秋季黄河pCO2控制因素及水-气界面通量

根据2006年11月1~10日,秋季黄河平水期二氧化碳分压(pCO₂)的现场实测数据及相关同步观测资料,对黄河表层水pCO₂的分布及其影响因素进行了研究。结果表明:水体pCO₂在80~166Pa,平均值110Pa,在世界主要河流中属中等偏下水平;空间分布存在较大的不均匀性,中游高于上游和下游。浮游植物的光合作用对pCO₂有一定的影响但强度较弱,即使在叶绿素最高值3.58μg/L的包头站pCO₂仍达到91Pa。黄河水体有机物含量较低且继承了陆源有机物难降解的特性,干流和库区EpCO₂/AOU的比值为0.14和0.20,远低于生物好氧呼吸作用控制水体pCO₂的理论下限0.62,因此,生物好氧呼吸作用对水体pCO₂的贡献不大。悬浮物(TSS)含量为3.77~1308mg/L,溶解无机碳(DIC)含量为3.03~4.14mmol/L,普遍高于世界其它河流且最大值均出现在潼关站;同时水体pCO₂与TSS、PIC、DIC含量具有极好的正相关性。因此黄河流域强烈的机械侵蚀和化学风化作用形成的碳酸盐体系是控制水体pCO₂的主要因素。利用Wanninkhof提出的淡水水-气交换系数的通量模式估算,黄河水域水-气界面CO₂交换速率约为0.229μmol/m2·s,秋季可向大气释放CO₂14.5亿moL,相当于8250km2草原或是112km2森林一年的固碳量。黄河CO₂释放通量与渥太华河相近,但要远小于亚马逊河。     

慕士塔格夏季近地表大气CO2浓度变化特征

利用CIRAS SC型号的CO₂和H₂O分析仪, 对东帕米尔高原慕士塔格地区2003年夏季(6~8月)近地表大气CO₂浓度和水汽进行精确持续观测, 给出了我国内陆高原大气近地表 CO₂ 浓度夏季的变化特征. 观测表明, 该地夏季CO₂浓度呈整体下降趋势, 并因受陆地植被光合作用、呼吸作用和土壤微生物等的影响, 有明显的日周期变化. 在短时间尺度上, 其变化趋势与瓦里关站点观测结果基本一致, 与Mauna Loa站点观测结果差别明显. 通过考察当地 CO₂浓度与大气水汽的关系, 发现两者具有很显著的反相关性. 上述现象揭示, 慕士塔格近地表大气CO₂含量的变化不仅受植物光合作用的影响,同时大气中水汽的含量在控制CO₂含量方面起着重要作用.     

可可西里古湖泊沉积物有机碳δ13C变化特征及其影响因素

文章选择青藏高原腹地可可西里边缘地区古湖泊为研究对象,通过对湖泊沉积物有机碳、氮和粒度等分析,对中更新世以来BDQ06孔湖泊沉积物有机碳同位素的波动特征及其影响因素进行了分析。结果表明:湖泊沉积物有机质以湖泊自生植物为主,有机碳同位素的大小主要指示挺水植物与沉水植物的比例,进而指示湖泊水体大小的变化。沉积物C/N值较低时;碳同位素偏重阶段,湖泊沉积物以沉水植物为主,植物主要利用水中溶解的CO₂进行光合作用,因此有机碳同位素偏正,指示湖泊水体较大,环境条件较好;碳同位素偏负阶段,湖泊沉积物以挺水植物和浮游生物为主,植物主要利用大气中CO₂作为碳源,类似于C3植物,碳同位素偏轻,指示湖泊水体较小,气候偏干。其中在岩芯的部分层位有机碳δ13C曲线出现几个明显偏低的位置,对应的C/N>10,说明此时段有大量陆源高等植物进入湖泊,并不是由挺水植物和浮游植物所造成的。     

