（环境科学专业论文）黄河主流碳的时空分布及通量研究.pdf

黄泻主流碳韵对空分布及通量颀充 量与流量及t s s 含量的月变化一致，而p i c 值相对稳定。年内各月d o c 含量 变化较大，春冬高夏秋低，其影响因素较为复杂。年内不同时期，水体p o c 含 量对流量的响应关系不同。 5 4 , 二i l 干流放淤带来的大量的细颗粒泥沙导致p i c 和p o c 的含量远高于年内其 它各月。大量的细颗粒泥沙带来的水体高的碳酸盐含量加之人为对泥沙的扰动， 促进了碳酸盐平衡的移动，导致8 月份p c 0 2 的高值；也相应的提高了水体d i c 的含量。强烈的人为因素干扰使8 月份成为d o c 含量与流量关系的转折点。 关键词：黄河主流； 碳：通量 望型兰堡堡塑堕至坌壹墨望苎婴壅 t e m p o r a i s p a t ia id is t r ib u t i o na n dt h ef iu xo fc a r b o n i nt h em a i n s t r e a mo fy e l | o wr i v e r a b s t r a c t t h i sp a p e ri sf o u n d e do nt h et a s ko f 9 7 3 “s t u d yo nc a r b o nf l u xo f t h et y p i c a lr i v e r i nc h i n a ”t h ed a t ai so b t a i n e df r o mt w oc r u i s e si no c t o b e r ，2 0 0 3f o rt h em a i n s t r e a m o fy e l l o wr i v e ra n df r o ma p r i l ，2 0 0 4t om a r c h ，2 0 0 5a th u a y u a n k o us t a t i o n t h e t e m p o r a l s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fc a r b o ni sd i s c u s s e d ，a n dt h et r a n s p o r t a t i o nf l u xo f c a r b o na n dt h ec a r b o nf l u xo fa ta i r - w a t e ri n t e r f a c ea r ec a l c u l a t e di nc o m b i n a t i o nw i t l l t h ec o g r e d i e n td a t ao fh y d r o g r a p h y ，c h e m i s t r ya n db i o l o g y 1 p c 0 2v a r i e s f r o m110 0 0t o17 0 0 o u a t m ，t h ea v e r a g ei s13 4 2 0 u a t mi nt h e m a i n s t r e a mo fy e l l o wr i v e r t h i si sl o w e rt h a no t h e ri m p o r t a n tr i v e ri nt h ew o r l d p c 0 2i ss u b j e c t e d t ot h ec a r b o n a t es y s t e mr a t h e rt h a nt h eb i o l o g i c a la e r o b i c r e s p i r a t i o n t h em a i n s t r e a mo fy e l l o wr i v e ri se s t i m a t e dt or e l e a s ea b o u t7 0 5x10 4 t c t oa t m o s p h e r ep e ry e a r i ti st h es o u r c eo fc 0 2 t h i sm a g n i m d ei st h es a m ea sr e l e a s e o fo t t a w ar i v e r , b u ti ti sf a rl o w e rr e l e a s eo f a m a z o nr i v e ra n dm a r s h y 2 d i cs h o w sl a r g ev a i u ei nt h em a i n s t r e a mo f y e l l o wr i v e r , t h ea v e r a g ei s3 9 1 4 m g l ， d u et ot h ec a r b o n a t es y s t e mo fy e l l o wr i v e r , m u c hm o r eb r a n c h e sa n dc o m p l e xw a t e r s y s t e m l e v e l so fp i ca r eh i g h ，t h