岩溶地下水补给的地表河流溶解无机碳昼夜变化与钙沉降

溶解无机碳昼夜动态变化对河流水体碳通量的估算有重要影响。本文选择由地下水补给且富含水生植物的典型河流,开展高分辨率水文地球化学监测和高频率水样取样工作,分析了水化学的昼夜动态变化特征,钙与无机碳昼夜循环产生的生物地球化学控制机理,估算了钙与无机碳昼夜通量。结果表明,白天pH、SIC上升,产生钙沉降和水体无机碳(主要为HCO-3)含量的下降,夜间得到地下水的补给,Ca2+和HCO-3浓度回升。监测期间,官村地下河出口地表河流钙与溶解有机碳的流失或沉降量分别为69.04kg/d和168.68kg/d,即51.14g/(m·d)和124.95g/(m·d),分别占输入量的6.2%和4.7%。受水生植物光合作用和钙化作用控制,沿流程发生无机碳向有机碳转化,是真正意义上的自然碳汇。     

夏季强降雨期间千岛湖有机碳的时空分布特征及影响因素

近年来,极端降雨事件在全球发生的强度和频率不断增加,这可能对大型深水水库水体有机碳的时空分布产生深远影响. 为探究强降雨事件对千岛湖有机碳的时空分布特征及影响机制,于2020年5—8月逐月采集了典型大型深水水库——千岛湖100个调查点位水样,分析了千岛湖夏季水体总有机碳(TOC)、溶解性有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)浓度的时空分布特征和影响因素,重点探讨了强降水过程对有机碳浓度、通量和储量的影响. 结果表明:①2020年5—8月千岛湖TOC、DOC和POC浓度平均值分别为2.06、1.73 和0.33 mg/L,随着强降雨开始,5—7月TOC、DOC浓度呈逐渐上升趋势,而雨量急剧下降的8月(几乎无雨),浓度也随之显著下降;水平分布上,5—7月有机碳浓度高值在全库的分布范围逐渐扩大,整体具有河流区到湖泊区逐渐降低趋势. ②新安江入库碳通量(F_TOC、F_DOC、F_POC)约占全库25条主要河流总入库碳通量的69%,降雨期间5—7月总入库F_TOC分别是8月的11、36和41倍;5—8月有机碳储量(R_TOC、R_DOC、R_POC)平均值分别为44 611、38 452和6 159 t,6月、7月的总入库碳通量均占当月全库水体碳储量的1/5,所占比例分别8月的35和28倍. ③DOC和POC浓度与叶绿素a(Chla)、悬浮颗粒物(SS)、有机悬浮颗粒物(OSS)、无机悬浮颗粒物(ISS)、COD_Mn和TP浓度均呈极显著(P<0.01)正相关,与透明度(SD)呈极显著(P<0.01)负相关. 研究显示:千岛湖有机碳主要受浮游植物内源生产过程以及外源输入过程共同决定,而这两个过程受水文气象因素的综合影响,强降雨过程是千岛湖有机碳时空变化的关键驱动力;强降雨也是有机碳通量升高的关键控制因子,并且高入库碳通量会对全库水体碳储量产生强烈冲击.      

闽江下游不同碳组分及其通量特征

河流连接着地表主要碳库,在全球碳循环中发挥着重要作用.河流水体中不同碳组分的水平输送、水-气界面通量及其比例对认识河流在区域碳循环的作用具有重要意义.2013年11月-2014年10月在闽江下游竹岐水文站连续进行采样,分析水样中c（DIC）（dissolved inorganic carbon,溶解性无机碳）、c（DOC）（dissolved organic carbon,溶解性有机碳）和c（POC）（particulate organic carbon,颗粒性有机碳）,并结合相关参数估算闽江不同碳组分的水平及垂直通量.结果表明:① c（DIC）、c（DOC）、c（POC）分别为230~892、112~209、14~183 μmol/L.②调查期间闽江总碳水平通量达46×1010 g/a,其中,DIC水平通量为29×1010 g/a,占总碳水平通量的63%;POC水平通量为6×1010 g/a,相当于DOC水平通量（11×1010 g/a）的55%.③不同组分的季节变化特征不同,c（DIC）在丰水期较低、枯水期升高,表明DIC输出受流域生态系统的供应限制;各月c（DOC）变化不大,表明流域DOC输出潜力较大;c（POC）在丰水期明显升高,枯水季较低;溶解态碳是河水碳组分的主要部分;年内各月DIC水平通量分配较均匀,有机碳水平通量集中在丰水期.④闽江竹岐水体pCO₂（二氧化碳分压）为1 500~6 400 μatm（1 atm=101 325 Pa）,是大气CO₂的"源",闽江下游水-气界面CO₂垂直通量约为DIC水平通量的2%,闽江下游河流DIC输出以水平输出为主.建议今后进一步开展闽江中典型流域和水域的碳组分调查,加强闽江碳组分输出的控制机制研究.      

