中国主要河流输送陆源碳的同位素特征及影响因素
发布时间：2021-12-31 14:32
长江、黄河、珠江和黑龙江是我国的4条主要大型河流,其淡水和陆源物质的输送对边缘海的物理、生物和地球化学过程具有重要影响。通过碳同位素(13C和14C)与浓度相结合的方法,研究了4条河流输送陆源有机碳（POC和DOC）和无机碳（PIC和DIC）的同位素特征和通量,通过同位素端元模型对各河流输送陆源有机和无机碳的来源做了定量计算并与世界主要河流进行了比较。长江、黄河和珠江输送的DIC和DOC具有千年尺度的14C年龄,高于世界其他大河流,主要受岩石风化以及人类活动的影响。黑龙江流域输送的DIC、DOC及POC具有相对年轻的14C年龄,这表明其河流碳组分主要受陆源植被有机质降解影响。该研究对认识我国主要河流输送陆源碳的特征、来源和控制因素及对边缘海碳循环的影响具有实质意义。
【文章来源】：地球科学进展. 2020,35(09)北大核心CSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
长江、黄河、珠江和黑龙江河流采样站位图
与DIC相比，长江、黄河和珠江输送的DOC浓度比DIC要低得多（图2）。长江DOC浓度在源头通天河地区较高[（158±16）μmol/L]，随着海拔降低急剧减小，在中国地势第一、二级阶梯交界处的C4站位出现全流域最低值，C4下游DOC浓度逐渐升高，并在C6以下的中下游河段趋于稳定，约为120μmol/L。黄河输送DOC浓度[（129±28）μmol/L]平均略高于长江和珠江，除源头H1站位较高外，其余站位浓度差异较小。珠江输送DOC浓度从上游到下游逐渐增加（82～125μmol/L）。黑龙江流域DOC浓度[（839±244）μmol/L]是4条河流中最高的，比其他河流高7～8倍，且干流浓度高于支流，黑龙江河流与长江、黄河和珠江最显著的差异在于其输送的DOC浓度高于DIC浓度（图2）。3.2 碳同位素特征
河流输送DIC很大程度上受到岩石风化作用的影响[23,24,59]。长江源头流域DIC浓度较高（图2），流域岩石类型主要为沉积岩[60]（占岩石总量的83%，其中碳酸盐岩沉积岩占39%），广泛分布的碳酸盐岩的风化作用是控制河流DIC浓度维持在较高水平的主要因素[26,61～63]。随着流域径流量的增加，以及低DIC浓度湖水的注入，从长江源头流域到中下游，DIC浓度逐渐降低，而三峡地区（C8～C11）因为河流沿岸分布有碳酸盐岩，也导致该流域DIC浓度较高。Zhang等[28]的研究也发现长江源头及上游是长江DIC的主要来源，贡献了中下游47%～61%的DIC通量。相比长江，黄河流域碳酸盐岩分布较少[26]（约7%），但其依然具有较高的DIC浓度，且明显高于其他3条河流。这主要有2个原因：一是黄河流经黄土高原，黄土主要组成为石英、长石、云母和碳酸盐[64]，河水中存在大量悬浮颗粒物，而碳酸盐在高浑浊度河水中更易被溶解，从而维持河水高DIC浓度；二是黄河流域98%区域位于干旱至半湿润地区，具有较高的蒸发速率（1 100 mm/a），全流域年降水量仅为年蒸发量的一半，蒸发导致河水中相应离子浓度浓缩，从而使黄河DIC浓度一直维持在较高水平[26,64]。珠江流域DIC浓度与长江中下游DIC浓度相当。Guo等[65]研究表明珠江流域DIC浓度有很强的季节变化，雨季浓度比较低（1 450μmol/L），而旱季浓度相对较高（2 096μmol/L）。我们的样品采于雨季早期，反映的是珠江流域正常流量下DIC的变化情况。尽管珠江流域碳酸盐岩分布广泛，但其降水较多，年径流量大，稀释效应导致珠江DIC浓度比黄河低。黑龙江流域裸露岩石、碳酸盐岩分布较少，风化作用较弱，DIC主要来源于有机质的降解，故DIC浓度相对较低。相比于DIC，长江中下游（C11～C16)DOC浓度没有太大的变化，基本处于一个较稳定的范围内，这也与前人研究结果一致[13,14,28]，而上游河段DOC有类似于DIC的浓度变化趋势。源头DOC浓度较高，可能主要来自沿岸土壤，土壤中保存的老龄难降解有机碳通过雨水及冰雪融化等冲刷带入河流，同时高原地区河水水温常年较低，导致微生物活动较弱，难以降解该部分有机碳，使其可以保留在河水中形成较高的DOC浓度。随着海拔的降低，降雨量增加，同时支流增多，长江干流径流量增加[66]，稀释效应使得长江DOC浓度迅速降低；而到了中下游平原地区，流域内不同河段自然环境和人类活动情况比较接近，这使得长江中下游地区DOC浓度处于稳定水平。黄河源头H1站位DOC浓度最高，H2站位最低，从H2开始到下游逐渐升高。黄河源头较高的DOC浓度主要来自于高原草本植物有机质的溶解释放，因此具有较高的Δ14C值（图3），与长江源头类似，高原地区生物活性较低，减弱了对有机质的降解，导致源头流域DOC浓度相对较高。珠江流域DOC浓度在4条河流中最低。因珠江流域处于亚热带地区，尽管植被茂盛，向河水中释放的有机质较多，但是由于温度较高，微生物活动剧烈，大量植物有机质被迅速降解，导致河水中DOC浓度偏低。而珠江口（Z4），人类生产生活释放的废水中含有大量有机质，使得DOC浓度增加，其对应的14C年龄也有明显增加（图3）。黑龙江流域DOC浓度相对较高。