（环境科学专业论文）考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气co2消耗量.pdf

考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 4 夏季强烈的机械侵蚀和化学风化使黄河水体碳酸盐体系成为水体c 0 2 分压 ( 砖0 2 ) 的主要控制因素。黄河水体向大气释放c 0 2 ，水气界面c 0 2 年释放 通量为0 7 8 1 0 g c a 。 在考虑耗水量的基础上估算黄河流域岩石化学风化大气c 0 2 的消耗量，不 仅对于认识河流流域化学风化作用在河流系统碳收支中的地位具有重要意义， 而且对于河流流域其他物质通量的估算具有一定的启示作用。 关键词：黄河；无机碳输运；化学风化；耗水量；c 0 2 消耗量 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 c a l c u l a t i o no ft h ea t m o s p h e r i cc 0 2 c o n s u m p t i o nb y c h e m i c a , e a t h e r f , 2 。t h eh u a n g h er i v e rbasinchemicalw e a t h e r i n gi nt h eu a n g h er i v e rb a s i n c o n s i d e r i n gt h ec o n t r i b u t i o no f w a t e rc o n s u m p t i o n a b s t r a c t t h ec h e m i c a lw e a t h e r i n go fc o n t i n e n t a lr o c k sc o n s t i t u t e sa l li m p o r t a n tc a r b o n s i n kf o ra t m o s p h e r i cc 0 2 ，w h i c hi st h es a m em a g m t u d ea st h ea i r - w a t e rc 0 2f l u xo r f l u xt h a ti sc a u s e db yb u r n i n go ff o s s i lf u e l s b e c a u s eo ft h ed o m i n a n tr o l eo fr i v e r b a s i n si nt h eg l o b a lc h e m i c a lw e a t h e r i n g ，a c c u r a t eq u a n t i f i c a t i o nf o rt h ec o n s u m p t i o n f l u xo fc 0 2 b yc h e m i c a lw e a t h e r m gi nr i v e rb a s i n si se s s e n t i a lf o rs t u d y i n gt h eg l o b a l c a r b o nc y c l e w i t ht h ei n c r e a s i n go fa g r i c u l t u r a l - d o m i n a t e dw a t e rc o n s u m p t i o n , t h e d i s c h a r g e so fr i v e r st ot h eo c e a nh a v ed e c l i n e di nr e c e n ty e a r s i fc a l c u l a t e aw i t ht h e a c t u a ld i s c h a r g et ot h eo c e a nb yi g n o r i n gt h ec o n t r i b u t i o no fw a t e rc o n s u m p t i o n , t h e c o n s u m p t i o n f l u xo fc 0 2b yc h e m i c a lw e a t h e r i n gi nr i v e rb a s i nw i l lb e u n d e r e s t i m a t e d w i t ht h es u r v e yo ni n o r g a n i cc a r b o n a t ea n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e r 舶mt h em a i nt r i b u t a r i e sa n dm a i ns t r e a mo ft h eh u a n g h er i v e rb a s i ni ns l a m m e r 2 0 0 9 ，t h i sp a p e rs t u d i e st h et r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c so fi n o r g a