（自然地理学专业论文）西江河流溶解有机碳的变异规律及输出通量.pdf

西江河流溶解有机碳的变异规律及输出通量 专业：自然地理学 博士生：张永领 指导老师：高全洲教授 中文摘要 于2 0 0 5 年3 月至2 0 0 6 年3 月在西江干流的两个重要水文站梧州水文站 和马口水文站进行一个水文年度连续1 3 个月的周期性采样，并且在各个典型水 文过程进行连续采样，通过测定河流溶解有机碳( d o c ) 含量，本文分析和探讨 了西江河流溶解有机碳的变异规律及输出通量，主要得出以下结论： 河流溶解有机碳含量在采样段面上以均匀分布为主要特征，但是在梧州水文 站断面水体d o c 含量仍存在明显的左侧与右侧差异型的分布形态，这主要是因 为桂江从左侧汇入西江，其流量及河流d o c 含量直接影响梧州水文站采样断面 的d o c 分布特征，对于近距离没有支流影响的马口水文站采样断面d o c 含量 就不存在明显的差异型的断面分布形态。 在2 0 0 5 年6 月的特大洪水期间，尽管河水流量有十几倍的变化，d o c 含量 的变化幅度却很小，但仍然有明显的变化趋势，并呈现出一定的阶段性，在最大 洪峰前后，d o c 含量与流量变化基本一致，到了洪水后期，d o c 含量随流量的 减小而增加。在河流的春季涨水时期、洪水前夕、洪水期间及洪水过后流量急剧 下降时期这4 个水文阶段，河流d o c 平均含量分别为1 2 5 m g l 、1 1 3 m g l 、1 0 5 m g 1 和o 8 6 m g ! ，呈明显的递减趋势。西江河流d o c 含量有明显的季节变化，最大 值出现在1 2 月份，最小值出现在洪水前后，西江河流d o c 含量的变化特征与其 它河流明显不同，表现出了典型地理特殊性。 西江全年d o c 输出通量为2 1 8 x 1 0 g ，2 0 0 5 年6 月份d o c 的输出量最多，为 6 6 9 x 1 0 m g ，约占全年d o c 输出通量的3 0 左右。西江d o c 输送主要发生在汛期 ( 4 - 9 , 9 ) ，尤其是夏季，d o c 的输送量分别占全年d o c 输出总量的8 0 和5 6 左 右。2 0 0 5 年6 y 的特大洪水输出的溶解有机碳约4 5 x 1 0 1 0 9 ，占全年时间3 的洪水 过程，输送了全年2 0 的d o c 输送总量。 摘要 西江流域d o c 产出与径流深度之间以及河流d o c 荷载通量与流量之间存在 非常显著的相关关系。西江流域d o c 产出通量为0 6 3g m 2 a ，河流d o c 平均含 量为1 1 9 m 鲫，明显低于世界平均水平。 西江流域夏季n p p 较高，其次是春秋季节，冬季最小西江流域的年n p p 约在4 0 0 5 0 0 9 c m 2 之间，上游地区较低，约在2 0 0 3 0 0 9 c m 2 之间，中下游地区 较高，约在5 0 0 6 0 0 9c m 2 。西江流域的年n i p 总量约为1 5 0 1 x 1 0 ”g c 。西江年 d o c 输出总量约占年n p p 总量的0 1 5 ，其中6 月的d o c 输出量占该月n p p 总量的比例最高，约为0 3 8 关键词：西江；溶解有机碳；输出；通量；变异；n i p a b a t r a c t t h ev a r i a t i o na n d e x p o r to fd i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n i nt h e x i j i a n gr i v e r m a j o r ：p h y s i c a lg e o g r a p h y n a m e ：z h a n gy o n g l i n g s u p e r v i s o r ：g a oq u a n z h o u a b s t r a c t c o n c e n t r a t i o n so fd i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ( d o c ) w e r em e a s u r e dm o n t h l yo v e r a1 3 m o n t hp e r i o da n dm o r ef i e a l u e n t l yd u r i n g4t y p i c a lh y d r o l o g i c a lp e r i o d s 如m m a r c h2 0 0 5t om a r c h2 0 0 6a tt w og a u g es t a t i o n si nt h em a i ns t e mo ft h ex i j i a n g r i v e r , w h i c hd r a i n sad e n s e l yp o p u l a t e ds u b t r o p i c a lm o n s o o na r e a t h ev a r i a t i o na n d e x p o r to f d o c w e l ea