（自然地理学专业论文）西江溶解无机碳时空变异特征及其物源的同位素示踪.pdf

摘要 西江溶解无机碳时空变异特征及其物源的同位素示踪 自然地理学 姚冠荣 高全洲教授 摘要 河流水系由于对流域强大的碳汇集、输移、改造及对近海水域的干扰而引起科 学界的广泛关注。全球经河流输移入海的碳元素约4 5 以溶解无机碳( d i c ) 形式 存在，年入海总量约3 8 1 0 1 4 9 ，主要来源于碳酸盐岩和土壤大气c 0 2 ，其准确测 量是研究河流碳循环的基础。河流d i c 与流域岩性、气候及水文等因素紧密相关， 有研究指出，即使流域内只存在少量碳酸盐岩，它仍然是河流d i c 的主要控制因素。 西江流域位处湿热的亚热带季风气候区，流域内广泛分布碳酸盐岩，如此特殊的地 质气候大背景势必深刻影响流域d i c 的产出，研究其河流d i c 的浓度、来源、迁移 转化及对大气c 0 2 的源，汇性质意义重大。 本研究选取西江流域下游西江段干支流水系，于2 0 0 5 年4 月2 0 0 6 年3 月进行 了每月一次的周期性观测采样和洪水期间的加密观测( 2 0 0 5 年6 月) ，利用基本水 文水化学参数和稳定碳同位素来揭示西江d i c 浓度及其物源的时空变异特征，并探 讨控制这些变异的主要过程和机制，估算流域d i c 输出通量、水气界面c 0 2 释放 通量及河水d i c 主要物源贡献率，进而查明西江水系在区域碳平衡中所扮演的角色， 结果表明： 1 观测期间，西江段干流d i c 浓度变化于1 1 6 2 4 0 m m l l ，支流桂江和贺江分别 变化于0 8 3 1 7 8 m m l 。和0 7 和1 7 9 m m l l ，呈现明显的时空变异特征：干流 d i c 浓度明显高于支流，且向下游呈减小趋势，基本与流域碳酸盐岩的分布格 局一致；流域水热条件的季节变化引起陆地土壤微生物活性及其c 0 2 含量，以 中山大学博士学位论文西江溶解无机碳时空变异特征及其物源的同位素示踪 及岩石矿物化学风化强度的季节变化，加之洪水期间降水的强烈稀释作用，导 致西江水体d i c 浓度呈现汛期较高、非汛期较低而洪水期最低的季节变化特征。 2 大面积分布的碳酸盐岩在湿热气候条件下发生强烈的风化作用，自身溶蚀的同 时还消耗大量土壤，大气c 0 2 ，极大地促进了陆源无机碳的向海迁移，西江流域 d i c 输出通量约1 2 9 5 9 c m 2 y r 1 ，在已有研究的世界各流域中居中上水平。西江 水系年输出d i c 达4 5 7 x 1 0 1 2 9 c ，占全球河流d i c 年输出总量的1 。流量是控 制西江流域d i c 输出的决定性因素，汛期和6 月洪水期输出的d i c 分别占到了 年输出量的8 4 和4 0 0 0 。 3 西江段干支流表水t c 0 2 全年均处于超饱和状态，变化于6 0 0 , - 11 0 0 0 1 j a t m ，因受 径流量、河流水动力及水体生物活动等因素的影响而呈现明显的时空变异特征： 干支流水体t c 0 2 季节变异模式基本吻合，非汛期波动不大且整体较低，其波动 主要受控于水体生物呼吸分解作用和光合作用的彼此消长。汛期p c c h 受径流 影响波动较大，初汛期较高而后汛期较低，洪水的稀释作用及洪水期水气c 0 2 释放作用的增强又使得年内最低值出现在洪水过境期间。同一观测时段水体 p c 0 2 存在显著空间变化，但向下游没有观察到明显的变化趋势。西江段干流水 - 气c 0 2 释放通量约8 3 - 1 5 6m g ch a l y r l ，其作为大气c 0 2 源的这一作用在区 域性碳平衡预算中应该予以重视。 4 西江段干支流实测艿1 3 c 。值变化于1 7 2 2 8 2 5 0 ，呈现明显的时空变异特征， 流域水热条件及地层岩性控制下碳酸盐岩和土壤c 0 2 两种物源对河水d i c 贡献 比例的时空变化是其主要原因：水热条件的季节变化使得土壤c 0 2 含量及岩石 矿物的化学风化强度存在季节性差异，导致风化产物“重”h c 0 3 。和直接随水排 释的“轻”土壤无机碳对河水d i c 的贡献比例发生季节变化。从而使河水占1 3 c 。， 汛期偏轻而非汛期偏重；干流占1 。，c 明显较支流偏重则体现了流域碳酸盐岩的 空间分布格局。此外，伴随其它过程发生的碳同位素分馏也会影响河水d i c 的 同位素组成，干流艿1 。向下游缺乏规律的空间变化趋势即体现了河流水动力 及水体内部生物活动对河水万1 。的影响。 s 利用艿3 c 质量平衡模型估算河水d i c 两大物源碳酸盐岩和土壤c 0 2 的相对贡献 率，结果表明，西江段河水d i c 两种物源贡献率的空间变化对应于流域碳酸盐 岩的空间分布格局，干流d i c 中由碳酸盐岩溶蚀贡献的约占3 0 , - 4 8 ，明显高 于支流( 2 4 q o ) ，且向下游逐渐降低；流域水热条件的季节变化则使得碳酸 盐岩溶蚀贡献率冬春季节大于夏秋季节。 6 西江既是陆地碳汇向海转移的媒介，每年输出约2 6 0 - 3 2 0 x 1 0 1 2 9 由流域陆地岩 石风化作用消耗的大气c 0 2 - c ，又通过水气界面c 0 2 释放而成为大气c 0 2 的源， 西江段和整个西江水系水- 气c 0 2 垂向释放量分别约o 1 6 - - 0 2 9 x 1 0 1 2 9 c y r l 和 1 6 0 - - , 3 0 0 x 1 0 1 2 9 c y r l 。 