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。     

硫酸对典型岩溶流域碳酸盐岩溶蚀及碳循环意义:以广西平果岩溶流域为例

为探讨硫酸参与碳酸盐岩的溶蚀过程和对碳循环的影响,选择广西西南部平果县西南部右江中游以西典型岩溶流域,利用流域地表水和地下水水化学及碳同位素（δ¹³C_DIC）探讨了流域水化学特征及其主要影响因素,并利用水化学计量法对硫酸溶蚀碳酸盐岩的比例和对HCO₃^-离子的贡献比例进行了定量计算。结果表明：1）研究区水化学类型为HCO₃-Ca型,Ca²⁺和HCO₃^-是地下水和地表水最主要的阳离子和阴离子,水化学特征主要受碳酸盐岩化学风化作用的控制;2）地下水和地表水δ¹³C_DIC值介于-5.90‰~-16.62‰之间,大多数水样[Ca²⁺+Mg²⁺]与[HCO₃^-+SO₄^2-]当量平衡,[Ca²⁺+Mg²⁺]/[HCO₃^-]当量比值介于0.86~1.31之间,平均值为1.13,大部分大于1,表明除碳酸外,硫酸也参与了溶蚀碳酸盐岩;3）硫酸溶解碳酸盐岩对地下水（Ca²⁺+Mg²⁺）和HCO₃^-的贡献比例分别为0~46.88%和0~30.62%,平均贡献比例分别为20.08%和11.81%;对地表水（Ca²⁺+Mg²⁺）和HCO₃^-的贡献比例分别为14.67%~67.65%和7.92%~51.11%,平均贡献比例分别为38.88%和26.35%,显示了硫酸显著地参与了流域碳酸盐岩的溶蚀。硫酸参与流域碳酸盐岩的溶蚀改变了区域碳循环,这是全球碳循环模型应考虑的一个重要环节,不能被忽视。

     

喀斯特漏斗坡地土壤有机碳特征、风化侵蚀及稀土元素分析

以西南喀斯特地区喀斯特漏斗坡地2个土壤剖面为研究对象,通过测定土壤部分物理化学属性、土壤有机碳含量分布特征、δ^13C值、几种土壤化学风化指标及稀土元素参数特征,探讨土壤侵蚀和沉积过程中土壤有机碳及其稳定碳同位素的动态变化及分布特征,同时利用土壤δ^13C值反演了C3/C4植被的变化历史。结果显示,山腰和山脚2个土壤剖面样品的土壤有机碳含量范围分别为4.17%~8.91%和2.37%~6.33%,山腰含量较高;δ^13C值变化范围分别为.18.9‰^-15.6‰和.22.1‰^-17.0‰,均随土壤深度的增加先增大后减小;利用土壤δ^13C值反演C3/C4植被的变化历史,2个剖面表现出相似的变化趋势;Na/K比值与ICIA的变化特征呈显著的负相关关系,R^2分别为0.67和0.98,表明该类红土中Na/K比值不仅能代表风化强度,且可能与侵蚀大小有关;常用的土壤风化发育指标表现为很好的协同作用,显示剖面土壤的形成是由基岩化学风化而成;稀土元素球粒陨石标准化之后显示Ce异常,Eu负异常,2个剖面δCe变化趋势基本一致,表明2个剖面经历了相似的风化迁移过程。     

中国西南喀斯特湖泊硫酸盐来源的硫同位素示踪研究

硫是导致酸沉降的主要大气污染物之一,主要来源于重工业污染和矿物燃料利用过程中的排放.处于中国西南地区的贵阳市,其酸雨污染问题一直很严重,这是由于该地区分布有较多的燃煤型火力发电厂和冬季居民的取暖用煤释放,而该地区煤中S的含量可高达20 mg/L.     

中国河流流域化学风化和全球碳循环

通过研究中国境内九大水系中大河流域的河水、大气降水、沉积物和岩体中的化学成分并结合水文信息,对流域中的化学风化作用及其消耗大气CO<,2>的能力与机制进行了粗略的调查,探讨了不同气候、岩性、地形、植被等条件下化学风化的变化趋势,分析了控制风化反应的因素,为在我国境内进行CO<,2>捕获与封存的场地、矿物类型选择提供了参...     

基于遥感和GIS的青海湖流域冻融侵蚀研究

依据1∶100万西宁幅地貌图,获取了青海湖流域冻融侵蚀界线.利用遥感和GIS方法获得了流域内地形、年降水量、年均气温、土地覆被类型、土壤类型5个评价因子数据,在GIS中通过建模及空间分析,获得了青海湖流域冻融侵蚀强度等级类型及空间分布信息.结果表明:研究区冻融侵蚀发生的总面积是14 875km2,其中,轻度侵蚀和中度侵蚀居多,分别占冻融侵蚀总面积的28.75%和62.57%;剧烈侵蚀和强烈侵蚀占少部分,分别占冻融侵蚀总面积的3.33%和0.76%.     

