夏季汾河干流溶解无机碳同位素组成及其来源
发布时间：2022-02-15 18:14
根据2019年8月对汾河干流水文参数和碳酸盐参数的调查,初步探讨了溶解无机碳（DIC）及同位素值(δ13CDIC)的沿程变化及其影响因素.结果显示,源头水DIC为2756μmol/kg,δ13CDIC为-9.6‰,土壤CO2输入和碳酸岩化学风化可能是其主要来源;在太原市区上游的水库影响区,较强的初级生产使得水体DIC（平均值为2377μmol/kg）和CO2分压（p CO2）（平均值为552μatm）偏低,δ13CDIC（平均值为-5.2‰）偏正,而在市区下游的水坝滞流影响区,城市污水的大量输入和有机物的降解使得DIC（>4900μmol/kg）和p CO2（>5000μatm）显著升高,δ13CDIC（<-10.3‰）偏负;在流经主要粮食产区的汾河下游,δ13CDIC偏正（～-8.0‰）于源头,可能与C4植被（如玉米）的存在有关.可见,人为干扰已成为影响汾河DIC沿程变化的重要因素,表现为大气CO2强源的城市下游水...
【文章来源】：中国环境科学. 2020,40(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
汾河干流溶解无机碳(DIC)和总悬浮物(TSS)沿程变化
由于不同碳库的13C差别较大,δ13CDIC常成为研究河流中DIC来源、迁移和生物地球化学转化过程的重要参数.如图4所示,汾河表层水δ13CDIC变化范围为-10.5‰～-1.8‰,平均值为-7.7‰,沿途差异显著.汾河流域位于黄土高原东翼,而黄土富含碳酸盐,且作为风成堆积物土质疏松,地形破碎,强烈的机械侵蚀和化学风化作用会导致河流水体DIC含量明显偏高.河流源头DIC(2756μmol/kg)处于较高水平,δ13CDIC偏负(-9.6‰).而河水补给主要来自于降水汇集而成的地表径流和地下径流,且沿岸多分布奥陶纪灰岩(碳酸岩为主),因此,流域内土壤CO2输入和碳酸岩化学风化可能是源头水高DIC的重要来源.已有研究表明土壤CO2溶解于水后,水体的δ13CDIC理论平均值为-17‰[23-24];而碳酸岩化学风化过程,由于其产生的DIC一半来自于碳酸岩自身(δ13CDIC理论值为0‰)[7],一半来自于水体中的CO2(-17‰),所以δ13CDIC理论值平均值为-8.5‰.汾河源头水体δ13CDIC介于二者δ13CDIC理论平均值之间,加之该区域远离城市和农业活动区,人为干扰也可忽略,可近似认为源头DIC只有这两种源的贡献.根据质量平衡模式,利用土壤CO2溶于水中的δ13CDIC特征值(-17‰)和碳酸岩化学风化的δ13CDIC特征值(-8.5‰)来计算源头水体DIC来源的相对贡献率.结果表明,汾河源头水体DIC来自土壤CO2输入的相对贡献为13%,来自碳酸岩化学风化过程的相对贡献为87%.寨上站至汾河三坝站河段,水体δ13CDIC经历了明显升高而后又显著降低的过程,该河段的δ13CDIC和DIC分布呈现区域化特点(图4,5a).在寨上站至兰村站河段,δ13CDIC明显偏正(平均值为-5.2‰),汾河二库站更是达到-1.8‰.该河段位于太原市上游,沿岸多为险峻山区,无规模以上工业,是太原市重要的水源地.该河段内存在的汾河水库和汾河二库是山西省内两座蓄水量最大的水库,坝高分别为61和88m,控制流域面积分别为5268和2348km2.大型水库截流蓄水,增加水体滞留时间,表层水体浮游植物生长作用增强,致使光合作用成为影响表层水体的主要过程[25],这一河段DO均明显过饱和,超过105%(图5b).光合作用吸收CO2,12C会优先被吸收,使得水体中的DIC富集13C,导致δ13CDIC明显偏正,DIC相比源头明显降低.相似的现象比如在阿根廷的Colorado河和Negro河[26],受水库蓄水影响,河水δ13CDIC偏正(-6.3‰～-2.9‰),平均值为-4.75‰.又比如在乌江流域[25],库区水体的δ13CDIC相比河流偏正约2.0‰,DIC偏低约230μmol/kg.至于晋阳桥站,该站位于太原市汾河湿地公园内,人工生态湿地的修复使得河流两岸植被较好,水体处于中度富营养状态[27],DO%高达150.9%,所以δ13CDIC也明显偏正,DIC偏低(图5b).