贵州红枫湖沉积物有机质的酶及微生物降解

文章通过DNA、α-葡萄糖苷酶和硫酸盐还原菌等的变化,研究了贵州红枫湖沉积物中有机质的酶及微生物降解.有机质在微生物及其分泌的胞外酶的作用下被降解,在沉积物深度11cm以下被降解到相对较低的含量.DNA的分布表明表层9cm的沉积物深度内微生物的活动较为强烈,是微生物降解有机质的主要位置.α-葡萄糖苷酶在悬浮层含量最高,达0.75μmol/min*g干沉积物,提示有机质中的淀粉和糖原等物质在悬浮层降解较为激烈,被大量分解;随着沉积物深度的增加α-葡萄糖苷酶活性减弱,在有机质降解明显开始变缓的11cm沉积物中,α-葡萄糖苷酶活性已降低到0.17μmol/ming干沉积物.分子生物学的研究表明红枫湖沉积物表层7cm是硫酸盐还原菌的主要分布位置,结合有机质和SO_2-4含量的研究结果,提示红枫湖沉积物中SO_2-4不可能成为有机质氧化的主要电子受体,硫酸盐还原的限制因素也不是有机质供应.     

硝化和反硝化对湖泊有机质沉积成岩前降解作用的研究

贵州红枫湖10月叶绿素a(chla)和NO3^-含量均比7月明显降低。利用氮同位素等数据对此进行了研究，结果表明，含量的降低是由不同的生物地球化学作用引起的。chla含量的降低主要是水体中有机质降解(硝化)所致，而NO3^- 含量的降低则是缺氧季节湖泊沉积物表层反硝化作用的结果。缺氧季节表层水体仍然能发生较强烈的硝化作用。硝化作用和反硝化作用分别发生在热分层湖泊的上层和沉积物表层。反硝化作用不仅消耗大量的NO3^-，而且还造成了一定量的有机质降解(有机碳作为电子受体)。据估算，在红枫湖后五测点和大坝测点，总有机碳在沉积成岩前分别降解了78％和68％。其中由硝化作用引起的总有机质降解量分别为35．8%和25．9％，而反硝化作用则分别为13．4％和9．2％。     

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。      

南水北调中线工程水源林生态系统对水质的影响——以秦岭南坡中山地带火地塘林区为例

通过对秦岭南坡中山地带火地塘林区大气降水与支沟溪流水和流域出口径流水质的比较分析,以及溪流水和流域出口径流水质与水量的相关分析,发现7~10月份大气降水呈微酸性,经过森林生态系统的调节,径流pH值升高,且不随流量变化而发生变化;森林生态系统对随降水输入的NO₃-、NH₄+、PO₄3-有很好的净化作用,这种作用对于降低南水北调中线工程取水地丹江口水库水质富营养化的威胁非常有益,对重金属元素Cd、Pb、Mn有固定作用;对K、Na、Ca、Mg、Fe有增加作用,尤其对Ca、Mg含量增幅较大,但这种作用不会对水质产生不良影响,对Fe的调升有利于水质改善;森林生态系统在调减Zn含量方面作用显著;林区径流水质与水量之间并无较大关系,水质不随水量变化而发生较大变化,森林生态系统对水质有很好的稳定作用。     

喀斯特小流域地表水碳酸盐系统化学平衡对酸性矿山废水的缓冲作用

Revelle因子不仅能反映弱碱性水体对吸收大气CO₂的缓冲能力,还能体现水体酸化过程中CO₂去气对H⁺的缓冲作用。本研究通过对多个缓冲因子的分析,探讨喀斯特中高硫煤矿区地表水碳酸盐系统对酸性矿山废水的缓冲作用,有助于进一步理解喀斯特地区流域水体中DIC循环过程和CO₂源汇关系特征。结果表明,地表水碳酸盐系统内车田河流域Revelle因子变化区间在1.00～51.96之间,能有效揭示地表水碳酸盐系统内CO₂去气对H⁺的缓冲过程,其敏感区间为pH=7.0～8.38的弱碱性水体。γ_DIC、β_DIC、ω_DIC、γ_Alk、β_Alk、ω_Alk等缓冲因子是基于pH和DIC浓度的二元方程。这些因子进一步细化了CO₂(aq)、H⁺和CO₃^2-等组分对DIC...     

