的化学成因

在分析长江流域76个位点的水化学数据的基础上,运用吉布斯(Gibbs)图、三角图、主成分分析方法研究岩性对长江水系河水中离子化学特征的影响和流域的主要风化过程。结果表明,长江水系的主要离子化学特征受岩石风化作用的影响,其中碳酸盐和蒸发岩矿物对干流水系溶质的贡献率分别为43.6%和37.9%,而对支流水系溶质的贡献率分别为33.1%和39.1%。干流流域内主要的风化反应以白云石和方解石的溶解为主,而支流流域内Cl-/(Na++K+)接近1∶1,体现出蒸发岩风化的显著特性。Si/K比值较低,表明长江流域内的风化反应是在表生环境中进行的,且产物是富含阳离子的次生矿物。     

长江水系水文地球化学特征及主要离子的化学成因

在分析长江流域76个位点的水化学数据的基础上,运用吉布斯(Gibbs)图、三角图、主成分分析方法研究岩性对长江水表河水中离子化学特征的影响和流域的主要风化过程.结果表明,长江水系的主要离子化学特征受岩石风化作用的影响,其中碳酸盐和蒸发岩矿物对干流水系溶质的贡献率分别为43.6%和37.9%,而对支流水系溶质的贡献率分别为33.1%和39.1%.干流流域内主要的风化反应以白云石和方解石的溶解为主,而支流流域内C1~-/(Na~++K~+)接近1:1,体现出蒸发岩风化的显著特性.Si/K比值较低,表明长江流域内的风化反应是在表生环境中进行的,且产物是富含阳离子的次生矿物.