n i cc a r b o na n dt h em a i n w e a t h e r i n gr e a c t i o n s t h ec a l c u l a t i o no ft h ec 0 2c o n s u m p t i o nf l u xb yc h e m i c a l w e a t h e r i n gi nt h eh u a n g h er i v e rb a s i nw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h ec o n t r i b u t i o no f w a t e rc o n s u m p t i o ni sa l s od i s c u s s e d i na d d i t i o nt ot h ec a l c u l a t i o no fd i cf l u x e sf r o m w a t e rc o n s u m e da n dt ot h es e aa n dt h a to ft h ea i r - w a t e rc a r b o nf l u xi nt h eh u a n g h e r i v e rb a s i n ，am o d e li se s t a b l i s h e do nt h eb a l a n c eo fd i c t r a n s p o r t a t i o n t h er e s l u t s a r ea sf o f l o w s ： 1 d i c p i ci sm a i n l ya t t r i b u t e dt ot h et o t a ls u s p e n d e ds o l i d si nt h eh u a n g h er i v e r b a s i ni n 洲l m m e r d i ei st h em a j o rc a r b o nf o r mt r a n s p o r t e di nt h eh u a n g h er i v e r a n dp i cb e c o m e st h ed o m i n a n tc o n t e n tw h e nt s sv a l u ei n c r e a s e st om o r et h a n 3 1 0 4 m g 1 2 d u et oa b u n d a n tc a r b o n a t er o c ka n dh e a v yp h y s i c a le r o s i o na n dc h e m i c a l w e a t h e r i n g ，a n n u a ld i cf l u xf r o me r o s i o ni nt h ey e l l o wr i v e rb a s i ns u r p a s s e s t h a to fp i ci na l lo r d e ro fm a g n i t u d e a n n u a ld i ca n dp i cf l u xo fw a t e r 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 c o n s u m e di nt h eh u a n g h er i v e rb a s i na r e1 6 8a n d2 9 7t i m e so ft h a td i s c h a r g e d t os e a , r e s p e c t i v e l y 3 t h ef l u xa n dr a t eo fc 0 2 c o n s u m p t i o nb y c h e m i c a l w e a t h e r i n g a r e 9 2 8 4 x 1 0 9 m o f aa n d1 2 3 4 9 1 0 3 t o o l ( k i n 2 a ) i nt h eh u a n g h er i v e rb a s i n , r e s p e c t i v e l y b yc o n s i d e r i n gt h ec o n t r i b u t i o n so ft h ew a t e rc o n s u m p t i o ni ne a c h s t r e a m , t h e f l u x e so fc 0 2c o n s u m p t i o nb yc h e m i c a lw e a t h e r i n gi nt h eu p p e r , m i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so ft h eh u a n g h er i v e rb a s i na c c o u n t e df o r6 3 3 3 5 5 a n d1 2 o ft h a ti nt h ew h o l eb a s i n , r e s p e c t i v e l y h e n c e