1.2 样品采集与处理本研究于2019年8月9日～14日(丰水期)沿汾河干流共采集12个站点水样(图1),其中包括1个库区水样(汾河二库)和2个水坝坝后水样(汾河二坝和汾河三坝).采集水样时,借助船舶、路桥等条件选择河流中部流动性较好的水体,利用有机玻璃直立式采水器(SC-01A,北京市格雷斯普科技开发公司)通过绳吊的方法采集表层水(水面以下0.2m),现场测定水温、溶解氧饱和度(DO%)和p H值参数.其中水温和DO%采用YSI-5000溶氧仪(膜电极法)(YSI Corporation,Yellow Spring,Ohio,USA)测定,水温读数精确至0.01℃,DO%同时用温克勒法进行测定校正,DO%读数精确至0.1%.p H值采用Orion-StarA211型(Ross电极)酸度计现场测定平行双样,所用标度为NBS标度(25℃下4.00;6.86;9.18),精确度为±0.01.总悬浮物(TSS)水样经孔径为0.45μm的醋酸纤维膜过滤,滤膜在烘箱中45～50℃低温烘至恒重,以万分之一电子天平称重,平行样品的误差不超过0.5mg/L.DIC及δ13CDIC样品于现场采用注射器自采水器直接取样,经一次性针孔过滤器(0.45μm)过滤,以尽量减少与空气的接触,然后滤液中加入饱和HgCl2(饱和HgCl2溶液占滤液体积的0.2‰)并在4℃下保存.DIC采用DIC分析仪进行测定(AS-C2,Apollo SciTech,USA),并用美国Scripps海洋研究所生产的国际通用的CRMs标准海水进行质量控制,平行样品测定精度小于0.1%.δ13CDIC样品采用GasbenchⅡ在线提取装置,结合Finnigan MAT 253质谱仪进行分析,测定结果用相对于PDB标准的13C/12C的千分偏差表示.标准物质的δ13C重复测定结果优于0.1‰,平行样品的测定误差多数小于0.05‰.水体原位CO2分压(p CO2)采用通用的碳酸盐体系互算软件CO2SYS[18],由现场p H值和DIC计算得到.室内参数的测定均于自然资源部第一和第三海洋研究所中进行.