米泉低阶煤煤层气中CO2异常赋存特征与成因

对米泉矿区以往煤层气勘查成果统计发现,气体含量中CO₂浓度异常高,部分气样浓度甚至超过40%。通过系统开展气体组分、CH₄与CO₂碳同位素、稀有气体同位素等地化分析,发现该区CO₂浓度随埋深增大呈增高趋势。当埋深大于800 m时,CO₂浓度超过40%;CO₂具明显壳源成因特征,无幔源CO₂的混入。说明该区煤层气主要为CO₂还原途径形成的次生生物气体,少量样品具热成因气特征;CO₂异常富集可能是3个方面因素耦合作用的结果,即处于微生物产甲烷活动早期阶段、CO₂还原途径产甲烷活动受到抑制及滞留的水体环境。     

浮游有孔虫标准化壳体重量测试方法及在西太平洋的应用

使用标准化壳体重量法和传统壳体重量法分别对中国南海(South China Sea,简称SCS)站表层沉积物和MD06-3052岩心沉积物样品进行了测试,获得了浮游有孔虫种属Globigerinoides ruber(G. ruber)的标准化壳体重量和传统壳体重量.通过对SCS站表层沉积物中G. ruber标准化壳体重量与传统壳体重量的比较,认为在该海域使用标准化壳体重量替代性指标能够更好的排除壳体粒径的干扰.通过对MD06-3052岩心中G. ruber标准化壳体重量与南极Vostok冰心的CO₂浓度(pCO₂)曲线进行对比,认为标准化壳体重量方法能够较好的反映出表层海水[CO₃2-]的变化.标准化壳体重量方法快速简便,指示性好,在探讨晚更新世以来表层海水在全球碳循环的重要作用中,是一个很有潜力的指标.      

Calculating surface water PCO2 from foraminiferal organic δC

The δ¹³C of organic matter bound within the crystal lattice of foraminiferal calcite tests may provide a potential tracer of the isotopic composition of the surface water primary photosynthate. Using δ¹³C of the organic matter extracted from the crystal lattice and the calcite test, it is theoretically possible to estimate the paleo-surface water pCO₂. We have tailored this technique initially for the subpolar planktonic foraminifera species Globigerina bulloides. Initial surface water pCO₂ estimates from deep-sea core BOFS 5K (50°41.3′N, 21°51.9′W, water depth 3547 m) indicate that the northeast Atlantic Ocean may have been a greater sink for CO₂ during the last glacial than during the Holocene. Greatly reduced benthic foraminifera abundances, especially phytodetritus feeders, in BOFS 5K during the last glacial indicates low surface productivity. This rules out a productivity-driven CO₂ sink. The enhanced glacial CO₂ sink must, therefore, have results from a southwards shift of the centre of deep water formation.     

海表层二氧化碳分压之时间序列研究进展

简要总结了海表层二氧化碳分压(pCO2)时间序列的研究方法,重点综述了时间序列研究在确定pCO2控制过程、揭示pCO2年际差异、监测气候事件对pCO2的影响及估算海—气二氧化碳(CO2)通量等方面的研究进展.海表层pCO2时间序列的研究方法大致可以分为2类,一类是基于船舶调查,另一类是基于浮标的CO2自动测定.时间序列研究除了能够定性地记录和追踪一些特殊和偶然的物理和生物过程对pCO2的影响外,还能够定量地给出各种过程对pCO2变化的贡献,这对揭示海洋pCO2的控制机理有着重要意义.年际尺度的时间序列观测表明:人类活动已经造成了海表层pCO2的增加,厄尔尼诺事件和拉尼娜事件对海表层pCO2和海—气CO2通量有明显影响.另外,时间序列研究能够提高海—气CO2通量估算的准确性.     