三峡水库淤沙净碳排放量核算

为厘清三峡水库净碳排放量,通过对比分析三峡大坝建设与未建设情景下泥沙携带有机碳在河道中迁移转化过程,核算了两种情景下碳排放通量.结果表明:三峡大坝不仅没有增加反而降低了泥沙在河道输送过程中产生的碳排放通量,降幅达到(23.24±1.05)%.三峡大坝对有机碳输送产生明显再分布效应,将有机碳分解与碳排放热区从长江口转移至库内.虽然水库缺氧环境促进甲烷产生,但较高的有机碳埋藏率促使碳排放量下降.     

九龙江库区河段的营养盐滞留效应

通过估算2007年我国南方溪流九龙江流域库区河段的NH4-N和TP的输送通量,探讨水库对营养盐的滞留效应。该河段径流量和营养盐通量均表现出丰水期高枯水期低的季节性特征。系统对NH4-N存在较强的正滞留效应,滞留率为32％,对总磷的滞留率为-10％,可能是河流“湖库化”导致河流沉积物中磷大量释放。     

三峡库区主要河流秋季pCO2及其影响因素

于2015年10月对三峡库区主要河流表层水体中的溶解性碳组成进行了测定,结合水文地质条件和水化学关键指标,对河流表层水体二氧化碳分压(p CO_2)的空间变化及影响因素进行了研究,并利用模型法分析了水-气界面CO_2通量特征.结果表明,三峡库区主要河流秋季pCO_2介于18.75~296.31 Pa之间,均值为(141.06±77.51)Pa;河流CO_2脱气通量平均值为(101.1±78.0)mmol·(m2·d)-1,其中86%的采样点位表现为大气CO_2源的特征.p CO_2与DO和pH显著负相关,与HCO-3显著正相关.由于山区河流流速快和水力停留时间短等特征,河流有机碳原位呼吸是导致p CO_2与DO和pH很强的负相关关系的主要原因.研究结果为准确估算三峡库区河流CO_2逸出量提供了重要的数据支撑.     

乳山湾邻近海域有机碳的分布与底界面过程

根据2009年和2014年夏季在乳山湾口及邻近海域的综合调查结果,分析了该海域夏季有机碳的时空分布、底界面过程与影响因素.结果表明,2009年夏季乳山湾近海水体溶解有机碳(DOC)含量介于0.70~3.19mg/L之间,平均值为1.80mg/L;DOC的平均值在8月最高,7月与9月次之,6月最低;2014年8月份DOC的变化范围为1.79~15.2mg/L,高于2009年同期水平,颗粒有机碳(POC)的变化范围为0.04~1.33mg/L;水体有机碳的分布受陆源输入、海洋初级生产以及潮汐的显著影响.研究区域夏季颗粒有机碳(POC)的沉降通量为(25±0.8)g/m~2,约占初级生产固碳量的66%;沉积物上层(0~4cm)间隙水中DOC的浓度是沉积物上覆水的8~9倍,DOC在沉积物—水界面存在向上覆水释放的现象;乳山湾湾口DOC交换通量为14.4–97g/(m~2·a),占水体存量的1.1%~13.4%.人类活动一定程度上影响了乳山湾及其近海有机碳的构成与循环收支过程,是区域环境变化的重要驱动因子之一.有超过50%的有机碳会随潮流输送到外海,显示潮流在有机碳输送中巨大作用;沉积物-水界面DOC的交换会影响底界面有机碳的收支与循环过程,有机碳的收支表明研究海域底界面有机碳的降解所产生的溶解有机碳是水体DOC的重要来源,最终保存在沉积物中的碳其埋藏量约占初级生产的13%;相对较低的溶解氧水平可能会增加DOC的交换通量,影响碳在陆架边缘海的埋藏.     