【参考文献】：
期刊论文
[1]汾河流域上游段地质灾害影响因素分析[J]. 徐博,王启亮,吕义清. 人民长江. 2017(S2)
[2]三岔河pCO2特征及水-气界面通量分析[J]. 钱娟婷,吴起鑫,安艳玲,侯祎亮,韩贵琳,涂成龙. 中国环境科学. 2017(06)
[3]沁河流域水化学组成的空间和时间变化特征[J]. 秦勇,张东,赵志琦. 生态学杂志. 2016(06)
[4]太原汾河景区浮游植物群落结构及其与环境因子关系分析[J]. 冯佳,郭宇宁,王飞,吕俊平,刘琪,谢树莲,程革,张建民. 环境科学. 2016(04)
[5]汾河流域生态地质环境演化分析[J]. 张海永. 华北国土资源. 2015(02)
[6]九龙江的碳酸盐体系、CO2分压及其调控[J]. 祁第,翟惟东,陈能汪,吴杰忠. 地球与环境. 2014(03)
[7]筑坝对喀斯特河流水体溶解性无机碳地球化学行为的影响[J]. 彭希,刘丛强,王宝利,赵颜创. 科学通报. 2014(Z1)
[8]汾河表层沉积物PCBs和OCPs含量、来源及生态风险[J]. 郭掌珍,孟会生,张渊,李维宏,郭青霞. 中国环境科学. 2013(04)
[9]西安周边河流溶解无机碳浓度及同位素组成初探[J]. 郭威,李祥忠,刘卫国. 环境科学. 2013(04)
[10]基于GIS的汾河源头森林景观格局分析[J]. 韩建平. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2012(11)
本文编号：3627095
【文章来源】：中国环境科学. 2020,40(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
汾河干流溶解无机碳(DIC)和总悬浮物(TSS)沿程变化
由于不同碳库的13C差别较大,δ13CDIC常成为研究河流中DIC来源、迁移和生物地球化学转化过程的重要参数.如图4所示,汾河表层水δ13CDIC变化范围为-10.5‰～-1.8‰,平均值为-7.7‰,沿途差异显著.汾河流域位于黄土高原东翼,而黄土富含碳酸盐,且作为风成堆积物土质疏松,地形破碎,强烈的机械侵蚀和化学风化作用会导致河流水体DIC含量明显偏高.河流源头DIC(2756μmol/kg)处于较高水平,δ13CDIC偏负(-9.6‰).而河水补给主要来自于降水汇集而成的地表径流和地下径流,且沿岸多分布奥陶纪灰岩(碳酸岩为主),因此,流域内土壤CO2输入和碳酸岩化学风化可能是源头水高DIC的重要来源.已有研究表明土壤CO2溶解于水后,水体的δ13CDIC理论平均值为-17‰[23-24];而碳酸岩化学风化过程,由于其产生的DIC一半来自于碳酸岩自身(δ13CDIC理论值为0‰)[7],一半来自于水体中的CO2(-17‰),所以δ13CDIC理论值平均值为-8.5‰.汾河源头水体δ13CDIC介于二者δ13CDIC理论平均值之间,加之该区域远离城市和农业活动区,人为干扰也可忽略,可近似认为源头DIC只有这两种源的贡献.根据质量平衡模式,利用土壤CO2溶于水中的δ13CDIC特征值(-17‰)和碳酸岩化学风化的δ13CDIC特征值(-8.5‰)来计算源头水体DIC来源的相对贡献率.结果表明,汾河源头水体DIC来自土壤CO2输入的相对贡献为13%,来自碳酸岩化学风化过程的相对贡献为87%.寨上站至汾河三坝站河段,水体δ13CDIC经历了明显升高而后又显著降低的过程,该河段的δ13CDIC和DIC分布呈现区域化特点(图4,5a).在寨上站至兰村站河段,δ13CDIC明显偏正(平均值为-5.2‰),汾河二库站更是达到-1.8‰.该河段位于太原市上游,沿岸多为险峻山区,无规模以上工业,是太原市重要的水源地.该河段内存在的汾河水库和汾河二库是山西省内两座蓄水量最大的水库,坝高分别为61和88m,控制流域面积分别为5268和2348km2.大型水库截流蓄水,增加水体滞留时间,表层水体浮游植物生长作用增强,致使光合作用成为影响表层水体的主要过程[25],这一河段DO均明显过饱和,超过105%(图5b).光合作用吸收CO2,12C会优先被吸收,使得水体中的DIC富集13C,导致δ13CDIC明显偏正,DIC相比源头明显降低.相似的现象比如在阿根廷的Colorado河和Negro河[26],受水库蓄水影响,河水δ13CDIC偏正(-6.3‰～-2.9‰),平均值为-4.75‰.又比如在乌江流域[25],库区水体的δ13CDIC相比河流偏正约2.0‰,DIC偏低约230μmol/kg.至于晋阳桥站,该站位于太原市汾河湿地公园内,人工生态湿地的修复使得河流两岸植被较好,水体处于中度富营养状态[27],DO%高达150.9%,所以δ13CDIC也明显偏正,DIC偏低(图5b).