e r ei sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ee r o s i o no f d r a i n a g ea r e aa n dl e v e l so f p i c t h ea v e r a g eo fd o c i s2 8 2m g 1 ，t h i sl e v e li sl o w e r t h a no t h e rr i v e r s a sm er e s u l to ft h ec l i m a t eo fl o e s sp l a t e a uw h i e hi sc o l da n d d r o u g h t ，f e wv e g e t a t i o n ，t h el o w r a t i oo f c h e m i c a le r o s i o na n do r g a n i cm a t t e rw h i c hi s d i f f i c u l tt ob i o - d e g r a d a b i l i t y t h e r ei sal o g a r i t h mp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nd o c a n dt h ed e g e eo fe r o s i o n ，a n di ti sm a y b ee x t e r i o rs o u r c e p o cm a ym a i n l yo r i g i n f r o ms o i le r o s i o n 3 i nt h et h e r es t a t i o n so fl a n z h o u ，h u a y u a n k o ua n dl i j i n ，t h ef l u xo fd i cd o cp i c a n dp o ca l li n c r e a s ei nt u r ni no c t o b e r , 2 0 0 3 c a r b o nf l u xi nl i j i ni sal i t t l el a r g e r t h a nh u a y u a n k o u ，a n dc a r b o nf l u xi nl a n z h o ui sf a ra w a yf r o mt h eo t h e r s 4 t h ev a l u eo fp c 0 2c h a n g e ss m o o t h l ye v e r ym o n t hi nay e a r , w i t ht h ee x c e p to f a u g u s t t h el e v e l sa r eh i 曲i ns u r m n e ra n dw i n t e r , o w i n gt os a n d yt u r b u l e n c eb y v 黄河主流碳的时空分布及通量研究 h u m a ni ns u l n r n e ra n dl o wt e m p e r a t u r ei nw i n t e r p c 0 2v a r i e sw i t l lt h ec a r b o n a t e s y s t e mr a t h e rt h a nt h ef l o w d i cv a r i e ss m o o t h l ye v e r ym o n t hi nay e a r d i cs h o w s s m a l lv a r i a t i o n sw i t hf l o w , a st h er e s u l to fs a n d yt u r b u l e n c eb yh u m a na n df r o s ti nt h e w i n t e r p i cr e m a i n sr e l a t i v e l ys t a b l ew i t ht h ee x c e p t i o no fa u g u s t ，a n dp i cc h a n g e s t h es a m ea sf l o wa n dt s s d o cs h o w sl a r g ev a r i a t i o n s t h e r ei sh i g hl e v e li ns p n n g a n dw i n t e ra n dl o wl e v e li ns u m m e ra n da u t u m n t h ee f f e c tf a c t o r sa r ec o m p l e x p o c s h o w sl a r g ev a r i a t i o n sw i t hf l o wi nay e a r 5 p i ca n dp o ci sl l i 曲e rt h a no t h e rm o n t h ，o w i n gt ob r i n g i n gl a r g en u