n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： u n i f o r md i s t r i b u t i o no fd o ca te a c hs a m p l i n gs e c t i o nw a st h em a i nd i s t r i b u t i n g c h a r a c t e r i s t i c t h e r ea l s oe x i s t e da n o t h e rd i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i c t h a td o c e o n c e n t r s t i o n so fl e f ts i d ew e r ei n c o n s i s t e n tt ot h o s eo fr i g h ts i d ei nt h ew u z h o u s a m p l i n gs e c t i o n , b e c a u s eo ft h e c o n t r i b u t i o no fd o ca n dt h er u n o f ff r o mt h e g u i j i a n gr i v e rw h i c hi n j e c t st h em a i ns t e mi nt h el e f ts i d e b u tf o rm a k o us a m p l i n g s e c t i o n , t h e r ew a sn oo b v i o u sd i f f e r e n c ei nd o cc o n c e n t r a t i o n sw i t h o u tt h ej o i no f t h et r i b u t a r y ao n c e - i n - a - c e n t u r yf l o o do c c u r r e di nx i j i a n gr i v e ri nj u n e2 0 0 5 a l t h o u g ht h e d i s c h a r g ev a r i e dg r e s t l y ，t h ed o c v a r i e ds l i g h t l yd u r i n gt h ef l o o d t h ev a r i a t i o no f d o cc o n c e n t r a t i o nw a sc o n s i s t e n t 州mt h er u n o f fd u r i n gt h em a x i m u mf l o o dp e a k 。 b u td o cc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i n gr u n o f fd u i n gt h el a s tp e r i o do f t h ef l o o d ，w h i c hi sv e r yd i f f e r e n tf r o mo t h e rr i v e r s b u tt h e ya l s oh a dav a r i a t i o nt r e n d a n ds h o w e dc e r t a i np h a s e s d u r i n gt h es w e l l i n gp e r i o d ，b e f o r et h ef l o o d ，t h ef l o o d i n g p e r i o da n da f t e rt h ef l o o dp e r i o d ，t h em e a nd o c c o n c e n t r a t i o n sw e r e 1 2 5 m g 1 ， 1 1 3 m g l ，1 0 5 m g la n do 8 6 m g ，i ，r e s p e c t i v e l y ；p r e s e n t i n gad e c r e a s i n gt r e n d t h ed o cc o n c e n t r a t i o n sh a do b v i o u s l ys e a s o n a lv a r i a t i o n s ，a n dt h eh i g h e s td o c l a b s t m e t c o n c e n t r a t i o n so c c u r r e di nd e c e m b e ra n dt h el o w e s tw a so b s e r v e dd u r i n gt h ef l o o d , w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mo t h e rw o r l dr i v e r sa n ds h o w ss p e c i a lg e o g r a p h i c a