东海海—气界面二氧化碳通量的季节变化与控制因素研究进展

通过对东海海—气界面二氧化碳(CO2)交换有关研究的总结,剖析了东海表层海水CO2分压(pCO2)的区域分布特征,探讨了海—气界面CO2通量(FCO2)的季节变化规律,诠释了影响海—气界面CO2转移的主要因素.结果表明,东海表层海水pCO2的区域分布具有明显的季节变化,可将其分为冬季、夏季、过渡季节(春季、秋季)3个时段.冬季西部近岸海域由于水体垂直交换强烈,造成表层水体pCO2较高,而中、东部陆架海域由于浮游生物的光合作用使得pCO2较低.夏季近岸河口海域由于陆源输入的影响导致pCO2较高,中、东部陆架海域受温跃层、长江冲淡水、浮游植物的综合作用pCO2较低.春季、秋季为过渡时段,表层海水pCO2分布变化剧烈,受控因素较为复杂.东海全年表现为大气CO2的净汇,其中冬、春、夏为碳汇,其海—气界面FCO2分别为(-6.68±6.93),(-4.94±0.80),(-3.67±1.09)mmol/(m2·d).秋季表现为碳源,通量约为(1.50±8.37)mmoL/(m2·d).东海全年平均通量约为-3.16 mmol/(m2·d),共可吸收CO2约为6.92×106 t C/a.不同季节海—气界面FCO2的年际变化凸显了人为因素的影响,近海富营养化加剧,三峡工程的运行都可能是造成东海冬季碳汇量减少、秋季碳源/汇格局转变的原因.     

Research Advance in Air-Water CO2 Exchange of Estuaries

Estuary holds a key position in linking the four geo-spheres, i.e., atmosphere, lithosphere, hydrosphere and biosphere. Figuring out the transfer mechanisms of estuarine carbon, especially the exchange ofCO₂ at the air water interface is conducive to understanding the carbon pattern in coastal oceans. To date, many fruitful studies have been conducted on the control mechanism towards the partial pressure of CO₂ (pCO₂) in different estuarine areas around the world. By a thorough research on the latest studies of estuarineCO₂ exchange with the atmosphere, it is concluded as follows: ①A common pattern is found on the spatial distribution of pCO₂in different estuarine areas. However, the concrete seasonal change of pCO₂ shows great differences, and the corresponding control factors also vary considerably. ②Estuaries are believed to be large sources ofCO₂ to the atmosphere. It is estimated that the global estuarineCO₂ degassing fluxes, although the global surface area of estuariesis small, are up to 0.25×10¹⁵~0.50×10¹⁵g C/a; and about 1/3 of riverine carbon is released into the atmosphere during the estuarine transit. ③Degradation of organic matter, lateral transfer of marsh derivedCO₂ , mineral deposits in water and turbulence in the liquid phase are the main factors that are responsible for the emission of estuarineCO₂ . At present, this estimate of estuarineCO₂ exchange with the atmosphere is based on limited spatial data, therefore problems such as the limitation in the depth and scope of studies still exist. There are also varieties of uncertainties in the estimation of gas transfer velocity and the whole areas of global estuaries, all of them make it difficult to reach an accurate evaluation ofCO₂ fluxes at the air water interface. It is difficult to predict the future trend of theCO₂ exchange at the air-water interface due to the complexities of the driving forces and feedback mechanisms in estuarine carbon cycle and the intense anthropogenic disturbance. Investigating the mechanism of pCO₂ in estuarine areas, improving the accuracy of evaluation ofCO₂ fluxes and comparing studies of different estuaries would be new scopes in the future researches on the exchange ofCO₂ at the air-water interface in estuaries.     

盐湖页岩有机质富集主控因素及模式

为深入研究盐湖背景下的江汉盆地潜江凹陷潜江组3₄段第10韵律及4_下段部分韵律层的页岩有机质富集机理，采用X荧光光谱（XRF）、碳硫仪、GC、GC-MS等手段，研究该地区页岩的元素变化与TOC富集之间的关系，以此探讨有机质富集的主控因素，从而建立有机质富集模式.结果表明，潜江组页岩有机质在水进体系域（TST）中相对较为富集，在高位体系域（HST）及低位体系域（LST）中较为贫乏；潜江组页岩有机碳与古生产力指数（P/Ti）、古气候指数（Mg/Ca）、古水深指数（Rb/K）大致呈正相关，随古盐度指数（Sr/Ba）值的增加先增大后减小，与陆源物质输入量参数（SiO₂、Al₃O₂）呈负相关.页岩层段中古生产力指数（P/Ti）大于1、古盐度指数（Sr/Ba）介于2~4、古气候指数（Mg/Ca）小于0.4，古水深指数（Rb/K）大于0.007且陆源物质输入较少，有机质富集.研究揭示，潜江凹陷潜江组页岩有机质来源主要为水生生物，水进体系域中，在较为潮湿的古气候条件下，水生生物繁盛，陆源碎屑输入量低，对有机质的稀释作用减弱；同时，较多的降水使湖水深度快速增加，表层水体盐度降低，湖底盐度较大，形成盐度分层，增强深部古水体的还原性，有利于有机质的富集.      