m o s tc 0 2i s c o n s u m e di nt h eu p p e rr e a c ho ft h eh u a n g h er i v e rb a s i n i nc o n t r a s t ，d u et o a b u n d a n te v a p o r a t et h ec o ：c o n s u m p t i o ni nt h em i d d l er e a c ho ft h er i v e ri sl e s s i g n o r i n gt h ec o n t r i b u t i o no fw a t e rc o n s u m p t i o nm a y c a u s eau n d e r e s t i m a t i o no f t h ec 0 2f l u xb yc h e m i c a lw e a t h e r i n gt o5 8 6 9 i nt h eh u a n g h er i v e rb a s i n 4 t h em a i nc o n t r o l l i n gf a c t o r so fp c 0 2a r et h ec a r b o n a t es y s t e mw i t hh i g h c a r b o n a t ec o n t e n ti n d u c e db yt h es t r o n gm e c h a n i c a le r o s i o na n dc h e m i c a l w e a t h e r i n gi nt h eh u a n g h er i v e rb a s i n t h ew a t e r o f t h eh u a n g h er i v e rb a s i ni sa s o u r c eo f c o ：t ot h ea t m o s p h e r e ，a n dt h ee f f l u xi sa b o u to 7 8 x 1 0 g c a t h ec a l c u l a t i o no fc 0 2c o n s u m p t i o nb yc h e m i c a lw e a t h e r i n gi nt h eh u a n g h e r i v e rb a s i ni ss i g n i f i c a n tt or e c o g n i z et h ei m p o r t a n c eo fc h e m i c a lw e a t h e r i n go n c a r b o n a t et r a n s p o r t a t i o ni nr i v e rs y s t e m s ，a n da l s og i v e sc l u e st ot h ef l u xc a l c u l a t i o n s o fo t h e rs u b s t a n c e k e y w o r d s ：t h eh u a n g h er i v e rb a s i n ；i n o r g a n i cc a r b o nt r a n s p o r t a t i o n ； t c h e m i c a lw e a t h e r i n g ；w a t e rc o n s u m p t i o n ；f l u xo fc o zc o n s u m p t i o n 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 0 月l j 看 自工业革命以来，由于化石燃料的燃烧及土地利用方式的改变，全球大气 c 0 2 浓度己由工业化时代前的约2 8 0 p p m 增加到2 0 0 5 年的3 7 9 p p m ；最近几年大 气c 0 2 浓度的增长尤为迅速，1 9 9 5 到2 0 0 5 年大气c o ：浓度的增长速率约为 1 9 p p m a t l l 。大气c 0 2 浓度的增加很可能是导致全球气候变化的重要原因，引 起了科学界及国际社会的高度重视。本世纪初，国际地圈生物圈计划组织 ( i g b p ) 、全球环境变化人类因素计划组织( i h d p ) 、世界气候研究计划组织 ( w c r r ) _ - - - 大国际组织提出了一个碳集成研究计划，其重点是回答目前全球碳源 汇的时空格局及成因，未来碳循环动态的控制与反馈机制( 人为的和自然的) 以 及未来全球碳循环的可能动态等科学问题2 1 。针对这些科学问题，一些国家先 后启动了碳循环科学研究计划，如美国2 0 0 0 年启动的“碳循环科学计划 ，日 本2 0 0 2 年启动的“陆地生态系统碳平衡国家战略性研究计划”以及中国国家自 然科学基金委员会1 9 9 3 年立项的“中国陆地生态系统对全球变化的反应模型研 究”等。 概括来说，地球上主要有大气、海洋、陆地生态系统及岩石圈四大碳库。 碳元素以各种形态在各大碳库之间迁移转化的生物地球化学过程称之为全球碳 循环。当前的碳循环研究主要包括陆地碳循环和海洋碳循环两部分内容。