ls p e c i f i c t h ey e a r l yd o ce x p o r tw a s2 1 8 x 1 0 1 1 9 t h em a x i m u mt r a n s p o r to fd o c o c c u r r e di nj t m e 2 0 0 5 ，a c c o u n t i n gf o r3 0 o ft h et o t a ly e a r l yt r a n s p o r t d o ce x p o r t w a sm a i n l yi nt h ef l o o ds e a s o n , e s p e c i a l l yi ns u m m e r , w h i c ha c c o u n t e df o r5 6 a n d 8 0 o ft h et o t a ly e a r l yt r a n s p o r t ，r e s p e c t i v e l y 4 5 x 1 0 1 0 9o fd o cw a st r a n s p o r t e a w h i c ha c c o u n t e df o r2 0 o ft h ey e a r l yd o cf l u xd u r i n gt h eb i gf l o o di nj u n e 2 0 0 5 t h a ta c c o u n t e df o r3 o f ay e a rt i m e d o cy i e l df r o mt h ex i j i a n gr i v e rw a sv e r ys i g n i f i c a n t l yc o r r e c t e dw i t hr u n o f f d e p t h , a n dd o cl o a do ft h ex i j i a n gr i v e rw a sv e r ys i g n i f i c a n t l yc o r r e c t e dw i t l lt h e d i s c h a r g e t h em e a nd o cy i e l df r o mt h ex i j i a n gr i v e rc a t c h m e n tw a s0 6 3g m z l a , a n dm e a nd o cc o n c e n t r a t i o nw a s1 1 9 m 鲫，w h i c hw e r em u c hl o w e rt h a nt h ew o r l d a v e r a g e s t h en e tp r i m a r yp r o d u c t i o n 畔) w a st h eh i g h e s ti ns u m f n e ra n dt h el o w e s ti n w 缸e ri nt h ex i j i a n gr i v e r c a t c h m e n t t h ea v e r a g ey e a r l yn p pi nt h ex i j i a n gr i v e r e a t e h m e n tw a s5 0 0 , - - 6 0 0g c m 2 ，a n dt h eu p p e rs e g m e n tw a sl o ww i t hn p po f 2 0 0 3 0 0 g o * m 2 ，a n dt h em i d d l ea n dl o w e rs e g m e n t sw e r eh i g h e rw i t hn p po f5 0 0 6 0 0g c l m 2 t h et o t a l y e a r l y n p po ft h ev e g e t a t i o ni nt h e x i j i a n gr i v e rc a t c h m e n tw a s 1 5 0 1 x 1 0 1 3 9 c t h e y e a r l y d o c f l u x a c c o u n t e d f o r o 1 5 o f t h e t o t a l y e a r l y n p p k e y w o r d s ：t h ex i j i a n gr i v e r ；d i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ；e x p o r t ；f l u x ；v a r i a t i o n ；n e t p r i m a r yp r o d u c f i o n 第l 章引占 1 1 全球交化与碳循环 第1 章引言 我们的地球正在经历一场以气候变暖为特征的全球变化，i p c c 研究表明【l 】， 近百年来全球气温上升了0 6 c ( 图1 1 ) 近百年来全球最暖的1 4 个年份均出 现在1 9 8 3 年以后，而且2 0 世纪的增温速度可能是过去1 0 0 0 年中最高的。