路南石林喀斯特流域水文特征初探

本文运用水文地貌系统耦合分析的方法,对路南石林喀斯特流域水文特征进行了探讨,对喀斯特完全入渗式流域和完全漏渗式流域的特性进行了初步研究,揭示了侵蚀基面的变化对流域地表地下水系结构的影响,认为石林发育区水文特征有其自身的特点。      

喀斯特关键带溶解性碳的迁移转化过程及其对降雨事件的响应

喀斯特地区良好的水文连通性和丰富的碳酸盐岩使喀斯特关键带碳循环过程十分活跃,并对全球气候变化具有快速响应。为解析流量-溶解性碳浓度-碳同位素(Q-C-I)之间的动态关系以及喀斯特关键带重要的碳生物地球化学过程,本研究在降雨过程中对中国西南典型喀斯特流域——陈旗流域内的雨水、穿林雨、山坡径流、地表水和泉水进行了同步高频采集。结果表明,雨水中的溶解性无机碳(DIC)浓度很低,对地表水和泉水的整体贡献小。地表水和泉水中的DIC浓度随流量增加均表现出"溶质恒定(chemostatic)"行为,生物降解来源的CO2是主要调控因素,其相对贡献比在采样期间随流量增加而上升,而碳酸盐岩以及大气CO2的贡献相对较低且在水文变化时波动较小。流量相同时泉水中的DIC浓度及其单位时间的输出量均高于地表水。相比而言,雨水中的溶解性有机碳(DOC)浓度在穿过植被冠层后能上升1倍左右,在随径流从山坡运输到流域洼地的过程中也有上升趋势。地表水和泉水中的DOC浓度均随流量增加而增加,具有积聚效应,在运输过程中主要靠陆源补给,其输出量受控于与降雨情况有关的运输限制。因此,不同赋存形态碳在水文变化中的响应具有差异性,相互之间的转化也可能会改变流域的碳归趋行为。整体而言,流域内强烈的碳酸盐岩风化和农业活动对碳循环、气候以及水环境都会产生潜在影响。未来需要深入研究溶解性碳相互转换的时间尺度和控制机制及其在地表-地下运移过程中与喀斯特关键带结构的相互作用机理。     

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。     

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      

中国西南岩溶关键带结构与物质循环特征

岩溶关键带调查研究的目标是揭示岩溶生态系统的动态平衡和演化机制,旨在为经济社会提供资源环境服务的可持续管理对策,指出在合理的人为活动下增强岩溶关键带韧性的办法及修复受损部位的有效途径。碳酸盐岩作为可溶岩,赋予了岩溶关键带在结构上及物质循环过程中的岩石圈-生物圈相互作用等方面的若干特殊性。该文以中国西南岩溶区为例,总结了诸多学者的研究成果,揭示了从桂林岩溶区到重庆武隆岩溶区,岩溶关键带发育厚度由几米逐渐增厚至1 000 m的区域差异; 岩溶关键带的垂向物质循环过程以土壤-表层岩溶带为中心环节,而在横向上则呈现“岛屿状”镶嵌分布特征,地表生态具脆弱性; 岩溶关键带碳循环过程包括岩溶碳循环和生态碳循环两部分,碳汇则由植物碳汇、土壤碳汇和岩溶碳汇组成,初步估算其碳汇通量为64.36 t/(km²·a)。     

石灰土对硫酸型酸雨缓冲过程模拟及碳汇效应研究

硫酸型酸雨沉降至地表经石灰土缓冲后,参与碳酸盐岩溶蚀及对岩溶碳汇的影响尚不明确,严重制约了我国岩溶碳汇效应的准确评估。本研究通过设置不同土层厚度条件下pH 4.5的硫酸型酸雨淋滤实验,以明确石灰土对硫酸型酸雨的缓冲过程及关键控制因素。结果表明：石灰土对酸雨的缓冲作用主要发生在表层(10 cm),淋出液中Ca2+、Mg2+、${\rm{HCO}}_3^{-}$含量在淋溶初期均表现快速降低,当淋溶量(土壤水达饱和后)为1 020 mL时Ca2+、Mg2+、${\rm{HCO}}_{{3}}^{-}$淋失量趋于稳定,稳定淋失量分别为20 mg·L−1、6 mg·L−1、40 mg·L−1。淋出液中被酸雨H+交换出的Ca2+、Mg2+仅占很小一部分,土壤水溶性Ca2+、Mg2+是淋出液中Ca2+、Mg2+的主要部分,开放系统中,大气和土壤CO2溶于降雨形成H2CO3不仅增加碳汇,且H2CO3解离产生的H+交换土壤中交换态Ca2+、Mg2+,造成Ca2+、Mg2+的淋失量不容忽视。不同厚度石灰土中交换性钙镁可缓冲酸雨容量均大于土壤碳酸钙矿物可缓冲容量,前者是后者的1.17~1.59倍。相同酸度、同一降雨量(土壤水达饱和后)下土壤盐基离子参与酸雨缓冲产生的碳汇量约为碳酸盐矿物风化缓冲产生碳汇量的2.1倍,不同厚度(≥10 cm)石灰土产生的碳汇量大致相等。根据本次实验及桂林市降雨数据计算,桂林市质纯石灰岩风化残积土壤区(土层厚度≥10 cm),土壤盐基离子参与酸雨缓冲每年可产生0.59 ~0.93 mol·m−2的碳汇通量。     