龙川江楚雄站碳侵蚀通量的动态分析

选取龙川江楚雄水文站进行了为期3年的采样,分析了水体中各形式碳的含量,并估算各碳的输送通量.结果表明:楚雄站3年的碳通量(FTC)分别为27.12×106g·km-2·a-1、24.87×106g·km-2·a-1和10.34×106g·km-2·a-1,分析流域在对碳输送过程中,以输送无机碳为主,分别占输送总量的89.7%、90.3%及91.9%;而汛期碳输送量分别占全年总量的90.9%、84.9%和83.8%,表现出流域汛期对碳的搬运量远远高于非汛期;溶解性有机碳通量(FDOC)与颗粒有机碳通量(FPO C)平均比为0.82,不同季节表现情况不一,非汛期溶解性有机碳(DOC)与颗粒有机碳(POC)含量相当,汛期机械侵蚀作用增强,导致FPO C远远大于FDOC,反映汛期对流域侵蚀作用以机械剥蚀为主,化学侵蚀为辅.研究期内恰遇2008年一场洪水,11月碳的侵蚀通量为8.53×106g·km-2·a-1,其中溶解性无机碳(DIC)、溶解性有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)的输送量分别为7.37×106、0.36×106、0.80×106g·km-2·a-1,分别占2008年全年相应形式碳总量的33.3%、34.4%和59.9%,为当年非汛期碳侵蚀总量的2.3倍,反映洪水期的碳输出量对流域碳输出总量及构成存在不可忽略的贡献.     

柳江流域柳州断面水化学特征及无机碳汇通量分析

用河流水化学的离子组成特征来揭示流域化学风化过程及其碳汇效应成为了当前全球变化研究的一个重要方面.对2013年1月至12月柳州段河水每月2~3次采样分析,结果表明,水化学类型为舒卡列夫分类法中的HCO3-Ca型,离子组成以Ca2+和HCO-3为主,这主要体现了流域内碳酸盐岩溶解对河水水化学特征的控制作用.河水的主要离子质量浓度表现出明显的季节变化特征,总体上冬季最高,秋季和春季次之,夏季最低.其中Ca2+和HCO-3离子质量浓度受稀释效应和CO2效应的共同作用,表现为夏季最低,秋季最高;其它离子的质量浓度变化受稀释效应、农业活动或两者的共同作用的影响.对河水的化学计量分析表明碳酸和硫酸共同参与了流域碳酸盐的风化,并且δ34S的值为7.65‰~8.55‰,通过分析SO2-4可能主要来自矿床硫化物的氧化和大气酸沉降.为了准确估算岩溶碳通量,运用化学质量平衡法,估算出[HCO-3硫酸]/[HCO-3]=28.26%,在扣除硫酸作用产生的无机碳(HCO-3)的基础上,运用水化学-径流法估算出柳江柳州断面无机碳通量(以CO2计)为8.95×105t·a-1.并且通过分析碳通量与流量和HCO-3之间的关系,表明河流流量是影响岩溶碳通量的主控因素.     

珠江口夏季海陆源有机碳的模拟研究——分布特征、贡献比重及其迁移转化过程

基于经过验证的三维水动力-水质模型,对珠江口夏季有机碳进行海陆源区分,并对海陆源有机碳的分布特征、贡献比重及其通量过程进行研究.结果表明,水平方向上,珠江口夏季陆源（海源）有机碳浓度从口门到外海逐渐降低（升高）,在表、底层海水中平均浓度分别为1.45和0.87mg/L（0.97和1.05mg/L）;垂直方向上,在层化水域陆源（海源）有机碳浓度从上到下逐渐递减（升高）,在非层化水域海陆源有机碳浓度垂向分布较为均匀.珠江口夏季海源有机碳贡献率表层海水低于底层海水,平均贡献率为48.26%,沿向海方向海源有机碳贡献率逐渐增加--从内伶仃洋水域的4.43%逐渐提升到外伶仃洋东侧水域的81.20%.珠江口水动力条件复杂,在径流、潮汐、季风等因素的作用下陆源有机碳向海输送且向海输送量逐渐递减;海源有机碳在不同水域动力输送特征不同,西南水域向海输送,向海输送量逐渐递增;东北水域向岸输送,向岸输送量逐渐递减.陆源有机碳生化反应活性较弱,只有小部分被生化过程消耗,其迁移转化主要由沉降过程控制,而海源有机碳的迁移转化,则由口门的动力输送过程主控向外海的生化耗碳过程主控过渡.此外,海源有机碳沉降作用明显低于陆源有机碳,生化作用明显高于陆源有机碳.     