关键词：d i c ，万1 3 c ，时空变异，物源，西江 i 中山大学博士学位论文西江溶解无机碳时空变异特征及其物源的同位素示踪 s e a s o n a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n so fd i s s o l v e di n o r g a n i cc a r b o na n d 万1 t r a c i n go fi t ss o u r c e si nt h el o w e rr e a c h e so f t h ex i j i a n g r i v e r , c h i n a p h y f i c a lg e o g r a p h y g u a n r o n gy a o p r o f q u a n z h o ug a o a b s t r a c t r i v e rs y s t e m sh a v ea r o u s e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nf r o ms c i e n t i s t sb a m et h e yc a n c o l l e c ta n dt r a n s p o r ts u b s t a n t i v ec a r b o nf r o mt e r r e s t r i a le n v i r o n m e n tt ot h eo c e a n ， t r a n s f o r mi td u r i n gt h et r a n s p o r t a t i o na n du l t i m a t e l yi m p a c tt h ec 0 2u p t a k ec a p a c i t yo f t h eo c e a n t h ed i s s o l v e di n o r g a n i cc a r b o n ( d i c ) ，m a i n l yo r i g i n a t i n gf r o mc a r b o n a t e s ， s o i lc 0 2a n da t m o s p h e r i ec 0 2 ，c o n s t i t u t e sa b o u t4 5 o ft h er i v e r i n ec a r b o ne x p o r t e dt o t h eo c e a n , i e 3 8 x1 0 1 g c y r l t h er i v e r i n ed i ci sc l o s e l yr e l a t e dw i t hl i t h o l o g y , c l i m a t e a n d h y d r o l o g yo f t h er i v e rb a s i n i th a sb e e np r o v e dt h a tc v e ni f p r e s e n ti nm i l l o ra m o u n t s ， c a r b o n a t e ss t i l la r et h ep i i i n a r yc o n t r o l l i n gf a c t o ro ft h er i v e r i n ed i c t h ex i j i a n gr i v e r d r a i n s t h eh u m i ds u b t r o p i c a lm o n s o o ne r e aw i t he x t e n s i v ec a r b o n a t er o c k s i t sd i c t r a n s p o r t a t i o nw i l lr e s p o n s et ot h e s es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fd r a i n a g eb a s i n t h e r e f o r e , t h er e s e a r c ho nd i cc o n c e n t r a t i o n , s o u r c e s ，e x p o r ta n dt r a n s f o r m a t i o ni nt h ex i j i a n g r i v e ra n di t sr o l ea sas i n ko ras o u l - c eo f a t m o s p h e r i cc 0 2i so f g r e a ts i g n i f i c a n c e w a t e rs a m p l i n ga n df i e l da n dl a b o r a t o r ym e a s u r e m e n t sw e r em o n t h l yc o n d u c