全球 变暖使气候系统已经发生和正在发生剧烈变化，如气候带北移，干旱和洪涝更加 频繁，厄尔尼诺现象持续时间更强、强度更大、出现频率更高 2 1 ，极端天气气候 事件如暴雨、冰雹、沙尘暴等出现的频率和强度也在增加【3 - 6 。气候变化对自然 生态系统也产生了巨大的影响，如极地冰雪融化、海平面升高、湖泊面积萎缩、 土地沙漠化等等，随着气候变化速度的加快，使地球上的生态系统以前所未有的 速度遭受破坏f 7 一。由全球变暖所引发的一系列问题已经引起了科学家、各国政 府首脑和决策者的高度关注。 p v 斗 醺 憾 赠 1 8 6 01 8 8 01 9 0 01 9 2 01 9 4 01 9 6 01 9 8 02 0 0 0 年份 图1 11 8 6 0 年以来全球气温变化趋势( 来自h t t p ：w w w c r u u e a a c ，u k ) 入们普遍认为造成全球变暖的根本原因是大气中的温室气体如二氧化碳 ( c 0 2 ) 、甲烷( c r h ) 、氮氧化物和氟氯烃等气体的增加。大气中温室气体的存 一在既能够吸收太阳短波辐射，又能够吸收和发射长波辐射，因此大气中温室气俸 博士学位论文：两江河流溶解有机碳的变异规律及输出通量 的增加，减少了地球表面向外空辐射能量。从而使地球大气底层和地表增温。南 极冰心记录表明( 9 1 工业革命以前大气中c 0 2 基本上在大气圈、陆地生态系统和 海洋三个活动碳库之间进行自然交换，浓度约为2 8 0 p p m v ，变化幅度在1 0 p p m v 以内。工业革命以后，人类大规模的生产生活活动，如大量使用化石燃料( 煤、 石油、天然气等) 、水泥的生产以及土地利用方式的改变尤其是砍伐森林等等， 造成大气中的温室气体逐年增加。在夏威夷m a u n al o a 火山观测站大气c 0 2 浓 度观测表明，大气c 0 2 浓度呈显著的增加趋势( 图1 2 ) 从南极冰芯给出的近 2 5 0 多年来大气中c 0 2 浓度可以看出( 图1 3 ) ，1 8 0 0 年以前很长一段时间内大 气中c 0 2 浓度基本上保持不交，从1 8 0 0 年以后开始增加，并且增加的速度越来 越快，尤其是在1 9 5 0 年以后大气c 0 2 浓度呈指数增加。 2 1 9 6 0 1 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 0 年份 图i - 2 夏威夷m a u n a l o a 火山观测站大气c 0 2 浓度的变化趋势( 资料来自 h t l p ：w w w n o a a g o v ) ? 皇 e 醛 爱 o u 1 7 0 0 1 7 5 01 8 0 0 1 8 5 0 1 9 0 01 9 5 0 2 0 0 0 年份 图1 3 近2 5 0 年来大气c 0 2 浓度的变化趋势( 冰芯资料取自文献【1 0 】，并根据夏威夷 m a u n al o a 火山观测站人气c 0 2 浓度作修改) 詈 姗 渤 姗 瑚 枷 第1 章引言 从1 7 5 0 年到2 0 0 5 年，大气中c 0 2 浓度从2 8 0 p p m v 上升至3 7 9 p p m v ( 图1 3 ) ， 在过去的2 5 0 多年中，大气中c 0 2 浓度增加了接近1 0 0 p p m v ，尤其是从1 9 6 0 年 以来，大气中c 0 2 浓度增加了6 4 p p m v ，平均每年增长约0 8 。大气中温室气体 的快速增加引发的温室效应日益严重，以及相应而来的一系列环境、经济问题已 经影响到人们的生产、生活和国家安全，因此碳循环成为了全球变化研究的核心 问题之一f n - 1 3 i 。 由于全球气候变化给人类的生存环境带来了极大的冲击，全球变暖碳循 环这一机制不仅成为学术界关于全球变化研究的焦点，而且也引起各国政府的普 遍关注。而减少c 0 2 排放量、共同维护人类的生存环境需要国际社会的共同合 作来改变人自身的生产、生活方式为了迎接温室气体排放及全球变暖的挑战， 1 9 9 2 年在巴西里约热内卢召开的联合国环境大会签署了联合国气候变化框架 公约，其目标是将大气中的温室气体浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为 于扰水平上，使生态系统能够自然的适应气候变化，确保粮食生产免受威胁，并 使经济得到持续发展。1 9 9 7 年在日本东京第三次缔约国大会上通过的京都议 定书，规定从2 0 0 8 年到2 0 1 2 年间，将温室气体的排放量在1 9 9 0 年的基础上平 均减少5 2 个百分点。 对于碳循环的关注，早在2 0 世纪7 0 年代联合国下属的国际环境问题委员会 ( s c o p e ) 就发动了对碳等循环的研究，取得了巨大的成果。本世纪初国际地圈 生物圈计划( i g b p ) 、世界气候研究计划( w c r p ) 和全球环境变化的人文因素 计划( 珊d p ) 联合组织了一个新的全球碳项目( g c p ) ，重点是研究目前全球碳 源碳汇的时空格局、控制因素以及决定未来碳循环的控制和反馈机制。 1 2 全球碳循环 碳是生命物质中的主要元素之一，是有机质的重要组成分。