相比于长江和珠江，黑龙江流域虽然生产力相对较低，但是由于所处纬度较高，年平均气温低，微生物活动比较弱，导致大量富含有机物的植物残体积累在土壤中，形成黑土，在春季冰雪融水和夏季降水的冲刷和淋溶作用下，大量有机碳被携带进入河流中，极大的增加了DOC的浓度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Dynamics of soil organic carbon following land-use change:insights from stable C-isotope analysis in black soil of Northeast China[J]. Chenglong Tu,Congqiang Liu,Timothy A.Quine,Matthew William Jones,Taoze Liu,Longbo Li,Wenjing Liu. Acta Geochimica. 2018(05)
[2]An Effective Method of UV-Oxidation of Dissolved Organic Carbon in Natural Waters for Radiocarbon Analysis by Accelerator Mass Spectrometry[J]. XUE Yuejun,GE Tiantian,WANG Xuchen. Journal of Ocean University of China. 2015(06)
[3]民用蜂窝煤燃烧排放颗粒物的化学组成和稳定碳同位素特征[J]. 黄卫,毕新慧,张国华,黄渤,林钦浩,王新明,盛国英,傅家谟. 地球化学. 2014(06)
[4]CHEMICAL WEATHERING PROCESSES AND ATMOSPHERIC CO2 CONSUMPTION OF HUANGHE RIVER AND CHANGJIANG RIVER BASINS[J]. LI Jing-ying1, ZHANG Jing2, 3 (1. School of Materials and Environmental Sciences Qingdao University of Science & Technology Qingdao 266042 P. R. China 2. Chemistry and Chemical Engineering College Ocean University of China Qingdao 266003 P. R. China 3. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research East China Normal University Shanghai 200062 P. R. China). Chinese Geographical Science. 2005(01)
[5]天然放射性碳同位素在海洋有机地球化学中的应用[J]. 王旭晨,戴民汉. 地球科学进展. 2002(03)
本文编号：3560425
【文章来源】：地球科学进展. 2020,35(09)北大核心CSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
长江、黄河、珠江和黑龙江河流采样站位图
与DIC相比，长江、黄河和珠江输送的DOC浓度比DIC要低得多（图2）。长江DOC浓度在源头通天河地区较高[（158±16）μmol/L]，随着海拔降低急剧减小，在中国地势第一、二级阶梯交界处的C4站位出现全流域最低值，C4下游DOC浓度逐渐升高，并在C6以下的中下游河段趋于稳定，约为120μmol/L。黄河输送DOC浓度[（129±28）μmol/L]平均略高于长江和珠江，除源头H1站位较高外，其余站位浓度差异较小。珠江输送DOC浓度从上游到下游逐渐增加（82～125μmol/L）。黑龙江流域DOC浓度[（839±244）μmol/L]是4条河流中最高的，比其他河流高7～8倍，且干流浓度高于支流，黑龙江河流与长江、黄河和珠江最显著的差异在于其输送的DOC浓度高于DIC浓度（图2）。3.2 碳同位素特征
河流输送DIC很大程度上受到岩石风化作用的影响[23,24,59]。长江源头流域DIC浓度较高（图2），流域岩石类型主要为沉积岩[60]（占岩石总量的83%，其中碳酸盐岩沉积岩占39%），广泛分布的碳酸盐岩的风化作用是控制河流DIC浓度维持在较高水平的主要因素[26,61～63]。随着流域径流量的增加，以及低DIC浓度湖水的注入，从长江源头流域到中下游，DIC浓度逐渐降低，而三峡地区（C8～C11）因为河流沿岸分布有碳酸盐岩，也导致该流域DIC浓度较高。Zhang等[28]的研究也发现长江源头及上游是长江DIC的主要来源，贡献了中下游47%～61%的DIC通量。相比长江，黄河流域碳酸盐岩分布较少[26]（约7%），但其依然具有较高的DIC浓度，且明显高于其他3条河流。这主要有2个原因：一是黄河流经黄土高原，黄土主要组成为石英、长石、云母和碳酸盐[64]，河水中存在大量悬浮颗粒物，而碳酸盐在高浑浊度河水中更易被溶解，从而维持河水高DIC浓度；二是黄河流域98%区域位于干旱至半湿润地区，具有较高的蒸发速率（1 100 mm/a），全流域年降水量仅为年蒸发量的一半，蒸发导致河水中相应离子浓度浓缩，从而使黄河DIC浓度一直维持在较高水平[26,64]。