t e da t s i xs i t e sa l o n gt h ee n t i r el e n g t ho ft h el o w e rr e a c h e so ft h ex i j i a n gr i v e ra c r o s saw h o l e h y d r o l o g i c a l y e a rf r o ma p r i l2 0 0 5t om a r c h2 0 0 6 a n di n t e n s i v es a m p l i n gw a sa l s o c o n d u c t e dd u r i n gt h ef l o o de v a n ta tw u z h o ug a u g es t a t i o na n dm a k o ug a u g es t a t i o n u s i n gt h eh y d r o l o g i c a l ，c h e m i c a lp a r a m e t e r sa n ds t a b l ec a r b o ni s o t o p i cc o m p o s i t i o n 占o f t h ew a t e r s t or e v e a ls e a s o n a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n si nc o n c e n t r a t i o na n ds o u r c e s i v a b s t r a c t o f r i v e r i n ed i ca n de x p l o r em a i nm e c h a n i s m sa n dp i d c e s s e sc o n t r o l l i n gt h e s ev a r i a t i o n s ， t oe s t i m a t ed i ce x p o r tf l u x 。w a t e r - t o a i rc 0 2f l u xa n dc o n t r i b u t i 0 1 1 5o fm a i ns o u r c e st o r i v e r i n ed i c a n dt of u r t h e rm a k ec l e a rt h er o l eo ft h i sh u m i ds u b t r o p i c a lm o n s o o nr i v e r i nt h er e g i o n a lc a r b o nb u d g e t t h er e s u l t so b t a i n e di nt h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s 1 d u r i n gt h ee n t i r es u r v e yp e r i o d , d i cc o n c e n t r a t i o ni nt h ex i j i a n gr i v e rp r e s e n t e d d i s t i n c ts e a s o n a la n ds p a l i a lv a r i a t i o n s ，r a n g i n gf r o m1 1 6t o2 4 0 m m l 1f o rt h e m a i n s t r e n n ha sw e l l8 , 80 8 3 - 1 7 8 加h 缸。1a n do 7 4 - 1 7 9 m i lf o rt w om b u t a r i e st h e g u i j i a n gr i v e ra n dt h eh e j i a n gr i v e r , r e s p e c t i v e l y 1 1 ”s p a t i a lv a r i a t i o no fr i v e r i n e d i cc o n c e n 扛a t i o nw a sc o n s i s t e n tw i t ht h ed i s t r i b u t i o no fc a r b o n a t er o c k si nb a s i n d i cc o n c e n t r a t i o ni nt h em a i n s t r e a mw a so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a ti nt r i b u t a r i e s a n df o r t h em a i n s t r e a m , d i cc o n c e n t r a t i o nw a sd o w n s t r e a md e c r e a s i n g t h e s e a s o n a lc h a n g i n gp a t t e r n so fd i cc o n c e n t r a t i o ni nt h em a i l 塔t r e a