全球碳循环是指 碳在岩石圈、水圈、大气圈和生物圈之间，以c 0 3 厶( c a c 0 3 ，m g c 0 3 为主要形 式) 、h c 0 3 、c 0 2 、c h 4 和有机碳等形式相互转换的过程。碳以多种形式存在， 并且在各个碳库之间流动，才使生命成为可能。大气中的碳主要以c 0 2 、c o 和 c i - 1 4 等气体形式存在，水中主要以c 0 3 2 - 和h c 0 3 的形式存在，在陆地生态系统 博士学位论文：两江莽流溶解有机碳的变异规律及输出通量 中则以各种有机物和无机物的形式存在，在岩石圈中则主要以碳酸盐和沉积物的 形式存在。 全球有4 个主要碳库，分别是岩石圈、海洋、陆地生态系统和大气，在各个 碳库中，岩石圈是最大的碳库，大约有6 5 5 1 0 l o g tc ，其中7 3 的以碳酸盐形 式存在，其余全为石油、天然气、煤等有机碳，但是它的循环周期长，约以百万 年计，一般在碳循环研究中不被人们所重视；海洋是仅次于地质碳库的第二大碳 库，它具有存储和吸收c 0 2 的能力，影响着c 0 2 的收支平衡，海洋中的可溶性 无机碳约3 7 4 0 0 g tc ，是大气的5 0 多倍它在全球碳循环中起着重要的作用： 陆地生态系统碳库主要包括植被和土壤两部分，是受人类活动影响最大的碳库。 陆地生态系统存贮的碳量约1 7 5 0 c ac ，其中植物存贮的碳量约5 5 0 g tc ，土壤存 贮的碳量约1 2 0 0 g - tc ，全球陆地生态系统存贮的碳量4 6 在森林中，2 3 在热带 和温带草原中。大气碳库是4 个碳库中最小的一个碳库，约存贮7 5 0 g tc ，大气 碳库是联系陆地和海洋这两大碳库的桥梁，大气中的含碳量直接影响整个地球系 统的物质和能量循环。 t 自然界自发进行的碳循环在很长的时期内始终处于一种动态平衡状态，如在 千年的时间尺度上，海洋决定大气中的c 0 2 浓度，大气中的c 0 2 不断的与表层 海洋进行交换，这种交换在大气和海水之间很快达到平衡。溶解到海水中的c 0 2 蝉 形成弱的碳酸并与水中碳酸根离子反应形成碳酸氢盐，而海洋碳酸盐体系具有的 缓冲能力是有限的，依赖于地表岩石的风化和阳离子的加入然而人类的行为却 在很短的时间内打破了这种平衡，尤其是工业革命以来，人类对煤、石油和天然 气等含碳能源的大量开采利用，致使更多的c 0 2 排入大气，使大气中c 0 2 浓度 升高，这在极地地区冰层气泡中的c o s 浓度得到证实。尤其是上个世纪以来， 大量的大气观测数据表明，大气c 0 2 浓度呈指数上升，这种大气c 0 2 浓度的快 速增长，将继续使全球气候发生变化，从而可能给人类社会带来灾难性的影响。 在全球碳循环过程中人们普遍认为，整个生态系统对c 0 2 的光合作用固定的 碳和生物呼吸作用及土壤有机质分解的有机碳处于平衡状态，人类化石燃料燃烧 和土地利用方式变化释放的碳，等于大气中增加的碳量和海洋吸收的碳量。然而， 对全球碳循环不断的研究却发现在全球碳的收支平衡上每年约有2 9 g t 的碳不知 去向，即困扰学术界的“未知汇”( m i s s i n gs i n k ) l t 4 , t 5 ，即人们通过化石燃料燃烧 4 第1 章引言 和土地利用方式改变所释放出来的碳大于海洋吸收和大气a e - 氧化碳增加的量。 表1 1 给出了1 9 9 1 2 0 0 0 年这1 0 年间因人类活动释放的c 0 2 的平均碳源与碳汇，平 均有2 9 g t 的碳汇失踪。 表1 1 人类活动释放的c o ：估算 就碳汇的具体位置存在很大争议，不同的学者根据不同的方法来确定碳汇 的具体位置，如根据全球的森林和其它编目清单来确定陆地碳汇的具体位置，或 者根据次气传输反演分析法( 反演模式法) ，将大气和生物化学模式作为工具根 据测定的c 0 2 浓度和排放源清单作为输入，用模式反推出失踪的碳汇位于何处。 用不同的方法得出的结论不同，有人认为热带森林是地球上最大的陆地碳汇【l “， 但是学术界普遍认为：未知碳汇可能位于北半球的中纬度处，其年际变化的数量 几乎与年均矿物燃料释放的c c h 量相致。最近的研究指出，北美大陆森林在升 高了的大气c 0 2 浓度强迫下的再生长过程极有可能是主要的“未知汇”d 7 - 1 8 1 。 但也有研究表明，北半球湿热地区的森林也可能对未知碳汇有贡献【2 0 0 1 1 在北半 球陆地的侵蚀和沉积过程可导致大量的有机碳在水库、湖泊、冲一洪积扇和风积 物中发生埋藏，从而也形成一个显著的陆地碳汇【2 2 1 。另外对失踪碳汇的数量还存 在很大的争论，f a n 等认为北美大陆和欧亚北非大陆的可能碳汇平均吸收量达 1 7 4 0 5 p gc a 和o 1 4 0 6 5 p gc a ，而其它大陆可能是源，平均释放0 2 ：1 ：0 6 5 p gc a 左右l 坶】。然而许多学者研究结果与f a n 等人的结果有很大差异，如利用森林资源 清查资料、土地利用变化和过程模型等方法研究的结果表明，北美大陆的碳汇在 o 0 8 0 3 5p gc a 之间【2 强5 1 ，远小于f a n 等人的结果。多样性的碳汇和不确定性的 5 博士学位论文；西江河流溶解有机碳的变异规律及输h j 通量 数量充分说明了全球碳循环的复杂性。 