基于碳酸盐岩风化的碳源分析及土壤的影响作用机制

在CO2 - H2O- 岩石系统中由于碳酸盐岩的可溶性,使其回收土壤/大气CO2 的通量比硅酸盐岩更大。通过大陆河流湖泊HCO-3 来源和海洋碳来源两种计算方式得出,碳酸盐岩溶解回收大气CO2 的量是其它岩类的3倍以上。与同纬度地带性土壤相比,岩溶地区土壤通过促进土下碳酸盐岩的溶解与固碳作用对大气CO2 产生更为强烈的汇效应: 土壤的覆盖使土下碳酸盐岩的溶蚀速率平均提高4.35倍,从而加快了对土壤/大气CO2 的回收速率;富钙的土壤地球化学背景使石灰土富含胡敏酸钙,胡敏酸在土壤中的存留时间长达780～ 3 000年,是其它类型土壤有机质如富里酸的4～ 5倍,稳定的胡敏酸钙使土壤有机碳稳定性增加、周转周期延长而得以累积,固碳作用将减少土壤CO2 向大气的排放。石灰土的平均有机质含量比同纬度红壤、黄壤分别提高了44%、33% ,固碳作用十分明显。      

Stable carbon isotopic composition of soil organic matter in the karst areas of Southwest China

This study dealt with the distribution characteristics of soil organic carbon （SOC） and the variation of stable carbon isotopic composition （δ^13C values） with depth in six soil profiles, including two soil types and three vegetation forms in the karst areas of Southwest China. The δ^13C values of plant-dominant species, leaf litter and soils were measured using the sealed-tube high-temperature combustion method. Soil organic carbon contents of the limestone soil profiles are all above 11.4 g/kg, with the highest value of 71.1 g/kg in the surface soil. However, the contents vary between 2.9 g/kg and 46.0 g/kg in three yellow soil profiles. The difference between the maximum and minimum δ^13C values of soil organic matter （SOM） changes from 2.2‰ to 2.9‰ for the three yellow soil profiles. But it changes from 0.8‰ to 1.6‰ for the limestone soil profiles. The contrast research indicated that there existed significant difference in vertical pattems of organic carbon and δ^13C values of SOM between yellow soil and limestone soil. This difference may reflect site-specific factors, such as soil type, vegetation form, soil pH value, and clay content, etc., which control the contents of different organic components comprising SOM and soil carbon turnover rates in the profiles. The vertical variation patterns of stable carbon isotope in SOM have a distinct regional character in the karst areas.     

金川铜镍矿山尾矿砂酸溶性实验研究

为研究金川铜镍矿山酸性废水溶解尾矿砂实现综合治理废液与废固的可能性,进行了尾矿砂在硫酸中的溶解实验。结果表明,尾矿砂在硫酸浓度大于3mol/L、温度保持90℃以上并在液固比6.0下强力搅拌,能够较好地溶解于硫酸中,生成无定形二氧化硅;300℃的马弗炉焙烧4h有助于尾矿砂中绿泥石的溶解,对透闪石的溶解影响不大。尾矿砂中橄榄石、蛇纹石和透辉石较容易被硫酸溶解,透闪石、斜长石则比较难溶解,这与尾矿砂中矿物性质有密切关系。     

中国湖相碳酸盐岩时空分布与碳氧同位素特征*

湖相碳酸盐岩产状多样,多以夹层形式分布在碎屑岩剖面中,也见以结核或钙质微体化石等薄层赋存于泥岩、页岩等碎屑岩中,具有层数多、单层薄、呈韵律性变化等特点。受构造背景、物源输入和古环境等因素控制,中国湖相碳酸盐沉积最早出现于二叠纪,主要发育时段为古近纪,具有沉积时间跨度大、分布面积广的特征。湖相碳酸盐岩按成因可分为原生沉积型、成岩改造型和热液喷流型3类。中国湖相碳酸盐岩的碳氧同位素特征可揭示原生和成岩过程中水介质环境的差异性: (1)δ¹³C和 δ¹⁸O 密切相关,且δ¹³C多正偏,指示封闭型咸水、半咸水湖泊环境;(2)δ¹³C和 δ¹⁸O 无相关性,且δ¹³C多负偏,指示开放型湖泊环境;(3)δ¹³C严重正偏,指示成岩作用时发酵带的环境受到古细菌参与的甲烷生成作用的影响。