其中 陆地碳循环是一个开放系统，这不仅体现为陆地岩石化学风化作用消耗大气 c 0 2 ，还体现为陆地生态系统与大气间的碳交换以及河流从陆地向海洋进行的 碳输运。据报道，全球岩石风化每年消耗的大气c 0 2 量约为0 2 3 7 g t a 【3 】；全球 每年通过陆地水气界面进入大气的c 0 2 约有o 8 g t c 4 1 ；通过河流输运入海的碳 有1 g t a ，其中有机碳占4 0 ，无机碳占6 0 t 5 1 。然而随着世界人口不断增长、 耕地面积持续扩大，当前以农业灌溉需水为主的流域耗水量的增加使河流下游 入海径流量不断减少。不考虑耗水量的贡献，势必造成河流生态系统中各碳收 支通量估算结果的偏低。因此，要深入了解当前全球陆地生态系统的碳循环过 程，从总体上把握陆地的碳收支状况，有必要在考虑耗水量的情况下，对河流 流域岩石化学风化大气c o ：消耗量进行准确估算。 1 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 黄河流经世界上最大的黄土高原，强烈的机械侵蚀和化学风化使黄河水中 具有极高的碳酸盐含量，然而流域灌溉农业发达，人为耗水量达到甚至超过了 入海径流量【6 j 。如果不考虑耗水量的贡献无疑将会给估算的黄河流域生态系统 各无机碳收支通量带来更大的误差。因此，要正确认识黄河流域化学风化作用 在其河流碳收支中的地位，有必要在考虑耗水量的基础上，准确估算黄河流域 岩石化学风化大气c 0 2 的消耗量。 三年的时间里，论文的研究工作在导师的辛勤指导下取得了一定的进展。 但由于笔者知识水平有限，研究中的一些问题目前还没有成熟的研究范例，再 加上历史资料的分散和缺乏，因此在数据使用和处理的过程中存在着一些偏颇 和不当之处，对所得数据的分析和讨论程度也略显不足。真诚的恳请各位专家 对研究的不足之处给予批评和指正。 但是我仍然相信我们的工作会为今后同行们的研究提供一些灵感，为河流 流域岩石化学风化以及无机碳输运的研究提供有益的参考和启发。 2 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 1 文献综述 根据全球地表温度的器测资料，最近1 0 0 年( 1 9 0 6 年一2 0 0 5 年) 的温度线性趋 势为0 7 4 。c ( 0 5 6 至o 9 2 * c ) 。1 9 9 2 2 0 0 6 年的1 2 年中，有1 1 年位列最暖的1 2 年份之中。造成这一全球气候变化的原因很可能是人类近一个世纪以来大量 使用化石燃料排放出大量的c 0 2 等温室气体，如图1 1 所示。温室气体不但能 够吸收来自太阳的短波辐射，而且反射地面长波辐射，导致“温室效应”。全 球平均气温和海温的普遍升高，使得冰川冻土消融，海平面上升，全球降水量 重新分配，同时带来蒸散和径流过程的变化并伴随着更多的干旱及洪涝灾害 等。既危害自然生态系统的平衡，又威胁人类的食物供应和生存环境。 e e 替 兰 腻 3 5 0 广量 l ， 米 恹 睁 旧 、一 倒 嫂 菇 臻 年( 2 0 0 5 年以前) 图1 1 从冰芯和现代资料反演的温室气体变化 全球变暖的本质在于c 的自然循环系统由于受到人类活动的压力而失调， 进而导致温室气体( 主要是二氧化碳) 含量急剧增加，气温上升。全球碳循环是 指碳元素以各种形态在各大碳库( 大气、海洋、陆地生态系统、岩石圈) 之间迁 移转化的生物地球化学过程。从全球各大碳库来看，大气中的碳主要以c 0 2 、 c h 。等气体形式存在，水中的碳主要是碳酸根离子，岩石圈中的碳主要是以碳 酸盐、硅酸盐等为主要成分的矿物，陆地系统中的碳则以各种有机物或无机物 的形式存在于植被或土壤中。海洋碳库是除地质碳库外最大的碳库，但碳在深 海中的周转时间较长，平均为千年尺度；大气碳库的量在几大碳库中是最小 的，是联系海洋与陆地生态系统碳库的纽带和桥梁；陆地生态系统碳库的内部 组成和各种反馈机制最为复杂，是受人类活动影响最大的碳库。当前学术界所 关注的全球碳循环是在外力( 主要是太阳能) 为主要驱动力的作用下，以c o ：为 3 掣 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 中心在大气圈，陆地生态系统和海洋中进行的碳循环【7 1 。土壤侵蚀、化学风 化、河流碳输运、呼吸作用以及光合作用等都是碳的表生地球化学循环的重要 环节。 1 1 陆地碳循环与河流碳输运 陆地碳循环是一个开放系统，这不仅体现为陆地岩石化学风化作用消耗大 气c 0 2 ，还体现为陆地生态系统与大气间的碳交换以及河流从陆地向海洋进行 的碳输运。同时因为陆地生态系统碳循环极易受到人类活动的影响，估计不确 定性大，也最有可能进行人为调控。因此，对陆地生态系统碳汇源作用与评价 的研究是多年以来联合国气候变化框架公约、京都议定书以及哥本哈 根协议谈判争论的焦点。 目前令科学界困惑的问题之一是全球己知的碳汇与碳源不能达到平衡，存 在一个很大的未知碳汇【8 9 】。据报道，北半球中高纬度地区的陆地生态系统是一 个巨大的碳汇，构成了全球大部分不确定的碳汇 1 0 , 1 1 1 。