m b e ro ff i n e s a n df r o mx i a o b e im a i n s t r e a m l a r g en u m b e ro ff i n es a n da n ds a n d yt u r b u l e n c eb y h u m a na c c e l e r a t et h eb a l a n c eo fc a r b o n a t es y s t e m ，r e s u l t i n gi nt h eh i g h e s tl e v e lo f p c 0 2 ；e n h a n c i n gt h el e v e lo f d i e t o o t h ev a l u eo f d o ci na u g u s ti sat u r n i n gp o i n t b e t w e e nd o ca n df l o w , a st h er e s u l to f h u m a na c t i v i t y k e yw o r d s ：t h em a i n s t r e a mo fy e ii o wr i v e r ： c a r b o n ：t h ef l u x v i 黄河主流碳的时空分布及通量研究 引言 陆地生态系统碳循环及其驱动机制的研究是全球变化科学中的一个重要组 成部分，为2 0 世纪9 0 年代兴起的跨学科、综合性的、规模较大的国际合作研究 的热点。同时，以地球系统科学理论为指导，以区域和全球尺度为对象，多学科 交叉、跨部门和跨国界的联合协作、长期连续实验观测和高科技手段的综合运用 是当今世界地球科学、生态科学、资源与环境科学发展的主流。陆地生态系统碳 循环研究是预测未来大气c 0 2 和其它温室气体含量、认识大气圈与生物圈的相 互作用等科学问题的关键，也是认识地球生态系统的养分循环和生物多样性变化 的基础。 陆地生态系统的碳循环是一个开放系统，这不仅体现在通过陆地与大气问的 交换，进而与海洋的碳循环相联系，还包括通过河流作用向海洋的直接碳输运。 人类活动不仅加大了c 0 2 在大气圈、海洋和陆地生态系统之间的交换量，也加 剧了河流的直接碳输运，加速了陆地的碳流失。因此，要深入系统地理解陆地生 态系统的碳循环过程，总体把握陆地的碳收支状况，有必要了解通过河流作用的 陆地海洋间碳输运量和输运规律，有必要了解陆地河口近海生态系统的碳迁 移和沉积过程特征。 我国在陆地生态系统碳循环过程及其驱动机制研究方面尽管开展了一些研 究工作( 方精云等，1 9 9 6 ；张新时等，1 9 9 7 ；王绍强等，2 0 0 0 ；f a n gc ta 1 2 0 0 1 ；w a g e ta 1 2 0 0 1 ) ，但研究结果还不能阐明中国陆地碳汇源和碳储量的时空格局、陆地 碳汇源的历史与未来情景。过去研究工作的侧重于自然因素对陆地碳循环影响 的研究，对国家尺度上人为活动的影响评价研究较少。曾经有对黄河口碳参数的 研究报道( 蔡德陵，1 9 9 6 ；c a u w e te ta l ，1 9 9 3 ；z 1 1 a n ge ta l ，1 9 9 2 ) ，然而，近十 年来，没有对黄河河流碳参数的输运和时空变化规律的研究，尤其至今还未见对 黄河流域水体p c 0 2 实测的报道及对水一气界面通量的讨论。2 0 0 3 年1 0 月的调 查正值黄河发生十年未遇的大洪水，数据可以反演历史黄河水量正常年份碳参数 的通量，是重建黄河河流碳通量历史演变过程，进而预测未来5 0 年的碳通量时 空变化特征的重要基础。2 0 0 4 年4 月到2 0 0 5 年3 月，在花园口站进行了每月一 次的连续观测。黄河流域位于亚洲季风区，水文季节变化明显。根据气候变化较 黄河主流碳的时空分布及通量研究 为缓和的欧美地区河流建立的碳通量模型( s c h l e s i n g e r wh ，1 9 8 1 ) 对黄河进行估 算与实测值差别较大( 高全洲，1 9 9 8 ) 。2 0 0 4 年6 月至8 月，黄河流域先后进行 了第三次调水调沙和小北干流放淤实验，因此在揭示黄河河流碳的时空分布及输 运规律时，在自然因素的基础上更加强调人为因素的作用。本文根据黄河代表性 河段定位观测和年内每月的定点连续观测数据结合相关水文、气象资料，初步 探讨了黄河河流各种形态碳的时空分布规律，估算了河流碳的平流输运量和水一 气界面通量。 由于个人能力和知识水平有限，对问题的认识和探讨还较肤浅，恳请诸位专 家和老师批评指正。 1 l 黄河主流碳的时空分布及通量研究 第一章文献综述 自从工业革命以来，由于人类活动和化石燃料燃烧使大气中c 0 2 、c h , l 等温 室气体浓度不断增加。目前全球大气c 0 2 浓度以每年约1 2 】，8p p m v 的速度增 长，按照目前的速度到2 1 世纪中期大气c 0 2 浓度将达到5 0 0p p m v ，2 1 世纪末 将达到6 5 0 7 0 0p p m v ，而大气中c h 4 的浓度近年来每年大约以o 5 的速率递 增。据预测如果温室气体以目前的排放速率持续下去，地球表面的气温则有可能 每1 0 年上升o 2 ，1 0 0 年后的全球平均温度将大约增加2 c ( 变异范围为1 3 - - 5 5 ) 。