Flux characteristics of total dissolved iron and its species during extreme rainfall event in the midstream of the Heilongjiang River

The occurrence of extreme rainfall events and associated flooding has been enhanced due to climate changes, and is thought to influence the flux of total dissolved iron(TDI) in rivers considerably. Since TDI is a controlling factor in primary productivity in marine ecosystems, alteration of riverine TDI input to the ocean may lead to climate change via its effect on biological productivity. During an extreme rainfall event that arose in northeastern China in 2013, water samples were collected in the midstream of the Heilongjiang River to analyze the concentration and species of TDI as well as other basic parameters. The speciation of TDI was surveyed by filtration and ultrafiltration methods.Compared with data monitored from 2007 to 2012, the concentration of TDI increased significantly during this event, with an average concentration of 1.11 mg/L, and the estimated TDI flux reached 1.2 × 105 tons, equaling the average annual TDI flux level.Species analysis revealed that low-molecular-weight complexed iron was the dominant species, and the impulse of TDI flux could probably be attributed to the hydrological connection to riparian wetlands and iron-rich terrestrial runoff. Moreover, dissolved organic matter played a key role in the flux, species and bioavailability of TDI. In addition,there is a possibility that the rising TDI flux could further influence the transport and cycling of nutrients and related ecological processes in the river, estuary coupled with the coastal ecosystems, which merits closer attention in the future.     

Export of dissolved carbonaceous and nitrogenous substances in rivers of the “Water Tower of Asia”

Rivers are critical links in the carbon and nitrogen cycle in aquatic,terrestrial,and atmospheric environments.Here riverine carbon and nitrogen exports in nine large rivers on the Tibetan Plateau—the"Water Tower of Asia"—were investigated in the monsoon season from 2013 to 2015.Compared with the world average,concentrations of dissolved inorganic carbon(DIC,30.7 mg/L)were high in river basins of the plateau due to extensive topographic relief and intensive water erosion.Low concentrations of dissolved organic carbon(DOC,1.16 mg/L)were likely due to the low temperature and unproductive land vegetation environments.Average concentrations of riverine DIN(0.32 mg/L)and DON(0.35 mg/L)on the Tibetan Plateau were close to the world average.However,despite its predominantly pristine environment,discharge from agricultural activities and urban areas of the plateau has raised riverine N export.In addition,DOC/DON ratio(C/N,~6.5)in rivers of the Tibetan Plateau was much lower than the global average,indicating that dissolved organic carbon in the rivers of this region might be more bioavailable.Therefore,along with global warming and anthropogenic activities,increasing export of bioavailable riverine carbon and nitrogen from rivers of the Tibetan Plateau can be expected in the future,which will possibly influence the regional carbon and nitrogen cycle.     

Dynamics of dissolved organic carbon in the mires in the Sanjiang Plain, Northeast China