h o u g h t o n 等的研究表 明：全球生态系统的碳收支状况是全球大气碳库增加量( 3 3 ：生- 0 2 c t c ) = 化石燃料 燃烧的碳排放( 5 5 ：- 0 5 g t c ) + 土地利用变化导致的净碳排放( 2 0 - 2 ：0 8 g t c ) 一海洋 净碳吸收( 2 0 士0 8 g t c ) 一残余的陆地碳汇( 2 2 士1 3 0 0 。根据h o u g h t o n 等的估 算，北半球陆地植被的净碳吸收大约为( o 5 - - 0 8 ) 士- o 8 g t c t l 2 】，全球陆地生态系 统是一个大约为1 4 1 7 g t c 的碳汇。但是当前的研究者们还没有探明这一陆 地碳汇的具体分布和数量，全球碳汇问题仍然存在很大的不确定性。这主要是 由于陆地生态系统碳循环中存在大量不确定性，例如河流从陆地向海洋进行的 碳输运，河流河口一近海生态系统发生的碳迁移和碳沉积过程等。随着研究者 对全球碳“遗漏汇”研究的不断深入，学术界对这些未知汇也有了一定的初步 判断。研究者认识到河流流域岩石的化学风化作用消耗大气c 0 2 ，是大气c 0 2 重要的汇。它参与了短时间与长时间尺度的全球碳循环，是全球碳“遗漏汇” 中的重要部分。 考患耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 河流是陆地生态系统中最重要、最活跃的组成部分之一，是地表物质侵 蚀、搬运和沉积的重要自然营力，无论在自然地理系统还是在人地关系系统中 都扮演着举足轻重的角色。河流生态系统碳循环是指河流生态系统中不同来源 的碳元素在生物化学、物理以及人类活动的作用下以不同形式进入河网并随河 水迁移的生物地球化学过程。碳元素在随河水迁移的过程中其物理化学性质发 生一系列复杂变化，或通过沉降过程重新在河底埋藏，或通过生物呼吸以 c 0 2 、c h 4 等形式进入大气，或最终随河流输移入海，实现碳元素由陆地向海洋 的动态传递。据统计，河流每年向海输入约1 g t c ，其中无机碳占6 0 ，有机碳 占4 0 【”。河流碳输运通量较之“大气陆地生态系统 间的碳通量 ( 1 0 0 7 4 g t c a ) 、“大气海洋”间的碳通量( 7 4 g t c a ) 是很小的【1 3 】，但与 “大气海洋”间的净碳通量( 1 7 2 8c , - t c a ) b 3 、人类使用化石燃料排放的碳 通量( 5 2g t c a ) 【1 4 】处于同一个数量级上。人类活动的影响以及自然环境条件 的改变都会影响河流的碳输运通量。人类活动如农业灌溉耗水，不仅增大了碳 在大气圈、海洋和陆地生态系统之间的交换通量，也改变了河流生态系统的碳 输运。因此，在考虑人类活动影响的前提下，揭示河流碳输运机制及通量对全 球碳循环研究具有重要的意义。 1 2 河流无机碳输运研究进展 河水中存在的无机碳主要有两种形式，颗粒态的无机碳( p i c ) 和溶解态的无 机碳( d i c ) 。河水二氧化碳分压( 心0 2 ) 作为d i c 中活性较大的一部分也常常成为 研究者单独研究的对象。 1 2 1 河流水体颗粒无机碳的研究进展 河水中的颗粒态无机碳主要是指河水中携带的未溶解态的碳酸盐矿物，来 源主要包括外源碳酸盐和自生碳酸盐两种。外源碳酸盐是指由河流流域内的母 岩发生化学风化作用产生后，又由地表径流携带搬运至河流水体的碳酸盐。自 生碳酸盐是指河流水体的无机化学沉淀产生的碳酸盐、生物壳体碳酸盐以及沉 积物埋藏后在早期的成岩过程中产生的碳酸盐。当前研究者对河流水体中的 p i c 研究较少，主要集中在p i c 占总悬浮物( t s s ) 或总碳通量的百分含量上1 1 ”。 g a u e w t 等【1 6 1 在对长江、黄河流域的研究中指出，长江水体p i c 占总碳通量的 1 7 ，占总悬浮物含量( t s s ) 的l ，而黄河水体p i c 占总碳通量的7 1 4 ，占 s 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗垂 总悬浮物含量的约1 7 。由此g a u e w t 等认为伴随着河流混浊度的增加，河水 中p i c 含量在总碳通量中所占的比例也增加。y w u 掣1 7 】在对长江流域的调查 中指出长江干流水体p i c 约占水体总悬浮物含量的0 0 8 - - 4 3 。 1 2 2 河流水体溶解无机碳的研究进展 河流水体中的溶解态无机碳主要包括气态c 0 2 溶于水生成的h c o a 。、c 0 3 2 和溶解态的c 0 2 。地表岩石的化学风化作用消耗大气及土壤空气、空隙中韵 c 0 2 ，生成h c 0 3 ，促使水体中的p i c 转化为d i c 。影响河流水体d i c 通量的 因素主要有气温、降水、河网密度以及河流流域内碳酸盐岩的出露程度1 射。 s a l o m a o 等【2 0 】在对巴西圣保罗附近的1 0 处亚热带水域水体溶解态无机碳的研究 中指出，陆地覆盖及流域地质状况是影响水体d i c 分布的主要因素，硅酸盐岩 和碳酸盐岩的化学风化作用共同影响着河流水体中d i c 的含量及分布。姚冠荣 等2 1 1 在对西江下游干、支流的研究指出西江下游干。支流水体d i c 含量受控于 流域的水热条件和地质环境条件。 1 2 3 河流水体p c 0 2 的研究进展 河流生态系统是一个开放系统，它不仅向海洋进行直接的平流碳输运，还 通过河流水气界面与大气进行垂直的c 0 2 交换。