这种大气c 0 2 - 和c 地浓度的升高和全球变暖无疑是人类活动影响的结 果，并引发了一系列严重的全球环境问题，对人类自身的生存和可持续发展带来 了巨大的威胁。 陆地生态系统碳循环及其驱动机制的研究是全球变化科学中的一个重要组 成部分，为2 0 世纪9 0 年代兴起的跨学科、综合性的、规模较大的国际合作研究 的热点。同时，以地球系统科学理论为指导，以区域和全球尺度为对象，多学科 交叉、跨部门和跨国界的联合协作、长期连续实验观测和高科技手段的综合运用 是当今世界地球科学、生态科学、资源与环境科学发展的主流。陆地生态系统碳 循环研究是预测未来大气c o ：和其它温室气体含量、认识大气圈与生物圈的相 互作用等科学问题的关键，也是认识地球生态系统的水循环、养分循环和生物多 样性交化的基础。 h o u g h t o n ( 1 9 9 9 ) 的报告认为全球碳收支状况为：大气碳库增量( 3 3 士0 2 g t c ) = 化石燃料排放( 5 5 + 0 5 c a c ) - p 土地利用变化净排放( 2 o 士o 8 g t c ) - 海洋净吸收 佗0 a ：0 8 g t c ) 一残余的陆地汇( 2 2 ：t l ，3 g t c ) 。根据h o u g h t o n ( 1 9 9 9 ) 等的估计，北 半球陆地植被的净碳吸收约为( 0 5 0 8 净0 8 g t c ，由此可以推算全球陆地生态系 统中还存在着个大约1 4 1 7 g t c 的未知碳汇( m i s s i n gs i n k ) 。科学家推测陆地 生物圈和近海大陆架可能是这部分未知的碳吸收汇，但是缺乏直接而有力的科学 观测数据支持。因此，研究全球碳循环控制机制、寻找未知的碳汇已经成为国际 地圈生物圈计划( i g b p ) 、世界气候研究计划( w c r p ) 和全球环境变化国际人文因 素计划( m d p ) 等科学计划共同关注的重大科学问题。他们已经联合提出了一个全 黄河主流碳的时空分布及通量研究 球碳项目研究计划( t h eg l o b a lc a r b o np r o j e c t ) 。 陆地生态系统的碳循环与海洋相比较，其循环过程更复杂，估计的不确定性 更大，且更易受人类活动的影响，也最有可能进行人为调控。因此，对陆地生态 系统的碳汇源作用与评价是多年来联合国气候变化框架公约和京都议定 书谈判争论的焦点问题，也是少数发达国家在谈判中保护本国利益的“科学武 器”和推销“抵消排放或换取排放”的“科学基础”。这也是京都议定书谈 判以来，发达国家特别是美国、日本、欧洲把碳循环研究重点向陆地生态系统转 移的主要原因。 陆地生态系统的碳循环是个开放系统，这不仅体现在通过陆地与大气间的 交换，进而与海洋的碳循环相联系，还包括通过河流作用向海洋的直接碳输运。 人类活动不仅加大了c 0 2 在大气圈、海洋和陆地生态系统之间的交换量，也加 剧了河流的直接碳输运，加速了陆地的碳流失。因此，要深入系统地理解陆地生 态系统的碳循环过程，总体把握陆地的碳收支状况，有必要了解通过河流作用的 陆地一海洋间碳输运量和输运规律，有必要了解陆地河口一近海生态系统的碳迁 移和沉积过程特征。 1 1 陆地生态系统碳循环 发达国家作为全球变化科学研究的领先者，不断增强对碳循环研究的力度， 纷纷提出各自国家或地区的大型碳循环科学研究计划。美国于2 0 0 0 年启动的大 型“碳循环科学计划”，重点研究大陆和区域尺度的碳汇，源以及碳汇源随时间的 变化。臼本于2 0 0 2 年启动陆地生态系统碳收支国家战略性研究计划，分别以亚 洲的亚寒带，温带和热带陆地生态系统为对象进行碳收支的综合研究。欧盟发起 了一个“欧洲碳循环联合项目”，其目的是监测陆地生态系统碳储量，通量状况， 为国家清单编写提供一个一致性的时空尺度方法论。 目前令科学家困惑的问题是已知的全球碳汇( s i n k ) 与碳源( s o u r c e ) 不能 达到平衡，存在一个很大的未知的汇。尽管政府间气候变化专门委员会( 1 p c c ) 报告和有些研究结果表明陆地生态系统可能是大气c 0 2 的一个汇，但仍然缺乏 大量科学数据的支持。对全球陆地生态系统碳通量，储量和碳汇源已有很多的估 2 黄河主流碳的时空分布及通量研究 计值，但估计唐之间存在较大的差异，这主要是由复杂的陆地碳循环过程中大量 的不确定性造成的。目前依据大气c 0 2 浓度测量数据的火气传输模型分析认为 在北半球中纬度地区存在着一个巨大的陆地碳汇( t a n se ta 1 ，1 9 9 0 ：c i a i se ta 1 ， 1 9 9 5 ) ，由于北半球中高纬度温带和寒带森林分布面积广，陆地生态系统对气候 变化更加敏感，因此该地区成为全球变化和陆地碳循环研究的重点。虽然我国已 开展了陆地碳储量、碳汇及其他与全球变化相关问题的研究( 方精云等，1 9 9 6 ： 张新时等， 1 9 9 7 ；王绍强等，2 0 0 0 ；f a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ；w a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ) ，但 是其研究结果还不能阐明中国陆地碳汇源和碳储量的时空格局、陆地碳汇源的 历史与未来情景。 