Mires in boreal area had proved to be an important dissolved organic carbon (DOC) reserve for the sensitivity to climate change and human interfering. The study was focused on the temporal and spatial dynamics and controlling factors of DOC in a seasonallywaterlogged mire (SLM) and perennially-waterlogged mire (PLM) in the Sanjiang Plain, Northest China. In the two mires, DOC concentrations in both surface water and upper soil strata experienced pronounced seasonal variation. DOC concentrations in the surface waters were the greatest and averagely was 47.82 in SLM and 34.84 mg/L and PLM, whereas that in soil water at 0.3-m depth had little di erence (20.25 mg/L in SLM and 26.51 mg/L in PLM). Results revealed that DOC concentrations declined 5–8 times vertically from the surface down to groundwater. DOC in the groundwater only was in a very small part with the average concentration of 5.18 mg/L. In relation to the surface water, DOC concentrations varied positively with temperature just before 8 August, and only in early spring and later autumn DOC concentrations exhibited identifiable spatial trends along with standing water depths in PLM. It was supposed that the influences from standing water depth took e ect only in conditions of low temperature, and temperature should be the most powerful factor controlling DOC dynamics in the mires. Redox potential (Red) showed negative relationship with DOC values while total nitrogen (TN) and the majority of free ions in the soil solution exhibited no relationship. High soil TOC/TN ratio and low redox potentials also led to DOC accumulation in the mires in the Sanjiang Plain.     

Dissolved Organic Carbon in Upland Forested Watersheds Underlain by Continuous Permafrost in Central Siberia

Hydroclimatic variability and plant species ecology cause mosaics in forested watersheds in permafrost zones. Measurements of organic matter accumulation, stock of dissolved organic carbon (DOC), DOC concentrations in litter leachates, subsurface flow, stream and seasonal and annual export were made in two contrasting slopes and valleys in the northern taiga of Central Siberia. Increased organic carbon accumulation in litter was found in poor hydroclimatic conditions of the north-facing slope and bottom valleys. In contrast, DOC contents and its export to soil were almost two-fold higher in warmer well-drained sites of the south-facing slope. The overall DOC flux to mineral soil from the beginning of June to mid-September was 17 g C m⁻² in the south-facing slope sites and only 9 g C m⁻² in the north-facing slope sites. DOC export was positively correlated with precipitation stimulating leaching of mobilizable organic matter. Accordingly intra-seasonal and inter-annual variability of the DOC fluxes was tightly coupled with water input. Meanwhile DOC export in Sphagnum and feathermoss sites showed different behavior in dry and wet years. The presence of permafrost preventing deep seepage of organic solutes results in higher stream DOC fluxes compared to permafrost-free or island permafrost regions. However, thawing of seasonally frozen soil layer during the growing season led to the decreasing concentrations of DOC in the stream from June to September. For two seasons of continuous stream water sampling (June and August–September), the riverine DOC flux constituted about 14% of DOC entering mineral soil on both slopes. The ratio of hydrologic DOC loss to NPP of larch forests of the region was estimated to be 1.1%.     

珠江流域水化学组成的时空变化特征及对岩石风化碳汇估算的意义

基于水-岩-气-生相互作用的碳酸盐风化碳汇模型表明,陆地碳酸盐风化碳汇是大气CO_2汇的重要组成部分;然而,碳酸盐风化碳汇的过程、机制和控制因素仍有待进一步的研究。本文采用野外监测、现场滴定和样品室内测试相结合的方法,对珠江流域支干流分旱季和雨季进行了4次野外监测取样,研究其水化学组成的时空变化特征。结果表明:珠江流域支干流的水化学组成受流域岩石风化、气候和水生光合作用的共同影响,并具有明显的时空变化特征。空间上,南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,水流较慢,水质清澈,水生光合作用强烈,电导率、[HCO_3~-]和[Ca~(2+)]的空间变化主要受水生光合作用控制;从红水河上游蔗香段至肇庆西江大桥监测点,反映的是流域岩石风化对水化学空间变化的影响。季节变化上,西江的电导率、[HCO_3~-]和[Ca~(2+)]呈现出夏季低、冬春季高的特征,主要反映稀释效应的控制。西江干流河水的溶解氧具有明显的季节变化,在上述南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,DO是夏季高冬季低,其他监测点是冬季高而夏季低;DO的季节变化受水生光合作用强度的控制。在南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,温度是光合作用强度的限制因子,而其他监测点的光合作用限制因子为浊度影响的光照。造成上述差异的原因是监测点的水文环境不同。通过对梧州水文站流量和[HCO_3~-]变化的分析发现,[HCO_3~-]的季节变化幅度相对流量小得多,显示在西江流域中,HCO_3~-也存在化学稳定性行为。因此在西江流域中,流量变化是岩溶碳汇通量变化的主控因子。研究还发现,西江流域中具有强烈的生物碳泵效应,由内源有机碳形成的碳汇通量约占传统计算模式碳汇(溶解无机碳-DIC)通量的40%。因此,在估算珠江流域碳酸盐风化碳汇时,必须考虑水生生态系统光合生物对DIC的利用形成的有机碳的贡献。     