全球河流每年通过水气界面 向大气释放的c 0 2 至少能达到1 0 1 3 9 a 的数量级【2 2 1 。 在当前的研究中，些河流水体的p c 0 2 是通过p h 、总碱度( a l k ) 等参数 计算得到，如英国的泰晤士河【2 3 1 、加拿大的渥太华河口4 1 等。然而有的研究者认 为使用p h 、a l k 等参数计算得到的p ( 、0 2 数据与实测值之间存在差别，直接观 测的p c 0 2 数据是非常重要的1 2 5 1 。到目前为止，对河流水体? c 0 2 的实测报道有 美国的约克河口【2 6 】以及d u p l i n 河口【2 7 1 、南美洲的亚马逊河【2 钔、中国的珠 e 1 t 2 9 】 和黄河【3 0 1 。 当前研究者对河流水体p c 0 2 影响机制的研究结果表明，河流水体p c 0 2 主 要受水体内部碳酸盐体系以及外部生物地球化学过程两个方面的影响【2 8 1 。如英 国的泰晤士河1 水体p c 0 2 高低主要受水体浮游植物光合作用和生物呼吸作用 的共同影响：而加拿大的渥太华河【2 4 】水体0 2 主要受土壤呼吸作用和流域岩 石化学风化作用的共同控制。除此以外，温度、盐度以及碳酸钙的沉降也会影 响对河流水体的声q 。在水气界面c 0 2 的交换通量上，加拿大的渥太华河干 6 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 流水体水面面积约为4 4 0 k m 2 ，每年向大气释放的c 0 2 量约为7 4 4 x l o t c ；亚马 逊河主要的支流及湿地流域面积为1 7 7 万k i n ：，每年大约向大气释放 c 0 2 2 1 0 1 0 8t c 。 1 3 河流流域岩石的化学风化 陆地岩石的化学风化作用消耗大气c 0 2 ，是大气c 0 2 重要的汇。在小于十 万年的时间尺度内，碳酸盐岩与硅酸盐岩的化学风化对大气c 0 2 的消耗都是非 常重要的。但在大于百万年的时间尺度内，全球大气c 0 2 的浓度则主要受到来 自地球内部的造山、洋壳运动以及火山作用等构造运动向大气c o ：的输送速 率、地表硅酸盐岩化学风化对大气c 0 2 的消耗速率的影响 3 1 , 3 2 1 。陆地岩石的化 学风化作用同时参与了短时间和长时间尺度的全球碳循环过程。据统计，全球 岩石风化每年约消耗大气c 0 20 2 3 7 g t a ，其中硅酸盐风化消耗量约占6 3 t 3 1 。 这与海洋大气间的净碳通量、化石燃料燃烧排放的碳通量等近似处于同一个数 量级上。根据g a i u a r d c t 等1 3 3 】的研究计算，全球河流流域内岩石的化学风化作 用对大气c 0 2 的消耗量约占全球岩石化学风化对大气c o ：消耗量的8 7 ，河流 流域内岩石的化学风化作用是全球岩石化学风化的主体。因此，准确估算河流 流域化学风化c 0 2 的消耗通量，对全球碳循环研究具有重要意义。 黄河流经世界上最大的黄土高原，黄土的覆盖面积占全流域面积的 4 4 【3 4 1 。黄土中富含碳酸盐矿物且土层深厚、土质疏松地形破碎，水土流失 严重。强烈的机械侵蚀和化学风化作用使黄河流域成为大气c 0 2 的汇。此外， 流域灌溉农业发达，人类活动大量耗水给流域岩石风化c 0 2 消耗量的估算带来 了较大的不确定性。因此，准确估算黄河流域化学风化c 0 2 的消耗量对于揭示 化学风化作用在流域碳收支中的地位具有重要的意义。 1 3 1 河流流域岩石的化学风化机理 长期暴漏在地表的岩石和矿物经受风化作用是自然界常见的一种现象。岩 石的风化是指地壳表面的岩石和矿物在太阳辐射作用下，与水圈、大气圈和生 物圈接触产生的崩解、碎裂和变质过程。岩石的风化过程大体分为物理风化、 化学风化以及生物风化三种类型。物理风化是指岩石因温度变化和孔隙中水的 冻融以及盐类的结晶而产生的机械崩解过程。物理风化过程中岩石的化学组成 不改变。化学风化是指岩石在水、水溶液和空气中的氧与二氧化碳等的作用下 7 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 所发生的溶解、水化、水解、碳酸化和氧化等一系列复杂的化学变化。化学风 化过程使岩石的性质和成分发生变化。生物风化是指生物在其生长和分解过程 中，直接或间接对岩石矿物所起的物理的和化学的风化作用。地表岩石的风化 过程产生的淋融离子最终随地表径流冲刷输送进入河水中。据报道，地表岩石 化学风化反应的产物对河流溶解载荷的总贡献量达到2 1 4 1 0 9 t a 1 3 5 1 。 地表岩石的化学风化作用主要有三种方式：溶解作用、氧化作用和碳酸化 作用。岩石风化的反应介质主要包括水、硫酸和碳酸。全球遭受化学风化作用 的三大类岩石矿物主要有蒸发盐岩、碳酸盐岩和硅酸盐岩。三大盐岩常见的化 学风化反应如表1 1 所示： 表1 - 1 自然界常见的化学风化反应 由岩石矿物的化学风化反应和碳的地球化学循环可知蒸发盐岩和碳酸盐岩 的化学风化过程中没有次生矿物的生成，而硅酸盐岩的风化过程除了释放出其 中的易溶元素( c a 、m g 、k 、n a 等) 外，还生成次生矿物( 土壤) ，如钠长石、钾 长石的溶解。