由于陆地生态系统生物过程对温室气体浓度升高和气候变暖具有定的适 应性( l u oe ta 1 ，2 0 0 1 ) ，因而近年来科学家们设计了各种人工控制实验方案， 以便模拟和预测陆地生物过程对气候变化的响应，揭示陆地生态系统碳循环过程 对环境变化的适应机制( 汪杏芬等，1 9 9 8 ) 。为了分析观测和实验研究数据、揭示 碳循环过程机理、获得陆地碳汇，源强度与空间分布、模拟和预测未来情景，科 学家们相继开发了大量的陆地碳循环动力学模型。目前，国际上比较著名的 t e m 、c e n t u r y 、f o r e s t b g c 、m a p s s 、b i o m e 、c a s a 和s i b 2 等模型， 从陆地生态系统碳循环的不同侧面描述了碳循环过程和机制。尽管我国科学家开 发的大气陆面模型( a v i m ) 在国际模型比对中受到好评( 季劲钧等，1 9 9 9 ) ， 但是还需要利用大量的观测数据进行验证、改进及发展。 陆地生态系统碳量通过水土流失、土壤侵蚀与河流从陆地传送到海洋主要有 四种形式：( 1 ) 颗粒有机碳( p o c ) ，包括植物凋落物、木质碎片和土壤有机质： ( 2 ) 颗粒无机碳( p c ) ，主要是未溶解的碳酸盐；( 3 ) 土壤碳和凋落物分解中产生 的溶解态有机碳( d 0 c ) ；( 4 ) 溶解态的无机碳( d i c ) 。全球陆地生态系统通过水 土流失迁移的土壤有机碳有5 7 x 1 0 ”a ，其中3 9 9 x 1 0 1 5 9 ，a 依然存储在陆地生态 系统( l a l ，1 9 9 5 ) 。研究还表明，南美洲亚马逊地区河流和湿地成为大气c 0 2 的一个源( r i c h e ye ta 1 ，2 0 0 2 ) ，同时森林地区溶解态的有机物质损失也受到了 关注( p e r a k i sa n dh e d i n ，2 0 0 2 ) ，而我国是一个水土流失面积较大的国家，因此 开展河流碳通量和河口一近海碳输运研究成为分析陆地生态系统碳迁移和评价碳 收支的一个重要方面。 黄河主流碳的时空分布及通量研究 1 2 河流碳输运的研究现状 每年经陆地侵蚀由河流输入海洋的碳约为1 g t ，其中约6 0 为无机碳、4 0 为有机碳( l u d w i g ，1 9 9 6 ) 。在数量上，河流碳通量较之全球碳循环其他环节的 通量是很小的，如“大气圈一陆地生态系统”通量每年互为约1 0 0o t c ，“大气 圈一海洋”通量每年互为约7 4g t c ( s i e g e n t h a l e r u ，1 9 9 3 ) 。然而，它却与“大 气一海洋”间的净碳通量( 1 7 2 8 g t c a ) ( s i e g e n t h a l e ru ，1 9 9 3 ) 、人类每年使 用化石燃料形成的碳通量( 5 2g t c a ) ( s a r m i e n t ojl ，1 9 9 2 ) 以及森林火灾形成 的碳通量( 1 0 t c a ) ( d e t w i l e r rp ，1 9 8 8 ) 又处于一个数量级上。自然环境的任何 波动都会在河流碳通量上反映出来。反之，通过研究河流碳通量的变化也可以认 识自然环境的变化，特别是有机碳通量，主要来自对土壤有机质的侵蚀，它与陆 地生态系统的变化关系更加密切。 s i e g e n t h a l e r 等( 1 9 9 3 ) 的研究表明，工业革命前大气圈和海洋都处于碳循 环的动态平衡状态，工业革命后，人类对地球各圈层的干扰程度加强，不但陆地， 而且大气圈和海洋都进入不平衡状态，表现为大气圈和海洋各自演化为一个巨大 的碳汇，每年有大量来自陆地( 包括陆地生物量和矿物燃料等) 的含碳物质被氧化 为c 0 2 汇入大气和海洋。然而在s i e g e n t h a l e r 等的研究中，工业革命前后的全球 河流碳通量没有发生变化，均为0 8 g t c a ，这是值得进一步研究的。实际上，工 业革命后人类经济活动的加剧对地表之水文、水化学、植被和土壤结构性质的影 响程度在不断加大。毁林开荒、大规模的机械耕作都会加大土壤的侵蚀速率，大 量土壤有机质被淋溶、冲刷进入河湖，汇入海洋。工业排废、富营养化和酸雨等 现代环境问题都会影响河流碳通量，并且，在很大程度上是增加了河流碳通量， 使得淡水和近海系统成为附加的碳汇( k e m p es ，1 9 8 4 ) 。 1 2 1 河流无机碳输运 气体c 0 2 溶解于水生成的h c 0 3 离子( c 0 2 + h 2 0 = h c 0 3 。+ h + ) 构成淡水中的主 要溶解无机碳( d i c ) 成分。陆地基岩的化学风化也消耗大气和土壤空气中的c 0 2 ， 并生成h c 0 3 - 离子( s u c h e tp a ，1 9 9 5 ) 。当硅酸盐岩发生风化时，全部的h c 0 3 黄河主流碳的时空分布及通量研究 离子均来自大气和土壤空气中的c 0 2 ，硅酸盐岩只起到一个“耗碳介质”的作用。 