ma n dt r i b u t a r i e s w e r on e a r l yc o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r t h ed i cc o n c e n t r a t i o n si nt h ed r ys e a s o n w e r el o w e rt h a nt h o s ei nt h ew e ts e a s o n , a n dt h en l i n i l n 啪v a l u e sa l m o s to c c u r r e d d u r i n gt h ef l o o c lt h i ss e a s o n a lv a r i a t i o nm a i n l yr e s u l t sf r o ms e a s o n a lv a r i a t i o no f b a c t e r i a la c t i v i t ya n dc 0 2c o n t e n ti ns o i l ，a sw e l la sm i n e r a lw e a t h e r i n g , w h i c h c a u s e db ys e a s o n a lv a r i a t i o no f p r e c i p i t a t i o na n dt e m p e r a t u r ei nb a s i n 2 e x t e n s i v e l yd i s t r i b u t e dc a r b o n a t er o c k so c c u ri n t e n s i v ew e a t h e r i n gu n d e rt h eh u m i d s u b t r o p i c a lc l i m a t e ，g r e a t l ya c c e l e r a t i n ge x p o r to ft e r r e s t r i a li n o r g a n i cc a r b o n _ f r o m t h el a n dt ot h eo c e a n d i ce x p o r tf l u xi nt h ex i j i a n gr i v e rb a s i ni sa b o u t 1 2 9 5 9 c m 2 y r 1 s l i g h t l yh i g h e rt h a ng l o b a lm e a nl e v e l t h ex i j i a n gr i v e ra n n u a l l y e x p o r t sd i ca b o u t4 5 7 1 0 “g c ，a p p r o x i m a t e l ya c c o u n t i n gf o r1 o ft h eg l o b a l r i v e r i n ed i ce x p o r t ，i nw h i c h , 8 4 o c c u r r e di nt h ew e ts e a s o na n d4 0 d u r i n gt h e f l o o di nj u n e 3 1 1 地p c c hi n t h es u r v e y e dr e a c h e sw e r ew e l la b o v ea t m o s p h e r i ce q u i l i b r i u m ( 3 8 0 呻n n ) d u r i n gt h ee n t i r es u r v e yp e r i o d 硝t hd i s t i n c ts e a s o n a la n ds p a t i a l v a r i a t i o n s r e n g m gf r o m6 0 0 t ol1 0 0 0 p a t m t h ep a t t e r n so f p c 0 2s e a s o n a lv a r i a t i o n a c r o s ss i xs i t e sw e r ea l m o s tc o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r t h ep c 0 2i nt h ed r ys e a s o n w 眦r e l a t i v el o w , w i t hr e l a t i v e l ys l i g h tt e m p o r a la n ds p a t i a lf l u c t u a t i o n sw h i c hw e r e p r e d o m i n a n t l yc o n t r o l l e db y ns i t ub i o g e n i ca c t i v i t i e s w h i l et h ep c c hi nt h ew e t s e a s o ng r e a t l yv a r i e dw i t hr i v e rd i s