1 3 河流有机碳循环研究综述 外流河源源不断的将含碳物质从陆地输送到海洋，成为连结海洋和陆地生态 系统两大碳库的最重要的途径，是全球碳循环的重要环节。每年由陆地生态系统 通过河流向海洋排放的有机碳约0 4 5 g t 【2 6 1 ，大致相当于全球陆地生态系统净初 级生产力的l 哆扣2 1 2 7 】，虽然远远不及全球碳循环其它环节，但是它与每年海洋 的碳吸收量、使用化石燃料的碳排放量以及森林火灾的碳排放量处在同一个数量 级别上，从而对制约全球碳的平衡起着重要作用。同时，流域地表的许多过程， 如气候变化、森林火灾、洪水等等都能反映在河流有机碳输出的性质上，入类生 活、生产活动对流域地表的干扰加剧，以及人为直接或间接向河流排放有机废水， 都引起河流有机碳的性质和通量的变化。另外河流有机碳在河流的生物地球化学 循；环中扮演重要角色，它是河流微生物和浮游植物重要的物质和能量来源，同时 对重金属如汞、铁、铝、铅等存在状态和迁移方式等都产生重要影响【2 羽，因此对 河流有机碳的研究具有重要意义。大规模的全球河流碳循环研究始于1 9 8 1 年， 由毽c o p e u n e p 发起的“全球主要河流碳和矿物的输送”( t r a n s p o r to f c a r b o na n d m i n e r a l si nm a j o rw o r l dr i v f f f s ) 研究，它的目的是在局部的、区域的和全球的范 围内研究河流向海洋的物质输送，包括水量、溶解的和颗粒的有机物质以及营养 元素和矿物质等，其实早在1 9 7 4 年d e g e n s 就开始了碳的生物地球化学循环研究。 经过国际组织和世界诸多科学家2 0 多年的共同努力，河流碳循环的研究已经取 得了丰硕成果。 1 3 1 河流有机碳浓度和组成 河流中的含碳物质主要有4 种赋存形式，即溶解有机碳( d o c ) 、颗粒有机碳 ( p o c ) 、溶解无机碳( d i c ) 和颗粒无机碳( p t c ) 。其中河流有机碳包括腐殖质、 脂类、多糖、多肽和胶体物质等相对比较稳定的有机质，以及氨基酸和碳水化合 物等不稳定的易被细菌微生物利用的有机质，又被称为“活性物质”1 2 9 1 。溶解有机 6 第l 章引言 碳和颗粒有机碳的划分通常以粒径小于0 4 5 岬的有机碳为溶解有机碳，粒径大于 o 4 5 p r o 有机碳为颗粒有机碳。许多学者在研究颗粒有机碳时又以0 6 3 p r o 为界将颗 粒有机碳划分为粗颗粒有机碳( c p o c ，c o a r s ep o c ) 和细颗粒有机碳( 即o c ， f i n ep o c ) 1 3 ”2 1 。实际上在天然水体中有机质的颗粒是连续分布的，所以对d o c 、 f p o c 和c p o c 的划分是相对的1 3 3 】，而且在河水对有机质的运移过程中，c p o c 可 以转化为f p o c 甚至d o c l 3 4 1 胶体有机碳是在河流水体中也广泛存在，通常以粒径大小在l n r n 至l j l l a n 范围 内的有机碳为胶体有机碳。王江涛对长江、黄河和钱塘江水体中的胶体有机碳研 究表吲3 5 】，胶体有机碳占总溶解有机碳的比例平均为6 8 8 ，而在亚马逊河 ( b r a z i l ) 水体中胶体有机碳约占到总有机碳的8 0 左右【3 6 1 。所以胶体有机碳在 有机碳的生物地球化学循环和其它微量元素的生物地球化学循环中发挥着重要 作用【3 7 0 们。 全球河流d o c 平均含量为5 7 5 m g 1 ，但是有明显的时空差别( 表1 2 ) ，如 发育在阿尔卑斯山区的河流d o c 含量偏低，约1 0 m g l ，而发育在泰加林带的河 流d o c 含量可达到2 0 o m g n 左右【2 7 j 。大多数河流d o c 含量有明显的季节变化， 并且对水文过程响应非常敏感一般情况是汛期河流d o c 含量高于枯水期，最 大d o c 含量往往出现在最大洪峰过程中，这主要是“冲刷效应”( f l u s h i n g e f f e c t ) 的结果，即河流d o c 含量随着河水流量的增加而增加【2 7 1 ，如台湾兰阳溪冬季降 水偏少，d o c 含量较低( i ，t s s 含量一般很小，但t s s 中 p o c 反而比较高。发育在亚洲的青藏高原及周边地区如喜马拉雅山、云贵高原 和黄高原等高大地形区的河流，它们输送的有机碳以颗粒态为主，d o c p o c 2 第1 章圳占 的值小于l ，河流p o c 浓度比其它地区的河流高，但p o c 偏低。 从表1 - 2 可以看出，世界主要大河t s s 中p o c 的百分含量在1 3 8 4 o - 之间， 河流p o c 浓度的变化范围为0 6 1 4 2 m g l 。然而根据m e y b e c k 估计伫7 1 ，世界许 多河流t s s 含量大于表1 - 2 中给出的t s s 含量，其中p o c 的百分含量在0 5 0 6 之问，也低于表中给出的p o c 百分含量。 