1.2 样品采集与处理本研究于2019年8月9日～14日(丰水期)沿汾河干流共采集12个站点水样(图1),其中包括1个库区水样(汾河二库)和2个水坝坝后水样(汾河二坝和汾河三坝).采集水样时,借助船舶、路桥等条件选择河流中部流动性较好的水体,利用有机玻璃直立式采水器(SC-01A,北京市格雷斯普科技开发公司)通过绳吊的方法采集表层水(水面以下0.2m),现场测定水温、溶解氧饱和度(DO%)和p H值参数.其中水温和DO%采用YSI-5000溶氧仪(膜电极法)(YSI Corporation,Yellow Spring,Ohio,USA)测定,水温读数精确至0.01℃,DO%同时用温克勒法进行测定校正,DO%读数精确至0.1%.p H值采用Orion-StarA211型(Ross电极)酸度计现场测定平行双样,所用标度为NBS标度(25℃下4.00;6.86;9.18),精确度为±0.01.总悬浮物(TSS)水样经孔径为0.45μm的醋酸纤维膜过滤,滤膜在烘箱中45～50℃低温烘至恒重,以万分之一电子天平称重,平行样品的误差不超过0.5mg/L.DIC及δ13CDIC样品于现场采用注射器自采水器直接取样,经一次性针孔过滤器(0.45μm)过滤,以尽量减少与空气的接触,然后滤液中加入饱和HgCl2(饱和HgCl2溶液占滤液体积的0.2‰)并在4℃下保存.DIC采用DIC分析仪进行测定(AS-C2,Apollo SciTech,USA),并用美国Scripps海洋研究所生产的国际通用的CRMs标准海水进行质量控制,平行样品测定精度小于0.1%.δ13CDIC样品采用GasbenchⅡ在线提取装置,结合Finnigan MAT 253质谱仪进行分析,测定结果用相对于PDB标准的13C/12C的千分偏差表示.标准物质的δ13C重复测定结果优于0.1‰,平行样品的测定误差多数小于0.05‰.水体原位CO2分压(p CO2)采用通用的碳酸盐体系互算软件CO2SYS[18],由现场p H值和DIC计算得到.室内参数的测定均于自然资源部第一和第三海洋研究所中进行.
【参考文献】：
期刊论文
[1]汾河流域上游段地质灾害影响因素分析[J]. 徐博,王启亮,吕义清. 人民长江. 2017(S2)
[2]三岔河pCO2特征及水-气界面通量分析[J]. 钱娟婷,吴起鑫,安艳玲,侯祎亮,韩贵琳,涂成龙. 中国环境科学. 2017(06)
[3]沁河流域水化学组成的空间和时间变化特征[J]. 秦勇,张东,赵志琦. 生态学杂志. 2016(06)
[4]太原汾河景区浮游植物群落结构及其与环境因子关系分析[J]. 冯佳,郭宇宁,王飞,吕俊平,刘琪,谢树莲,程革,张建民. 环境科学. 2016(04)
[5]汾河流域生态地质环境演化分析[J]. 张海永. 华北国土资源. 2015(02)
[6]九龙江的碳酸盐体系、CO2分压及其调控[J]. 祁第,翟惟东,陈能汪,吴杰忠. 地球与环境. 2014(03)
[7]筑坝对喀斯特河流水体溶解性无机碳地球化学行为的影响[J]. 彭希,刘丛强,王宝利,赵颜创. 科学通报. 2014(Z1)
[8]汾河表层沉积物PCBs和OCPs含量、来源及生态风险[J]. 郭掌珍,孟会生,张渊,李维宏,郭青霞. 中国环境科学. 2013(04)
[9]西安周边河流溶解无机碳浓度及同位素组成初探[J]. 郭威,李祥忠,刘卫国. 环境科学. 2013(04)
[10]基于GIS的汾河源头森林景观格局分析[J]. 韩建平. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2012(11)
本文编号：3627095
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