而当碳酸盐岩发生风化时，所生成的h c 0 3 - 离子一半来自大气和土壤空气中的 c 0 2 ，另半来自碳酸盐矿物。 影响d i c 通量的主要因子有降水量、气温、河网密度以及流域内碳酸岩的 出露程度( p r o b s tjl ，1 9 9 2 ；p r o b s tjl ，1 9 9 4 ) 。颗粒无机碳( p i c ) 主要指河流 中携带的未溶解碳酸盐矿物。目前，这方面的研究较薄弱。在有些河流中或某些 河段，p i c 会占总碳通量的很大份额。例如，g a u e w t 等( 1 9 9 3 ) 通过对长江和黄河 的研究指出，长江水体中p i c 占总碳通量的1 7 ，在总悬移物( t s s l 中约占1 ， 黄河水体中p i c 占总碳通量的7 1 4 ，在总悬移物中约占1 7 。g a u e w t 等据此 得出结论，随着河流混浊度增加，p i c 在总碳通量中历占的比例也明显增加。 1 2 2 河流有机碳输运 对河流中溶解有机碳( d o c ) 的研究较为深入。d o c 主要包括一些腐殖质、 多糖、多肽和胶体物质等，还有其它一些碳氢化合物、氨基酸和脂类等 ( s c h l e s i n g e r w h ，1 9 8 1 ) 。河水中的d o c 可划分为外源的和自生的两类。外源 d o c 来自土壤有机质的降解产物和人类生产、生括的排废物；自生d o c 源于河 湖浮游植物。控制d o c 通量的主要因子有径流深度( q ，单位：r l l m ) 、地形坡度( s ， 单位：弧度) 以及土壤中有机碳的含量( c 。i 1 ，单位：呦。l u d w i g 等( 1 9 9 6 ) 通过对遍布 世界各地的2 9 条河流的分析，得出一个关于计算d o c 通量( f d c e ) 的经验公式： f d 0 c = o 0 0 4 0q 一8 7 6s + 0 0 9 5c s 0 n r = o 9 0 , p 0 0 0 1 ，刀- - 2 9 径流深度越大以及土壤中有机碳含量越多，河水中d o c 通量就越大。坡度 和缓的地形便于降水在流域内滞留，从而加强了淋溶作用；反之，降水快速流失， 淋溶作用减弱。因此，流域的d o c 通量与地形坡度呈反比。 全球河流d o c 通量约为o 2 0 5g t c a ( l u d w i g ，1 9 9 6 ) 。不同地区的河流d o c 通量存在差异。高山和冰j l l 区的河流中d o c 浓度偏低；而流经生产量较高地区 如沼泽地、泥炭地的河流中d o c 的含量则会很高：喀斯特地区的河流中c e + 离 子含量高，养分少，d o c 浓度较低。海洋中的d o c 可划分为两部分，即陆地来 源的和原地生成的，两者比例相当( m a n r o u r a r f ，1 9 8 3 ) 。 黄河主流碳的时空分布及通量研究 颗粒有机碳( p o c ) 也分外源的和自生的两类。自生p o c 系由河流中的叶绿体 经光台作用所产生的颗粒物，外源p o c 主要来源于土壤侵蚀，陆生植物的种子、 叶、茎，以及人类生产、生活的排废物也是p o c 的主要来源。一般来说，自生p o c 只占很小份额，但在某些河流中自生p o c 的贡献却是不可忽视的。 河流中悬浮物质是p o c 的主要载体。l u d w i g 等( 1 9 9 6 ) 用下式来表达河流 p o c 的通量( f v o c ) ：f m c = t s s p o c 。 式中p o c 为t s s 中p o c 的百分含量。而p o c 又只与t s s 的浓度( c t s s ) 有关：p o c = 0 1 6 0 ( 1 0 9 c t s s ) 3 + 2 8 3 ( 1 0 9 c t s s ) 2 1 3 6 ( 1 0 9 c t s s ) + 2 0 3 r = o 8 ，p 0 0 0 1 ，n = 1 9 。 全球河流p o c 通量约为o 1 7 3g t c a ( l u d w i g ，1 9 9 6 ) 。5 9 的p o c 由c t s s 值界于5 0 0 1 5 0 0 m g l 的河流输送，这些河流搬运了全球约4 5 的t s s ，它们 大多位于亚洲东部和南部( 1 a e k k o tv ，1 9 8 8 ) 。 一般来说，河流向海洋的碳输移，在较大的河流中以d o c 为主，较小的河 流中以p o c 为主( s u c h e tpa ，1 9 9 5 ：m e y b e c km ，1 9 8 2 ) ，如南美和非洲的一 些大河，d o c 的输移量就远大于p o c ( d e p t r i spj ，1 9 9 2 ) 。长江和黄河例外， 它们的p o c d o c 比值分别为3 和7 5 ( g a u w e tg ，1 9 9 3 ) 。以下两个方面可以解 释p o c d o c 的变化规律：一方面，流域内淋溶作用越强，河水d o c 浓度就越 大，反之，冲刷作用有利于p o c 的产出；另一方面，河流上游段以冲刷作用为 主，下游冲积平原段则以沉积作用为主( d e p t r i spj ，1 9 9 2 ) 。