表1 - 4d o c p o c 与t s s 含量之间的关系”舯 5 1 5 1 5 5 0 5 0 1 5 0 1 5 0 - 5 0 0 5 0 0 一1 5 0 0 1 0 8 5 8 3 4 2 3 0 9 t s s 作为p o c 的载体，t s s 含量的变化直接影响河流d o c p o c 的值，因为 t s s 含量直接影响河水 o c 含量，当河水t s s 含量较低的时候，d o c p o c 的 比值较高，随着t s s 含量增加，河流p o c 含量也增加，所以d o c p o c 的值就 会降低。从表1 4 可以看出，当t s s 的含量小于1 5 r a g 1 时，d o c p o c 的值很高， 达到1 0 8 。随着t s s 含量增加，d o c p o c 的值逐渐减少，当t s s 含量大于5 0 0 m g , 7 时，其比值仅为0 9 ，其实对于亚洲地区的一些河流来说当t s s 含量大于5 0 0 m g i 时，其比值可能远低于0 9 。 1 3 4 有机碳产出的影响因素 流域的气候特征以及地质、地形条件决定了流域的植被覆盖、地表育机质的 积累以及径流的形成，决定了流域的物理化学风化过程以及径流对地表物质的 侵蚀和冲刷【5 9 】。气候还决定着流域有机物质的合成和分解速率，进而控制着河流 有机碳的输送。在寒冷地区和干旱地区第一生产力很低，流域有机碳的生产和输 出也很低。在温带和热带地区，很高的第一生产力在某种程度上被快速分解所消 博i ：学位论文：两江i i 叮流溶解有机碱的变异规律及输小通量 耗，所以其有机碳的输出处于中等水平。而针叶林带有机碳的输出很高，因为虽 然第一生产力低于温带和热带地区，但分解速率却非常低【2 ”。 位于东亚和南亚地区的大河，如东亚的长江、黄河以及南亚的恒河、布拉马 普特拉河等，分别发育在青藏高原喜马拉雅山及周边地区，流域地势差异特别 显著，并且部分地区受季风影响明显，降水季节变化大，全年6 0 - 7 0 的降水量 集中夏季。巨大的地势高差和集中的降水有利于地表物质的机械侵蚀和输出，所 以该地区河流有机碳的输出以颗粒态为主，而欧洲和美洲一些地区的河流，因地 势平缓，径流的机械侵蚀较弱而以化学侵蚀为主，所以这些河流输出有机碳以溶 解态为主。 尽管气候，地形因素在流域地表有机物的积累及河流有机碳的侵蚀产出过程 起着非常重要的作用，但是河流有机碳的输出是流域系统中各个因素共同作用的 结果，包括人类活动的影响。大气中的c 0 2 通过绿色植物的光合作用进入生态 系统，并且以能量的方式固定在生态系统中，除了一部分能量用来维持自身的生 长被消耗之外，剩余的用于生物的生长和繁殖，这部分生产量即净初级生产量 ( n p p ) 。9 5 的净初级生产量将成为植物残落物而成为河流有机碳的个重要 的来源。植物残落物的大部分在细菌和微生物作用下一部分被分解成c 0 2 进入 大气层，另一部分则成为复杂的高分子有机物，和土壤粘土等颗粒物结合在一起 形成土壤有机质，也成为河流有机碳的一个重要来源。生物量( b i o m a s s ) 就是 植物生长发育过程中所生产的有机质总量，流域单位面积上生物量的多少也直接 影响着河流有机碳的输入。人类生产和生活活动改变了土地的利用方式，使表层 有机质的含量、组成以及水文等发生变化，也影响着流域有机碳的输出。 流域地表的诸多因素包括土壤有机碳量、n p p 、降水量、有效蒸发量、气温、 地表径流、地表高程、坡度和农用地情况等等都影响着流域d o c 和p o c 的输出。 但不同的环境因子对d o c 和p o c 输出的影响程度不一样。图1 5 和图1 - 6 给出 了全球主要流域的自然环境因子、农业用地面积及其所占比例、农用地面积变动 及所占比例等与河流d o c 和p o c 输出量的关系。其中平均最大高程是将流域面 积按2 5 度格距划分若干网格点，然后计算每个网格点的最大高度的平均值，它 代表了流域平均海拔高度，它的标准差就是地形的平均坡度l 。 4 第1 章引言 图1 6 河流d o c 通量与流域环境因子的相关关系( 根据文献瞄删) 图1 7 河流p o c 通量与流域环境因子的相关关系( 根据文献1 2 删1 ) 从图1 6 和图l - 7 可以看出，径流深度与d o c 、p o c 输出通量的相关系数最 大，分别为o 9 4 和o ，9 2 ，都在0 9 以上，说明径流深度即单位面积产流量的多少 直接影响流域有机碳的输出。而流域降水量的多少又直接影响单位面积产流量的 1 5 博士学位论文；西江河流溶解有机碳的变异规律及输出通量 多少，降水量和d o c 、p o c 输出量的相关系数分别是o 8 l 和0 6 6 ，明显低于径 流深度与d o c ，p o c 输出量之间的相关系数，主要因为流域内的降水不是每次 都能形成地表径流，形成地表径流的降水还要经过下渗、填洼、植物截流以及蒸 发等损耗过程，即不是所有的降水都能形成径流，所以降水对有机碳输出的影响 系数要比地表径流偏低。 土壤有机碳含量和单位面积的生物量( 生物量密度) 也是影响河流d o c 、 p o c 输出量的重要因素，两者与d o c 输出量的相关系数分别为o 5 5 和0 6 6 。与 p o c 输出量的相关系数分别为0 5 4 和0 7 7 ，主要是因为单位面积生物量和土壤 有机碳含量决定了地表有机质的多寡，丽地表有机质又是河流有机碳的主要来 源，所以地表有机质含量的多少也是影响河流有机碳输出的重要因素。 