c h a r g e ，b o t ha n n u a lm a x i m u ma n dm i n i m u m v 中山大学博士学位论文西江溶解无机碳时空变异特征及其物源的同位索示踪 p c 0 2o c c u r r i n gi nt h i sp e r i o d t h em u c hh i g h e rp c 0 2i nt h ee a r l yw c ts e a s o n w c r c m a i n l yi n d u c e db yi n c r e a s i n gb a s e f l o wa n di n t e r f l o wt h a tf l u s h e ds i g n i f i c a n ts o i l c 0 2i n t ot h es t r e a m s w h e r e a st h el o w e rp c 0 2o b s e r v e da f t e rf l o o d sf r o mj u l yt o s e p t e m b e r , s o m l oe v e nl o w e rt h a np c 0 2i nt h ed r ys e a s o n , w a sp o t e n t i a l l yr e s u l t e d f r o m ns i t up l a n k t o nb l o o m s t h ea n n u a lm i n i n l u i 3 1 觑o c c u r r e di n t h i sp e r i o d w e d u et ot h ed i l u t i o ne f f e c to ff l o o d w a t e ra l a dm e n g t l a e n e dw a t e r - t o - a i rc 0 2 e v a s i o n t h ep c 0 2i nt h em a i n s t r e a mp r e s e n t e dg r e a ts p a t i a lv a r i a t i o nb u th a d1 1 0 o b v i o u sd o w m t r c a mt r e n d t h ew a t e r - t o - a i rc 0 2f l u xi nt h el o w e rr e a c h e so ft h e x i j i i a n gr i v e ri sa b o u t8 3 1 5 6m g c h a 1 y r 1 t h i sr o l e 鹤as o l u l 忧eo fa t m o s p h e r i c c 0 2s h o u l db ec o n s i d e r e di nt h er e g i o n a lc a r b o nb u d g e ti nf u t u r e 4 皿e 艿d c i nt h es u r v e y e dr e a c h e sv a r i e sf r o m - 1 7 2 2t o - 8 2 5 ，p r e s e n t i n g o b v i o u ss e a s o n a la n d s p a t i a l v a r i a t i o n s s e a s o n a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n so f c o n t r i b u t i o n sf r o mc a r b o n a t e sa n ds o i lc 0 2t ot h ef i v e r i n ed i c ，w h i c hc o n t r o l l e db y b a s i nc l i m a t ea n dl i t h o l o g y , a r et h em a i nr e a s o n s s e a s o n a lv a r i a t i o no fc l i m a t e c a u s e ss e a s o n a ld i f f e r e n c e si n s o i lc 0 2c o n t e n ta n dr o c kw e a t h e r i n gi n t e n s i t y , r e s u l t i n gi ns e a s o n a lc h a n g e so fr e l a t i v oc o n t r i b u t i o n sf r o mc a r b o n a t e sw e a t h e r i n g p r o d u c ta n ds o i li n o r g a n i cc a r b o nt ot h er i v e r i n ed i ca n du l t i m a t e l ym a k i n gt h e 占1 el i g h t e ri nt h ew e t s c a s o nt h a nt h o s ei