太湖湖泊水体碳循环模型研究

在垂直压缩三维水动力模型的基础上,建立了包括无机碳、有机碳、二氧化碳、浮游植物态碳、浮游动物态碳、鱼类态碳、沉水植物态碳、底泥中的有机碳、底泥中的无机碳、底泥间隙水中的有机碳和无机碳等状态变量的太湖碳循环三维模型。并用2000年的实测资料进行了参数率定,用2003年的实测数据进行了校验。校验结果显示,绝大多数校验点次的实测值与模拟值间的误差均小于30%,4个校验点的模拟值和实测值的年平均误差均小于40%,由此可见,模型虽然仍需进一步完善,但其已经具有了一定的模拟精度,为太湖湖泊水体碳循环的研究奠定了基础。同时模型计算结果表明:湖泊水体碳循环对大气二氧化碳浓度的降低有正面作用。     

The Paleoceanography during the Time with High δ13C of Phanerozoic marine carbonates

Carbon isotopic composition of marine carbonates is a record for various important geological events in the process of earth development and evolution. The carbonates of Carboniferous, Permian and Triassic, as the transition from Paleozoic to Mesozoic-Cenozoic have very high ¹³C value. Taking this as the main point, and combined with the oxygen, strontium isotopic composition in carbonates, distribution of carbonate basin area through geologic time, the correlation of carbon isotopic composition of marine carbonates to sea level change, organic carbon burial flux, exchange of CO₂ content in atmosphere and ocean, and long cycle evolution of the earth ecosystems were approached. The results are shown as follows: ①The interval of ¹³C >3‰ during Phanerozoic was concentrated in Carboniferous, Permian and the beginning of Triassic, but the beginning of Triassic was characterized by higher frequency and larger fluctuations in ¹³C value during a short time, whereas the Carboniferous-Permian presented a continuously stable high ¹³C value, indicating a larger amount of organic carbon accumulation in this time interval. Relatively high ¹⁸O values during this time was also observed, showing a long time of glaciations and cold climate, which suggest a connection among rapid organic carbon burial, cold climate, as well as pCO₂ and pO₂ states of atmosphere. ②The over consumption of atmosphere CO₂ by green plants during the time with high ¹³C of seawater forced CO₂ being transferred from ocean to atmosphere for the balance, but the decrease in the seawater amount and water column pressure caused by the global cooling could weaken dissolution capacity of CO₂ in seawater and carbon storage of marine carbonates, and also reduce the carbonate sedimentary rate and decrease the carbonate basin area globally from Devonian to Carboniferous and Permian. During the middle-late Permian carbonate was widely replaced by siliceous sediments even though in shallow carbonate platform, which resulted in the decrease of marine invertebrates, suggesting the Permian chert event should be global. ③The Phanerozoic ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr trend of seawater showed a sharp fall in Permian and drop to a minimum at the end of the Permian, indicting input of strontium from the submarine hydrothermal systems (mantle flux). Such process should accompany with a supplement of CO₂ from deep earth to atmosphere and ocean system, but the process associated with widespread volcanism and rises of earth’s surface temperature pricked up the mass extinction during the time of end Permian. ④Cold climate and increase of continental icecap volume, the amalgamation of northern Africa and Laurentia continentals were the main reasons responsible for the sea level drop, but the water consumption result from the significantly increased accumulation of organic carbon should also be one of the reasons for the sea level drop on the order of tens of meters. ⑤The mass extinction at the end Permian was an inevitable event in the process of earth system adjustment. It was difficult for marine invertebrates to survive because of the continuously rapid burial of organic carbon, and of the decrease of sea water amount and its dissolution ability to CO₂. At last, at the end of Paleozoic, the supplement of CO₂ to atmosphere and ocean by widely magma activities resulted in a high temperature of earth surface and intensified mass extinction.