许多湖泊的d o c 含量远大于p o c ，有时d o c p o c 的比值可达1 0 ( w e t z e lr g ，1 9 7 3 ) 。流经草 地的河流中d o c 和p o c 的含量相当( m a l c o mrl ，1 9 7 6 ) 。 全球约4 5 的入海有机碳来自热带湿润地区的土壤侵蚀，约5 1 的d o c 汇 入大西洋。7 4 的t s s 和5 9 的p o c 、汇入太平洋和印度洋，而太平洋和印度洋 只接纳了全球约4 1 的径流量( l u d w i g ，1 9 9 6 ) 。 1 3 河流水一气界面碳通量 陆地生态系统作为碳循环的一个开放系统，不仅体现在通过河流向海洋的直 接碳输运，还体现在通过陆地、湖泊、河流与大气c 0 2 的交换。 6 黄河主流礁的时空分布及通量研究 颗粒有机碳( p o c ) 也分外源的和自生的两类。自生p o c 系由河流中的叶绿体 经光合作用所产生的颗粒物，外源p o c 主要来源于土壤侵蚀，陆生植物的种子、 1 、茎，以及人类生产、生活的排废物也是p o c 的主要来源。一般来说，自生p o c 只占很小份额，但在某些河流中自生p o c 的贡献却是不可忽视的。 河流中悬浮物质是p o c 的主要载体。l u d w i g 等( 1 9 9 6 ) f 日下- 式来表达河流 p o c 的通量( f m c ) ：f p o c - t s s p o c 。 式中p o c 为t s s 中p o c 的百分舍量。而p o c 又只与t s s 的浓度( c t s s ) 有关：p o c - 一0 1 6 0 ( 1 0 9 c t s s ) 。+ 2 8 3 ( 1 0 9 c r s s ) 2 1 36 ( 1 0 9 c t s s ) + 2 0 3 r = 0 8 ，p 00 0 1 ，r l - 1 9 。 全球河流p o c 通量约为0 】7 3g t c a ( l u d w i g ，1 9 9 6 ) 。5 9 的p o c 由c t s s 值界于5 0 0 1 5 0 0 m g l 的 河流输送，这些诃流搬运了全球约4 5 的t s s ，它们 大多位于亚洲东部和南部( 1 t t e k k o t v ，1 9 8 8 ) 。 一般来说，河流向海洋的碳输移，在较大的河流中以d o c 为主，较小的河 流中以p o c 为主( s u c h e tpa ，j 9 9 5 ；m e y b e c km ，1 9 8 2 ) ，如南美和非洲的一 些大河，d o c 的输移量就远大于p o c ( d e p t r i spj ，1 9 9 2 ) 。长江和黄河例外， 它们的p o c d o c 比值分别为3 和7 5 ( o a u w e tg ，1 9 9 3 ) 。以下两个方面可以解 释p o c d o c 的变化规律：一方两，流域内淋溶作用越强，河水d o c 浓度就越 大，反之，冲刷作用有利于p o c 的产出；另一方面，河流上游段以冲刷作用为 主，下游冲积平原段则以沉积作用为主( d e p t r i spj ，1 9 9 2 ) 。许多湖泊的d o c 含量远大于p o c ，有时d o c p o c 的比值可达。1 0 ( w e t z e lrg ，。1 9 7 3 ) 。流经草 地的河流中d o c 和p o c 的含量相当( m a l c o m r l ，1 9 7 6 ) 。 全球约4 5 的a 海有机碳来自热带湿润地区的土壤侵蚀，约5 1 的d o c 汇 入大西洋。7 4 的t s s 和5 9 自1 1p o c 汇入太平洋和印度洋，而太平洋和印度洋 只接纳了全球约4 1 的径流量( l u d w i g ，1 9 9 6 ) a 1 3 河流水一气界面碳通量 陆地生态系统作为碳循环的个开放系统，不仅体现在通过河流向海洋的直 接碳输运，还体现在通过陆地、湖泊、河流与大气c 0 2 的交换。 接碳输运，还体现在通过陆地、湖泊、河流与大气c 0 2 的变换。 黄河主流碳的时空分布及通量研究 河流大约每年以溶解态和颗粒形态向海洋输运1 g t ( l u d w i g ，1 9 9 6 ) ，而通 过水一气界面还向大气中释放的c 0 2 估计至少能达到1 0 1 3 9 a 的数量级( k e m d es ， 1 9 8 2 ；d e g e n set ，1 9 9 1 ) 。但这个数据是靠河流的p h 、a l k 等参数计算p c 0 2 获得的，如英国泰晤士河( c o l i n n ，1 9 9 8 ) 、加拿大渥太华河( k e v i n v ，1 9 9 9 ) 等。应当特别指出的是，由p h 、a l k 等参数计算p c 0 2 所得的结果与实测值有 所差别，直接观测取得p c 0 2 数据是非常重要的( 胡敦欣，2 0 0 1 ) 。目前对河流 p c 0 2 实测的报道有美国的约克河口( p e t e r a r ，2 0 0 0 ) 、美国的d u p l i n 河口( w a n g z a ，2 0 0 4 ) 、南美洲的亚马逊河( r i c h e yj e ，2 0 0 2 ) 和中国的珠江口( z h a i w d ，2 0 0 5 ) 。 