nt h ed r ys e a s o n 皿e 占1 1 7 d ，ci nt h e m a i n s n e 锄a h e a v i e rt h a nt h o s ei nt r i b u t a r i e s r e f l e c t i n gt h es p a t ! a 1p a t t e r no f c a r b o n a t er o c k s a d d i t i o n a l l y , c a r b o ni s o t o p ef i a e t i o n a t i o mo c c u r r e dw i t ho t h e r p r o c e s s e sa l s oi m p a c tr i v e r i n e 艿1 3 c w 讹e 艿1 mi nt l l em a i l l s t r e l m ll a c k i n g d o w n s t r e a mt r e n di sag o o dr e f l e c t i o no fd i s t u r b a n c ef r o mr i v e r i n ew a t e rd y a a m i e s a n d ns i t ub i o g e n i ea c t i v i t i e s0 1 1m e 万1 3 c m 5 i ti se s t i m a t e db a s e d0 1 1 占1 m o d e lo fm a s se q u i l i b r i u mt h a tt h es p a t i a lv a r i a t i o n s o ft h er a t eo fc o n t r i b u t i o nf r o mc a r b o n a t e sd i s s o l u t i o nt ot h er i v e r i n ed i ca c o n s i s t e n t1 i t ht h es p a t i a lp a t t e r no fb a s i nc a r b o n a t er o c k s , a b o u t3 0 * o - - 4 8 a n d d o w n s t r e a md e c r e a s i n gi nt h em a i n s t r e a m , o b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h o s ei nt r i b u t a r i e s ( 2 4 * , - - 4 0 ) t h es e a s o n a lc h a n g e so fb a s i nc l i m a t ec a u s et h er a t eo fe o n t r i b u d o n f r o mc a r b o n a t e sd i s s o l u t i o na h i g h e ri nw i n t e ra n ds p r i n gt h a nt h o s ei ns u m m e ra n d a u t u n m v 1 a b s t r a c t 6 t h ex i j i a n gr i v e ri sn o to n l yt h em e d i u mf o re x p o r to fa t m o s p h e r i cc 0 2 - ct h a t u p t a k e nb yt e r r e s t r i a le c o s y s t e m , a n n u a l l ye x p o r a n g2 6 m o 2 0 x1 0 “ga t m o s p h e r i c c 0 2 cc o n s u m e db yr o c kw e a t h e r i n g , b u ta l s oas o u l c oo fa t m o s p h e r i cc 0 2d u et o w a t e r - t o - a i rc 0 2e v a s i o n ，b o t ht h el o w e rr e a c h e sa n dt h ew h o l ex i j i a n gr i v e r a n n u a l l yo u t g a s s i n go 1 6 o 2 9 x 1 0 1 2 9a n d1 6 0 - 3 0 0 1 0 1 2 9a t m o s p h e r i cc 0 2 c ， r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：d i s s o l v e di n o r g a n i cc a r b o n ；3 c ；s e a s o n a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n s ；s o u r c e ； t h ex i j i a n gr i v e r 中山大学博士学位论文西江溶解无机碳时宅变异特征及其物源的同位素示踪 1 1 选题背景意义 第1 章绪论 碳元素作为多种温室气体的主要元素，它在大气中浓度的多寡直接影响着全球 气候系统，其生物地球化学循环对人类生存环境、乃至整个地球系统的稳定起着关 键性的作用。