北江流域有机碳侵蚀通量的初步研究

选取北江的河口站断面,对径流进行了5个季节的采样分析.结果表明,北江径流中颗粒有机碳含量随总悬浮物含量的变化而同步变化;溶解有机碳含量与总悬浮物含量之间有时表现微弱的正相关,有时表现微弱的负相关.随着水体总悬浮物含量的增加,总悬浮物中有机碳的质量分数呈对数趋势降低.洪峰时期径流对有机碳的搬运是全年总搬运量的主要部分,这种现象对于溶解有机碳更为显著.初步估算,北江流域的有机碳侵蚀通量为10.01×10⁶g·km^-2·a^-1,其中以颗粒有机碳为主,达到6.54×10⁶g·km^-2·a^-1,溶解有机碳的侵蚀通量为3.47×10⁶g·km^-2·a^-1.北江流域有机碳侵蚀通量的总量和组成特点与多数季风流域具有更大的一致性.     

草地生态系统碳通量研究进展

草地碳循环在全球气候变化中起着重要作用,草地碳通量研究是草地碳循环研究的关键问题。由于草地特殊的地理位置及环境特征,使得草地碳通量有别于其他类型的生态系统。草地温室气体特别是CO2和CH4的释放水平具有明显的时空变化特征,其通量变化与许多外部因素相关,包括土壤微生物、土壤温度、土壤湿度、土地利用方式等。本文对近年来草地生态系统碳汇功能变化以及影响碳通量相关因子的研究成果进行了系统的分析和综述。还讨论了草地碳通量研究存在的问题,并对其发展方向进行了展望。     

喀斯特地区土壤有机质的稳定碳同位素地球化学特征

以喀斯特地区二种主要的土壤类型石灰土和黄壤为例,对三种植被类型下土壤及土壤不同粒径组分中有机质的稳定碳同位素组成(δ13C值)进行了分析,结果显示:石灰土剖面中土壤有机碳含量均大于1.0%,最大值为表层土的7.1%,而三个黄壤剖面中土壤有机碳含量在0.3%～4.6%之间;石灰土剖面中土壤有机质δ13C值的变化范围仅为-24.1‰～-23.0‰,土壤不同粒径组分中有机质的δ13C值变幅也较小;而黄壤剖面中土壤有机质δ13C值的变化范围较大,在-24.5‰～-21.1‰之间,土壤不同粒径组分中有机质的δ13C值变幅也较大。对比研究表明,不同土壤类型中有机质的深度分布特征具有显著差异,土壤有机质的稳定碳同位素地球化学具有明显的区域性特征。     

不同气候带退耕还林对区域气温的影响差异分析

退耕还林改变陆表覆盖状况,导致碳收支和地表能量平衡变化,从而影响区域气温。论文通过定量估算耕地转为林地导致生态系统吸收大气CO₂和地表能量平衡的变化,分析21世纪初10 a中国不同气候区开展退耕还林对区域气候调节的影响差异。结果表明：1）仅考虑碳调节,各气候区退耕还林皆表现为241.6~470.2 Mg CO₂-eq hm^-2的碳蓄积过程,具有2.2~16.5 Mg CO₂-eq hm^-2的碳汇作用即致冷效应,特别是亚热带湿润区。2）仅考虑地表能量平衡,中温带干旱与半干旱区退耕还林引起的净辐射增加程度大于潜热通量的增加程度,因此地表对大气供热表现为增温效应;而亚热带湿润区退耕还林引起净辐射减少及潜热通量增加,青藏高原、中温带湿润区净辐射增加程度小于潜热通量的增加程度,因此地表对大气供热皆表现为致冷效应。3）同时考虑碳调节和地表能量收支,中国亚热带湿润区退耕还林的致冷效应是仅考虑碳调节致冷效应的1.25~1.45倍,而中温带干旱区退耕还林的致冷效应则为仅考虑碳调节效应的近一半。