研究结果表明，泰晤士河水体p c 0 2 是空气中的o 3 1 1 5 倍，生物光合作用 和呼吸作用是影响p c 0 2 高低的重要因素；渥太华河水体的p c 0 2 平均值为1 2 0 0 u a l r n ，p c 0 2 受土壤呼吸作用和矿物风化的控剑；亚马逊河水体p c 平均值约为 4 3 0 0 u a t m ，河流侵蚀带来的有机碳的呼吸作用是维持高p c 0 2 的机制；珠江口在 盐度小于o 5 的水体中p c 0 2 大于4 0 0 0 u a t m ，生物耗氧呼吸是维持高p c 0 2 的主 要机制，另外，温度、盐度、碳酸钙的沉降对p c o ，也有影响。其中渥太华河主 流水面面积为4 4 0 k i n 2 的研究区域内，每年可向大气释放7 4 4 xl o h c ；对整个流 域研究较为完整是亚马逊河，亚马逊河包括主要支流及湿地1 7 7 万k m 2 的流域面 积内，每年大约释放2 1 0 1 0 8t c 。 1 3 1 水体p o o ，的测定方法 早期的p c 0 2 数据一般是依赖于p h 和碱度( a l k ) 间接获得。s i m p s o na n d z i r i n o ( t 9 8 0 ) 认为：假定总碱度( t a ) 是恒定的，p c 0 2 可由p h 和t a 数值计 算而得。当p c 0 2 与p h 的改变仅是由于同大气的交换或生物活动引起时，其假 定是很有用的，因为t 在同大气交换时几乎不改变。当然，该计算法容易导致 极大的误差。首先，该公式都是基于以热力学平衡为前提，而水体中的c 0 2 往 往是处于非平衡体系，所以以假定水体达到平衡为前提而得来的公式不一定能反 映真实情况。其次，公式中涉及到的硼酸、碳酸等弱酸的离解常数影响因素很多， 计算中引用不当会引起较大误差。另外。p t q 测量值是否准确是一个关键因素。 黄河主流碳的时空分布及通量研究 由于p h 的不确定会给p c 0 2 带来3 的误差，由a l k j h e c 0 2 计算得到的p c 0 2 ， 其误差可达5 。基于以上原因，上述计算法现在一般不再采用，而用化学分析 法直接测定。 化学分析法中，主要有电化学分析法、光学分析法、红外光谱法和气相色谱 法等。电化学测定法中主要有电位测定法、电导法、电流测定法、声波测定法等。 光学测定法主要包括分光光度法和荧光光度法。其基本原理是气体或溶液中的 c 0 2 通过一层渗透膜进入到含有对p h 变化敏感的显色溶液中。由于c 0 2 反应引 起p h 变化，导致显色试剂颜色改变。 在水体中p c 0 2 的直接测定中，应用最广泛的是红外光谱法( n d i r ) 和气 相色谱法( g c ) 。红外色谱法采用的检测仪器是各种型号的非色散红外分析仪 或红外线分析器等，其工作方式有所不同，但都是根据p c 0 2 在波长2 3 2 5 c m 。处 吸收最大进行检测。气相色谱一般是样品气中的c 0 2 在色谱柱内分离后，进入 转化柱被甲烷化镍催化氢化为c h 4 ，然后由氢火焰离子检测器( f i d ) 检测，检 出信号经放大器放大送到记录仪( w e i s s ，1 9 8 1 ) 。气相色谱法的灵敏度比红外稍 低，但精密度比红外法高。一般来说，红外光谱法更适合于实现连续测定，而气 相色谱法有需求样品量少等优点( k o r t z i n g e r a ，1 9 9 9 ) 。在通量计算中，c 0 2 测定的精密度要求小于l ，红外法和气相色谱法都能达到这个要求，红外法的 精密度一般是1 ( c o p i n - m o n t e g u t ，19 8 8 ) ，气相色谱法对大气要好于0 8 ， 对水体约1 ( g o y e t e t a 1 ，1 9 9 1 ) 。 气相色谱法和非色散红外法都需要水一气交换平衡器作样品前处理，并且是 测定准确与否的关键。目前平衡器主要有三种类型( k o r t z h a g e re ta 1 ，1 9 9 6 ) ， 即喷淋式( 如：k e e l i n ge ta 1 ，1 9 6 5 ；k e l l y ，1 9 7 0 ；l n o u ee ta 1 ，1 9 8 7 ；r o b e r t s o n e ta 1 ，1 9 9 2 ：g o y e ta n dp e l t z e r ，1 9 9 4 ) 、鼓泡式( 如：t a k a h a s h i ，1 9 6 1 ；g o y e t e ta 1 ，1 9 9 1 ：s c h n e i d e re ta 1 ，1 9 9 2 ；o h t a k ie ta l ，1 9 9 3 ) 和层流式( p o i s s o n e t a 1 ， 1 9 9 3 ：c o o p e re ta 1 ，1 9 9 8 ) ，或者将喷淋与鼓泡二者功能结合在一起 ( c o p i n - m o n t e g u t ，1 9 8 5 ；张龙军，2 0 0 2 ) 等。不少对比实验表明，平衡器型制 对测定结果影响不大( k o r t z i n g e r e ta 1 ，1 9 9 6 ；张龙军等，2 0 0 1 ：2 0 0 2 ) ，平衡器