流域的平均高程和坡度对d o c 输出的影响较小。但是坡度对河流p o c 输出 的影响很明显，两者的相关系数为0 6 7 ，主要是因为流域的坡度越大越有利于降 水及其形成的地表径流对流域地表物质的机械侵蚀，越有利于p o c 的输出。从 图还可以看出，土地利用现状和变化对d o c 、p o c 输出的影响不明显，且多以 负相关为主 1 3 s 河流有机碳的输出 1 3 5 1 有机碳的输出过程 河流有机碳的输出包括2 个过程。一是地表有机质由地表径流带入河网的过 程，一是河流所携带有机质随河水向下运移的过程。 自然状态下通过地表径流带入河网的有机质包括两个部分，一是从地表的残 落物层和土壤层滤出的有机质，即通过化学侵蚀过程向河流输入的有机质，常形 成河流的d o c 。另一是从地表残落物层和土壤层直接透过机械侵蚀向河流输入 的有机质，常形成河流的p o c 在植被覆盖较好的流域，河流有机碳比较年轻 【6 l , 6 2 3 ，说明河流有机碳主要来自陆地的植被和土壤。而人类活动对地表影响比较 严重的流域，地质碳往往占很大比例【帅阀。 河流有机碳输出与水文过程关系密切，受冲刷效应的作用，河水有机碳含量 1 6 第l 章引言 随流量增加而增加。如一些小流域最大洪水期间p o c 含量比枯水季节高出1 0 0 0 多倍【5 9 1 ，历时几天的洪水过程可以输送全年有机碳输出总量的8 0 以上【6 3 1 。然 而河水流量变化并不能完全解释河流有机碳含量的变化，因为不同的土壤类型有 机质含量、矿物组成、p h 值等不同，对有机碳的吸附、释放速率也不一样 6 4 , 6 5 1 。 进入河网的有机质在向下搬运的过程中，在物理的、化学的和生物的作用下 可能发生分解、矿化或沉积作用。如河流上修建各种蓄水设施，颗粒有机物质可 能被拦蓄下来而发生沉积作用和矿化作用【“。颗粒有机物在迁移的过程中经过机 械的“粉碎”作用或者生物作用使颗粒物的粒径变小，尤其是活有机质分泌出颗粒 有机物更容易被粉碎。有机质中易分解的部分如氨基酸、糖类等容易被微生物分 解利用而变成无机物和c 0 2 。另外河流浮游植物的生长也反过来也会增加河流有 机碳的含量。 河水有机质在向下搬运的过程中也可能被含铁、铝的胶体物质经过络合、螯 合作用而变成胶体的一部分，但当河水的理化性质发生变化时，如p h 值下降、 盐度i 动口或多价阳离子如f e 斗、a 1 3 + ，c a 2 + 及m 9 2 + 等增加，胶体所吸附的有机质 就会发生解吸作用而析出，这种情况通常发生在河口，因为河水与海水混合后， 盐度、阳离子浓度等发生变化。另外，在有机质的运移过程中在光化学作用和紫 外线作用下也可能被降解或者氧化分解成无机物和c 0 2 。 1 3 5 2 河流有机碳输出通量 表1 - 5 全球河流有机碳输出通量估计( o rc ) 有机碳通量文献来源 r i c h e y , e ta l ( 1 9 8 0 ) t 6 7 3 s c h l e s i n g e r , e ta l ( 1 9 8 1 ) o 钟 m e y b e c k ( 1 9 8 1 ) o 乃 m u l l h o l l a n d e ta l ( 1 9 8 2 ) 【船1 l u d w i g e ta 1 ( 1 9 9 6 ) 2 町 s c h l f m 乙e ta l ( 2 0 0 0 ) t 6 1 n s m i t h ，e ta l ( 2 0 0 1 ) 7 0 j 1 7 m 0 0 博t 学位论文：两江河流溶解有机碳的变异规律及输出通量 对全球河流有机碳输出通量的计算，主要是根据世界主要大河的实测有机碳 数据，然后经过外推得到的，不同的学者根据不同的计算方法，得出的结果也有 较大差别( 表1 - 5 ) 。s c h l e s i n g e r 等人根据世界1 2 条主要大河的有机碳数据【2 9 1 ， 建立了河流有机碳输出通量与流量之间的回归方程： l o g y = 0 9 7 6 1 0 9 x + 1 2 1 ( 1 - 1 ) l o g y = 0 8 5 1 1 0 9 x + 7 1 3 ( 1 - 2 ) 其中y 为有机碳输出通量，石为河流流量。根据这两个经验公式就可以估算出全 球河流每年有机碳输出通量为0 3 7 - 0 4 1 g t ，与m e ) b e c k 和s m i t h 等人估计值相 一致，但低于r i e h e y 等人的估计值( 表1 5 ) 。 l u d w i g 等在估计全球河流有机碳的输出量时，不仅仅考虑了河水流量，还将 流域所有影响河流有机碳输出的因素都考虑进去，从中选出影响显著的环境因 子，通过建立经验公式来估算全球河流有机碳的输出量，全球每年经河流输送到 海洋的有机碳约o 3 8 g t ，其中d o c 输出量约0 2 1 g t ，p o c 输出量约0 1 7 g t 。全 球4 5 的入海有机碳来源于热带湿润地区的土壤侵蚀；溶解态的有机碳主要汇入 大西洋，而颗粒态的有机碳主要汇入印度洋和太平洋【2 6 】。 对d o c 输出来说，影响比较显著的因素有径流深度、地形坡度、土壤