蒸发盐岩的风化过程不消耗大气、土壤空隙中的c 0 2 ；碳酸盐岩 的化学风化消耗等摩尔的大气c 0 2 ，产生两倍摩尔的i - i c 0 3 进入河流，其中一半 h c 0 3 被转变为碳酸盐后最终成为海底沉积岩，另一半h c 0 3 被转化为c 0 2 最终 回到大气中：硅酸盐岩风化产生的h c 0 3 - 全部来自大气、土壤中的c 0 2 ，最终在 海底沉积成为碳酸盐岩i 3 7 1 。也就是说硅酸盐岩的化学风化过程与碳酸盐岩不 8 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 同，碳酸盐岩消耗的大气c 0 2 不久就会回到大气中，它的化学风化只参与了短 时间尺度的碳循环，而硅酸盐岩的风化则产生长时间尺度上的净碳汇，且在不 同时间尺度上都是一个碳汇过程。 1 3 2 河流流域岩石化学风化作用的研究方法 地表岩石在大气降水的淋滤作用下发生化学风化反应，产生的淋溶离子最 终随地表径流进入河水，因此研究者将河水的化学离子组成作为研究流域化学 风化过程的主要手段。目前研究河流水化学与化学风化作用之间关系，应用较 为广泛的方法主要有数理统计法和质量平衡法。 数理统计的方法主要包括相关分析、多元回归分析以及因子分析等，其中 柑关分析、回归分析方法较简单且应用最为广泛。因子分析的方法是将多个实 测变量转换为用于统计分析的几个综合指标，通过各个变量之间的相关关系， 用综合指标反映变量中不重叠的信息【3 8 3 9 1 ，如l ij m g y m g 等 3 9 1 采集了从黄河兰 州至入海口的河水样品，运用因子分析的方法估算得到不同类型的岩石对河水 主要溶解离子的贡献率。然而当流域岩石类型复杂，某些溶解离子来源不明 时，使用因子分析法提取的综合指标来代表不同类型岩石矿物的化学风化可能 会存在误差。 质量平衡方法的理论基础是河水中溶解离子的输入、输出平衡。目前使用 较广泛的主要有i n v e r s e 模型法和f o r w a r d 模型法。i n v e r s e 模型法的原理主要是 基于河水中不同岩石化学风化来源的溶解离子摩尔比例与锶同位素比例的质量 平衡。f o r w a r d 模型法则主要是根据河水中不同岩石化学风化来源的溶解阳 离子的质量平衡方程p ”。如s e u l g im o o n 等1 4 4 在红河流域岩石化学风化的研 究中，运用i n v e r s e 模型与f o r w a r d 模型定量确定了大气降水、蒸发盐、碳酸盐 以及硅酸盐风化来源的河水离子总量。g a l y 等【4 1 】在研究恒河布拉马普特拉河 流域岩石的化学风化时，使用f o r w a r d 模型的方法估算得到硅酸盐化学风化作 用对大气c 0 2 的消耗率。g a o 等【4 5 】在对西江流域化学风化的研究中运用 f o r w a r d 模型确定了硅酸盐、碳酸盐风化来源的阳离子总量，并计算了西江流域 岩石化学风化大气c 0 2 消耗量。i n v e r s e 模型法与f o r w a r d 模型法均是基于河水 中不同岩石化学风化来源的溶解离子的质量平衡，在这一过程中选取的端元值 可靠与否，是能否准确表征流域不同类型岩石化学风化作用的关键。 9 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 1 4 流域岩石化学风化大气c 0 2 消耗量的估算 1 4 1 流域岩石化学风化大气c 0 2 消耗量估算研究现状 根据流域碳酸盐、硅酸盐化学风化主要发生的反应方程式( 表1 1 ) ，计算 河流流域碳酸盐、硅酸盐的化学风化作用对大气c 0 2 的消耗量及消耗率普遍使 用的计算公式如下： f c 0 2 , s i l = ( n a + k + 【k + 】删+ 2 c a 2 + 】s n + 2 m 9 2 + k ) q 式( 1 1 ) 旺) c 0 2 , s i l = f c 0 2 。m s 式( 1 - 2 ) f c 0 2 , , = ( c a 2 + k “m 9 2 + 】曲q式( 1 3 ) o c o z , 口r = i ：c 0 2 ，s 式( 1 4 ) 式中f c 0 2 、西c 0 2 分别代表河流流域内岩石化学风化对大气c 0 2 的消耗量和 消耗率： n a + 】、【k - 】、【c a 2 + 】、 m 9 2 斗】均为河水中由岩石化学风化作用产生的阳 离子浓度；下标s i l 、c a l 分别代表硅酸盐和碳酸盐：s 为流域面积；q 为径流 量。 目前许多研究者对河流流域岩石化学风化大气c 0 2 的消耗量进行了深入而 详实的研究，如g a i l l a r d c tc ta 1 ( 1 9 9 7 ) 4 6 1 、m o r t a t t ie ta 1 ( 2 0 0 3 ) 1 4 3 1 分别对亚马逊 河；b o e g l i ne ta l ( 1 9 9 8 ) 1 4 7 1 、p i c o u c tc ta t ( 2 0 0 2 ) 4 8 】分别对n 远e r 河上游；o l l i v i e r e ta l ( 2 0 1 0 ) 4 9 1 对法国r h o n e 河；c h 烈e 融e ta t ( 2 0 0 8 ) t 5 0 1 对长江；g a oe ta 1 ( 2 0 0 9 ) 1 4 5 】对西江流域的研究。