工业革命以来，大气c 0 2 浓度大幅升高，诱发气候变化及一系列全球 性生态环境问题，引起了各国政府和科学界的高度重视( u n e p ，1 9 9 4 ；1 9 9 6 ；i g b p ， i h d pa n dw c r p ，2 0 0 1 ) ，碳循环已经成为当前全球变化研究领域中的焦点问题之 一。经过多年的国际合作研究，学术界目前对全球碳循环已经有了较为深入的认识。 然而，困扰学术界的所谓“未知汇”( m i s s i n gs i n k ) 问题( h o u g h t o ne ta l ，1 9 9 9 ) 仍处于探索阶段：一些研究指出所谓“丢失了的碳”( m i s s i n g c a r b o n ) 大部分被北 半球中高纬度的陆地生态系统所固定( f a n g e t a l ，2 0 0 1 ；p a c a l ae t a l 。2 0 0 1 ；s c h i m e l e t a 1 ，2 0 0 1 ) ；中国广东省鼎湖山自然保护区成熟林土壤有机碳长期动态变化的研究 表明，1 9 7 9 - 2 0 0 3 年间，林下2 0 c m 土层土壤有机碳储量以o 6 1 m g c h a l y r l 的平均速 率增长，也是一个可能的汇( z h o ue ta l 。2 0 0 6 ) ，否定了所谓成熟林碳源汇平衡的 传统观点。总之，对碳失汇最合理的解释是在陆地生态系统中，但其空间格局尚需 进一步的确定。 自然界中各种形态的碳元素在大气圈、水圈、生物圈和岩石圈之间相互转换和 运移的过程即为全球碳循环。全球碳循环是由一系列过程控制的，包括大气、海洋 和陆地水圈的物理过程( 如大气环流、陆地侵蚀沉积、洋流等) 、陆地生物和生理 生态过程( 如光合作用、呼吸作用等) 、生物地球化学转变、陆地生物圈的自然和人 类活动引起的扰动( 如森林和草原大火、农业开垦、土地利用变化等) 与矿物燃料 释放相联系的过程。对这些过程在机理层次和综合层次上的理解不仅是了解碳循环 的历史以及认识当前碳循环的关键，而且也是发展诊断和预测方法以加强未来全球 第1 章绪论 碳循环干预的关键( 周广胜。2 0 0 3 ) 。当前学术界更为关注碳元素的表生循环 ( e x o g e n i cc y c l e s ) ，这一循环过程发生在地球表层系统，以外力( 主要是太阳能) 为主要驱动力，光合作用、土壤侵蚀及河流搬运等都属于碳的表生地球化学循环的 环节。 河流系统作为连接陆地和海洋两大碳库自争主要环节，不仅是陆源含碳物质水平 输移入海的主要通道，本身还是一个开放的动态循环系统，通过水一陆、水气和水 沉积物界面过程不断地与周围环境进行碳素的交换运移，河流水体代谢过程也在一 定程度上改造着进入其中的含碳组分，最终汇入海洋的各类碳素又通过对海洋“生 物泵”和“溶解泵”的干扰而影响近海水域碳的性质及其收支状况，进而影响全球 气候系统( b e r n e r , 1 9 9 0 ) ，在全球碳循环中扮演重要角色。通过了解河流碳的来源、 归宿及其在输移过程中所经历的生物地球化学转变，可以确证河流在全球碳循环中 所扮演的角色，并进一步深化对“碳气候”耦合系统的认识。 河流水系由于对流域强大的碳汇集、输移、改造，活跃的水体代谢及对近海水 域的干扰而引起研究者的广泛关注。河流碳循环的大规模研究始于上世纪八十年代 由联合国环境规划署( t h eu n i t e dn a t i o n se n v i r o n m e n tp r o g r a m m e ，u n e p ) 和环境问 题科学委员会( s c i e n t i f i cc o m m i t t e eo np r o b l e m so f t h ee n v i r o n m e n t ，s c o p e ) 发起的 一项名为“全球主要河流碳和矿物质的输移( t r a n s p o r to fc a r b o na n dm i n e r a l si n m a j o rw b d dr i v e r s ) ”的研究计财，经历了从河流碳入海通量估算至b 河流碳生物地 球化学循环机理的探索。我国学者从上世纪九十年代也开始关注河流碳循环研究， 发展历程大体与国际学界相似，但主要集中于河流有机碳研究。