珠江流域DIC浓度与长江中下游DIC浓度相当。Guo等[65]研究表明珠江流域DIC浓度有很强的季节变化，雨季浓度比较低（1 450μmol/L），而旱季浓度相对较高（2 096μmol/L）。我们的样品采于雨季早期，反映的是珠江流域正常流量下DIC的变化情况。尽管珠江流域碳酸盐岩分布广泛，但其降水较多，年径流量大，稀释效应导致珠江DIC浓度比黄河低。黑龙江流域裸露岩石、碳酸盐岩分布较少，风化作用较弱，DIC主要来源于有机质的降解，故DIC浓度相对较低。相比于DIC，长江中下游（C11～C16)DOC浓度没有太大的变化，基本处于一个较稳定的范围内，这也与前人研究结果一致[13,14,28]，而上游河段DOC有类似于DIC的浓度变化趋势。源头DOC浓度较高，可能主要来自沿岸土壤，土壤中保存的老龄难降解有机碳通过雨水及冰雪融化等冲刷带入河流，同时高原地区河水水温常年较低，导致微生物活动较弱，难以降解该部分有机碳，使其可以保留在河水中形成较高的DOC浓度。随着海拔的降低，降雨量增加，同时支流增多，长江干流径流量增加[66]，稀释效应使得长江DOC浓度迅速降低；而到了中下游平原地区，流域内不同河段自然环境和人类活动情况比较接近，这使得长江中下游地区DOC浓度处于稳定水平。黄河源头H1站位DOC浓度最高，H2站位最低，从H2开始到下游逐渐升高。黄河源头较高的DOC浓度主要来自于高原草本植物有机质的溶解释放，因此具有较高的Δ14C值（图3），与长江源头类似，高原地区生物活性较低，减弱了对有机质的降解，导致源头流域DOC浓度相对较高。珠江流域DOC浓度在4条河流中最低。因珠江流域处于亚热带地区，尽管植被茂盛，向河水中释放的有机质较多，但是由于温度较高，微生物活动剧烈，大量植物有机质被迅速降解，导致河水中DOC浓度偏低。而珠江口（Z4），人类生产生活释放的废水中含有大量有机质，使得DOC浓度增加，其对应的14C年龄也有明显增加（图3）。黑龙江流域DOC浓度相对较高。相比于长江和珠江，黑龙江流域虽然生产力相对较低，但是由于所处纬度较高，年平均气温低，微生物活动比较弱，导致大量富含有机物的植物残体积累在土壤中，形成黑土，在春季冰雪融水和夏季降水的冲刷和淋溶作用下，大量有机碳被携带进入河流中，极大的增加了DOC的浓度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Dynamics of soil organic carbon following land-use change:insights from stable C-isotope analysis in black soil of Northeast China[J]. Chenglong Tu,Congqiang Liu,Timothy A.Quine,Matthew William Jones,Taoze Liu,Longbo Li,Wenjing Liu. Acta Geochimica. 2018(05)
[2]An Effective Method of UV-Oxidation of Dissolved Organic Carbon in Natural Waters for Radiocarbon Analysis by Accelerator Mass Spectrometry[J]. XUE Yuejun,GE Tiantian,WANG Xuchen. Journal of Ocean University of China. 2015(06)
[3]民用蜂窝煤燃烧排放颗粒物的化学组成和稳定碳同位素特征[J]. 黄卫,毕新慧,张国华,黄渤,林钦浩,王新明,盛国英,傅家谟. 地球化学. 2014(06)
[4]CHEMICAL WEATHERING PROCESSES AND ATMOSPHERIC CO2 CONSUMPTION OF HUANGHE RIVER AND CHANGJIANG RIVER BASINS[J]. LI Jing-ying1, ZHANG Jing2, 3 (1. School of Materials and Environmental Sciences Qingdao University of Science & Technology Qingdao 266042 P. R. China 2. Chemistry and Chemical Engineering College Ocean University of China Qingdao 266003 P. R. China 3. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research East China Normal University Shanghai 200062 P. R. China). Chinese Geographical Science. 2005(01)
[5]天然放射性碳同位素在海洋有机地球化学中的应用[J]. 王旭晨,戴民汉. 地球科学进展. 2002(03)
本文编号：3560425
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