但是当前的研究者在估算河流流域岩石化学风化 作用对大气c 0 2 的消耗量或消耗率时，所使用的径流量大多是河流最下游采样 点的实测径流量。然而随着世界人口持续增长、耕地面积不断扩大，以农业灌 溉耗水为主的流域耗水量( 人类活动取水量扣除其回归到河流干、支流河道中水 量后的水量) 增加使河流的入海径流量不断减少。由于人类活动耗水中所含有的 风化来源溶解离子的产生也消耗了大气c 0 2 ，估算河流流域岩石化学风化作用 对大气c 0 2 的消耗量及消耗率时，如果不考虑耗水量的贡献，势必造成估算结 果的偏低。 据估算，全球河流每年从陆地向海洋输送的水资源总量约为4 5 ，5 0 0 k x n 3 a ， 1 0 考虑耗水量估算黄河流域化学风化大气c 0 2 消耗量 人类活动取水量( 包括耗水量及回水量) 约为3 ，8 0 0 k m 3 a ，其中农业取水占总取水 量的2 3 s q ，由此计算全球仅农业取水就相当于长江年入海径流量( 9 6 0k m 3 a ) 的2 6 倍，m i s s i s s i p p i 河年入海径流量( 5 8 0k m 3 a ) 1 掏4 4 倍。另外，根据1 9 9 5 年 的统计全球灌溉耕地面积约为2 , 5 4 9 ，0 9 3k m 2 ，其中4 7 分布于印度、中国和美 国【5 2 】。恒河印度河流域的灌溉耕地面积约为3 3 0 8 万公顷，其中2 6 6 的灌溉 耕地是由地表水灌洲5 3 1 。美国m i s s i s s i p p i 河下游耕地面积为3 ，1 0 0 ，0 6 6 英亩，约 占流域面积的2 3 ”】。2 0 0 5 年 - - 2 0 0 8 年，中国长江流域年平均耗水量为8 2 8 6 k m 3 a ，占下游大通站年平均径流量( 7 9 7 5 0k m 3 a ) 的1 0 4 1 5 5 ；2 0 0 5 2 0 0 9 年， 黄河流域年平均耗水量为2 8 7 4k m 3 a 约为下游利津站年平均径流量( 1 7 6 2k m 3 a ) 的1 6 倍1 6 1 。报道河流流域大量耗水的文献不胜枚举，如非洲尼罗河【5 6 1 ，尼日尔 河【5 7 1 ，l i m p o p o 河1 5 8 1 ，亚洲z e r a f s h a n 河【5 9 】，南美c o l o r a d o 河【6 0 1 ，澳大利亚 b a r w o n - d a r l i n g 河流【6 1 1 等。尽管d a i 等【6 2 】认为，对绝大多数河流来说人类活动 对径流量年际变化的影响小于气候因素。但上述流域人为耗水还是令人震惊 的。 1 4 2 天然径流量、耗水量数据获取中存在的问题 早期g a i l l a r d e t 等跚对全球溶解载荷较大的6 2 条河流的化学风化问题进行 了系统研究，而且采用了河流天然径流量进行估算。文章流量数据引自 切q e p ( 联合国环境规划署) 工作报告【6 孔，所取数据为1 9 2 0 s - - - - 1 9 8 0 s 期间的天然 径流量平均值，在那个年代里天然径流量与同期实测径流量几乎相同( 仅有6 条河流的天然径流量与实测径流量相差l o 以上) 。l i 等【3 9 1 在估算黄河流域岩 石化学风化大气c 0 2 消耗量及消耗率时，采用的径流量为5 8 0 2 虹3 a ( 经水利 部网站h t t p ：w w w c w s n e t o n 核实为1 9 1 9 - - 1 9 7 5 年平坷天然径流量) 。显然这些 流量数据已不再适合于当前流域岩石化学风化大气c 0 2 消耗量及消耗率的估 算。因为近年来随着全球气候变化和人为影响的不断加剧，全球入海河流整体 的径流量均表现出下降趋势【6 2 1 。s u n 等1 6 4 1 估算西江流域岩石化学风化大气c 0 2 消耗量及消耗率时，使用的径流量为2 1 8 1k m 3 a ，高于其采样当年( 2 0 0 5 年) 西 江高要站报道的实测径流量( 1 8 4 7h 3 a ) 。 1 1 考虑耗水量佶算黄河流域化学风化大气0 0 2 消耗量 河流的天然径流量( n a t u r a ld i s c h a r g e ) 是指排除人类活动( 如水库蓄容量变 化、人类活动对河流水资源的消耗) 的影响之后的河水径流量。以往确定河流天 然径流量的方法主要是通过主观选择流量最大河段的河水径流，要求该流量最 大河段尽量靠近河流的入海1 2 1 且位于受到较大人类活动影响的河段之前【6 5 1 ，或 通过没有受到人类活动影响的河流支流的流量来确定【6 6 】。在当前河流流域水资 源利用量越来越大，在各控制水文站获得的实测径流量数据已经不能准确反映 河川天然径流量的情况下，以上述方法获得的河流天然径流量数据很难评估其 准确性。 由于中国的大多数河流流经中纬度的干旱半干旱地区，流域农业灌溉耗水 非常突出，因而研究者较早地开展了河流流域耗水量以及天然径流量的研究 【6 。后经过一系列研究( 中国国家重点基础研究发展规划项目( g 1 9 9 9 0 4 3 6 0 5 ) 、 黄河水利委员会重点生产项目( 9 6 2 0 7 ) ) ，中国国家质量监督检验检疫总局和中 国国家标准化管理委员会于2 0 0 9 年4 月联合发布了水资源公报编制规程 ( g b t 2 3 5 9 8 2 0 0 9 ) ，其