研究生知识库

流域碳与其它元素（例如硫等）的循环是全球碳循环中重要的一部分，受气候条件因素和元素相互耦合制约，同时将反作用于区域和全球气候变化。本研究通过对西江流域一个完整水文年的时间序列采样，探讨流经喀斯特地区的河流中碳输送量的变化规律，评估不同碳硫生物地球化学过程对碳通量的耦合影响程度，有利于更科学地建立区域/全球碳循环模型。采用化学计量学和地球化学方法，深入细致的探讨西江流域主、微量元素以及沉积物的化学组成，结合同位素（δD-H2O、δ18O-H2O、δ34S-SO4、δ18O-SO4和 δ13C-DIC）分析，探讨其季节变化以及沿程的空间变化。定量地估算碳酸盐、硅酸盐、硫化物、蒸发盐风化、大气降水以及人为输入对河水溶解物质的贡献；利用前推法计算了西江流域化学风化速率及其季节性变化，并估算了净CO2消耗速率。阐明了流域风化过程的主要影响因素及机制，揭示该流域的地质构造、生物气候和地表风化作用之间的响应耦合关系。西江流域河水呈弱碱性，其中河水总溶解性固体（TDS）变化范围为104 - 321 mg/L，平均值为217 mg/L，远高于世界河流平均值65 mg/L。西江流域河水水化学组成呈现出规律的时空变化。总体上，由于稀释作用，丰水期河水中的主离子含量一般低于枯水期含量；主离子含量从上游到下游下降趋势明显，说明从上游到下游风化作用逐渐减弱。大部分溶解性微量元素含量在枯水期较高，是丰水期的2 - 5倍，有时高达200 倍。河水中 δ18O-H2O（平均值 -7.6‰）和 δD-H2O（平均值 -50.2‰）值在丰水期较枯水期富集 18O、2H，另外，枯水期相比于丰水期具有相对较小变化范围的低 δ18O-H2O 值，可能受季风气候的影响。另一方面，受大陆效应，上游河水较下游富集轻同位素。该流域河水以富集轻硫同位素和重氧同位素为主要特征。河水在枯水期 δ34S-SO4值和 δ18O-SO4值最大差值分别达到9‰和9‰；丰水期变化范围均也有所减小。这些变化在干流变化较支流较小。上游河水较下游，其SO42- 浓度较高，并且富集轻硫氧同位素。河水中碳同位素组成变化范围较宽（-15.7‰ - -5.6‰，平均值为 -11.8‰）。丰水期河水中的 δ13C值（平均值为 -12.3‰）较枯水期（平均值为 -10.3‰）偏负。整体上，上游河水较下游富集重碳同位素，并且，丰水期河水 δ13C值的沿程变化较枯水期幅度大。通过对西江流域河水水化学进行Gibbs图分析，表明河水水化学主要由岩石风化控制。利用正演模型估算各端元贡献比率，得出碳酸盐风化贡献率占主导地位（平均值为53%），其次是大气降水（20%）> 硫化物氧化（12%）> 人为输入（8%）> 石膏溶解（6%）> 硅酸盐风化（2%）。另外，上游河水中约77% 的硫酸盐来自硫化物氧化，这部分硫酸参与碳酸盐风化过程所产生的HCO3- 的量分别占其总量的1/4。该流域总化学风化速率的变化从上游到下游有明显增加的趋势，包括碳酸盐、硅酸盐的平均风化速率也呈现出相似的空间变化，另一方面，硫化物和蒸发盐的平均化学风化速率分别减弱。西江流域净CO2消耗速率（平均值为111.4 mol/km2/a；9.6× 109 mol/a），占全球消耗量的0.1%。当然这些估算由于端元设定的有限性，计算具有偏差性，存在一定的不确定性，总的来讲碳硫耦合过程在西江流域输送碳通量中占有重要作用，是其碳循环重要环节。