众多研究关注河流 有机碳，包括颗粒有机碳( p a r t i c u l a t eo r g a n i cc a r b o n ，p o c ) 、溶解有机碳( d i s s o l v e d o r g a n i cc a r b o n , d o c ) 和胶体有机碳( c o l l o i d a lo r g a n i cc a r b o n , c o c ) 含量的时空 变化及其输出通量，如蔡艳雅和韩舞鹰( 1 9 9 0 ) 对珠江口有机碳的含量、分布变化 及与水化学要素的相关关系进行了初步研究；韩舞鹰和林洪瑛( 1 9 9 2 ) 计算了珠江 三大河口湾( 伶仃洋、磨刀门和崖门) 的碳通量；陶澍等( 1 9 9 7 ) 探讨了伊春河d o c 含量与流量的时空变化规律，并估算了d o c 输出通量；王江涛等分别对鸭绿江口 有机碳( 1 9 9 8 ) 和黄河、长江、钱塘江水体c o c ( 1 9 9 8 ) 进行了研究；z h a n ge ta l ( 1 9 9 8 ) 对中国北方河流p o c 的输出及在河口的行为进行了探讨；戴民汉等( 2 0 0 0 ) 2 中山大学博士学位论文 西江溶解无机碳时空变异特征及其物源的同位素示踪 对珠江口d o c 和c o c 进行了初步研究；高全洲和陶贞等分别报道了珠江流域三干 流西江、北江( 1 9 9 9 ；2 0 0 0 ；2 0 0 1 ；2 0 0 2 ) 和东江支流增江( 2 0 0 4 ) 有机碳含量的季 节变化特征及其输出通量；刘立芳等( 2 0 0 6 ) 研究了黄河不同粒径悬浮颗粒物中有 机碳的含量。 上世纪九十年代，蔡德陵( 1 9 9 2 ；1 9 9 3 ) 采用有机碳稳定同位素方法分别对长 江口区和黄河口区p o c 的来源及季节变化特征进行了研究，开创了国内利用稳定碳 同位素示踪河流碳物源的先河。此后，学者们在国内各主要河流陆续开展了此类研 究，仍集中关注河流有机碳的来源示踪，如吴莹等( 2 0 0 0 ；2 0 0 1 ；2 0 0 2 ) 分别报道了 鸭绿江河口及长江流域p o c 含量及其同位素组成的时空变化特征；魏秀国等( 2 0 0 3 ) 研究了珠江三干流西江、北江和东江水体中悬浮p o c 的稳定同位素组成、分布及其 季节变化特征；高全洲等( 2 0 0 4 ；2 0 0 7 ) 和陶贞等( 2 0 0 4 ) 利用稳定碳同位素和c n 比研究了珠江流域东江的主要支流增江p o c 的含量及来源的季节变化特征：蔡 德陵等( 2 0 0 4 ) 选取黄河中游一条高悬沙支流无定河流域，利用碳、氮稳定同 位素研究方法，根据无定河流域植被、土壤和沉积物的碳同位素调查结果，估算了 c 3 、c 4 植被对该河p o c 的相对贡献率；蔡德陵和李红燕( 2 0 0 4 ) 还对稳定碳、氮 同位素在河流系统有机物研究中的应用作了全面综述，探讨了河流有机质的来源、 转换运移规律及其与沿岸生态系统的关系；胡建芳等( 2 0 0 5 ) 通过分析珠江口表层 沉积有机质的来源及相对含量，揭示了河流陆源输入的重要性。 河流输移入海的含碳物质多以无机形式存在( 约6 0 ) ，据估计，全球河流溶 解无机碳( d i s s o l v e di n o r g a n i cc a r b o n ，d i c ) 年入海通量约0 3 8 g t ( g = - 1 0 9 ) ( m e y b e c k ， 1 9 8 7 ) ，主要来源于碳酸盐矿物与大气土壤c 0 2 ( y a n ge ta 1 ，1 9 9 6 ) 。作为一个开 放系统，河流d i c 与流域岩性、气候、土壤、地表覆被及水文等环境因素紧密相关， 受陆地表层各种物理过程、生化过程和人类活动的共同影响。上世纪八十年代以来， 国外学者在一些单一岩性小流域( d a n d u r a n de ta l ，1 9 8 2 ；a m i o t t e s u c h ee ta 1 ，1 9 9 9 ) 和大河流域干支流系统( p a w e l l e ka n dv e i z e r , 1 9 9 4 ；t a y l o ra n df o x 。1 9 9 6 ；a t e k w a n a a n dk r i s h n a m u r t h y , 1 9 9 8 ；a u c o u re ta l ，1 9 9 9 ；b a r t ha n dv e i z e r , 1 9 9 9 ；t e l m e ra n dv e i z e r , 1 9 9 9 ；w a n ga n dv e i z e r , 2 0 0 0 ；h 6 l i e e ta 1 ，2 0 0 2 ；b a r t he ta 1 ，2 0 0 3 ；b r t m o te t4 正，2 0 0 5 ) 率先开展了对河流d i c 的研究。很多研究利用河流水文水化学参数和稳定碳同位素 第1 章绪论 来示踪河流水生系统d i c 的各种来源，探讨其时空变异特征及控制这些变异的主要 过程。这些过程包括：土壤c 0 2 的汇入，流域岩石土壤矿物化学风化，水体内部生 物代谢活动，以及与大气c 0 2 的平衡交换等( y a n g e ta 1 ，1 9 9 6 ) 。硅酸岩单一岩性小 流域，其河流d i c 只有土壤c c h 和大气c 0 2 两个外源，二者参与硅酸盐矿物化学风 化的比例、水气界面处c 0 2 气体垂向交换的方向和强弱，以及水体内部生物活动的 活跃程度共同决定河流d i c 的艿1 值( 占1 m ) ( a m i o t t e s u c h ee t a l ，1 9 9 9 ) 。而对 于支流众多、岩性复杂的大流域，不同岩性支流的汇入使干流d i c 呈现明显时空变 异特征( y a n g e t a l ，1 9 9 6 ；b a r t