
长江流域水体稳定同位素分馏特征及碳水循环
原雅琼, 孙平安, 于奭, 何师意
长江流域水体稳定同位素分馏特征及碳水循环
Fractionation of stable isotopes and the carbon-water cycle in Yangtze River
岩溶碳循环具有快速的动力学反应过程,对环境变化敏感,水循环可影响岩溶碳循环的两个驱动因子(水和CO2),是岩溶碳循环的重要影响因素。通过2016年6月和10月长江干流、主要支流、水库、湖泊的采样测试,分析了δD、δ18O、无机碳含量和同位素分馏特征及控制因素,揭示了长江流域水循环对岩溶碳循环的影响特征。结果表明:长江流域水体δD和δ18O的空间变化表现出大陆效应、纬度效应和海拔效应,并随降雨的季节性变化而变化;无机碳主要源自碳酸盐岩风化,δ13CDIC值主要受碳酸风化碳酸盐岩和硫酸/硝酸风化碳酸盐岩对$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$的贡献比例控制。长江流域水文过程可显著影响岩溶碳循环,上游冻土区土壤冻结时,幔源和大气源CO2参与碳酸盐岩风化使δ13CDIC值显著增加;夏秋季季风期降雨爆发,降水导致δD和δ18O急剧下降,同时利于土壤CO2累积和碳同位素值下降,并使得水体δD、δ18O和δ13CDIC值均下降;水文过程可影响“生物碳泵”作用,平水期“生物碳泵”作用更强,水库的分层效应也更显著。
The karst carbon cycle exhibits rapid dynamic responses and is sensitive to environmental changes. The water cycle can influence the two driving factors of the karst carbon cycle (water and CO2), making it an important influencing factor. This study analyzes samples collected in June and October 2016 from the main stream, major tributaries, reservoirs, and lakes of the Yangtze River. The study examines δD, δ18O, inorganic carbon content, and isotope fractionation characteristics and controlling factors, revealing the impact of the water cycle on the karst carbon cycle in the Yangtze River Basin. The results show that the spatial variation in δD and δ18O compositions in the Yangtze River Basin’s water bodies reflects continental, latitudinal, and altitudinal effects, and varies with the seasonal changes in rainfall. Inorganic carbon mainly originates from the weathering of carbonate rocks, and δ13CDIC values are primarily controlled by the relative contributions of carbonic acid weathering and sulfuric/nitric acid weathering of carbonate rocks to $\mathrm{HCO}_{3}^{-}$. Hydrological processes in the Yangtze River Basin significantly impact the karst carbon cycle. In the upstream permafrost region, soil freezing results in mantle-derived and atmospheric CO2 participating in the weathering of carbonate rocks, significantly increasing δ13CDIC values. During the summer and autumn monsoon rains, the rapid decline in precipitation δD and δ18O, coupled with soil CO2 accumulation and the decrease in carbon isotope values, leads to a decrease in δD, δ18O, and δ13CDIC values in the water. Hydrological processes also affect the “biological carbon pump” effect, which is stronger during normal flow periods, and the stratification effect in reservoirs becomes more pronounced.
δD和δ18O / δ13CDIC / 碳水循环 / 水库 / 长江流域
δD and δ18O / δ13CDIC / carbon-water cycle / reservoir / Yangtze River
X143;P595;P597.2
[1] |
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[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
刘丛强, 蒋颖魁, 陶发祥, 等. 西南喀斯特流域碳酸盐岩的硫酸侵蚀与碳循环[J]. 地球化学, 2008, 37(4): 404-414.
|
[7] |
张连凯, 覃小群, 刘朋雨, 等. 硫酸参与的长江流域岩石化学风化与大气CO2消耗[J]. 地质学报, 2016, 90(8): 1933-1944.
|
[8] |
|
[9] |
WMO. WMO provisional statement on the state of the global climate in 2019[M]. Geneva: World Meteorological Organization, 2019: 35.
|
[10] |
于贵瑞, 郝天象, 朱剑兴. 中国碳达峰、碳中和行动方略之探讨[J]. 中国科学院院刊, 2022, 37(4): 423-434.
|
[11] |
袁道先. 碳循环与全球岩溶[J]. 第四纪研究, 1993, 13(1): 1-6.
|
[12] |
刘再华. 碳酸盐岩岩溶作用对大气CO2沉降的贡献[J]. 中国岩溶, 2000, 19(4): 293-300.
|
[13] |
何师意, 康志强, 李清艳, 等. 高分辨率实时监测技术在岩溶碳汇估算中的应用: 以板寨地下河监测站为例[J]. 气候变化研究进展, 2011, 7(3): 157-161.
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
李朝君, 王世杰, 白晓永, 等. 全球主要河流流域碳酸盐岩风化碳汇评估[J]. 地理学报, 2019, 74(7): 1319-1332.
|
[20] |
|
[21] |
|
[22] |
刘彦, 张金流, 何媛媛, 等. 单生卵囊藻对DIC的利用及其对CaCO3沉积影响的研究[J]. 地球化学, 2010, 39(2): 191-196.
|
[23] |
|
[24] |
王培, 曹建华, 李亮, 等. 不同来源小球藻对岩溶水Ca2+、$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$利用的初步研究[J]. 水生生物学报, 2013, 37(4): 626-631.
|
[25] |
章程, 肖琼, 孙平安, 等. 岩溶碳循环及碳汇效应研究与展望[J]. 地质科技通报, 2022, 41(5): 190-198.
|
[26] |
章程, 汪进良, 肖琼, 等. 斯洛文尼亚典型岩溶区土壤剖面CO2冬季动态变化特征[J]. 生态学报, 2022, 42(8): 3288-3299.
|
[27] |
|
[28] |
章程. 不同土地利用土下溶蚀速率季节差异及其影响因素: 以重庆金佛山为例[J]. 地质论评, 2010, 56(1): 136-140.
|
[29] |
|
[30] |
原雅琼, 孙平安, 苏钊, 等. 岩溶流域洪水过程水化学动态变化及影响因素[J]. 环境科学, 2019, 40(11): 4889-4899.
|
[31] |
|
[32] |
孙婷婷. 长江流域水稳定同位素变化特征研究[D]. 南京: 河海大学, 2007.
|
[33] |
陈新明, 甘义群, 刘运德, 等. 长江干流水体氢氧同位素空间分布特征[J]. 地质科技情报, 2011, 30(5): 110-114.
|
[34] |
丁悌平, 高建飞, 石国钰, 等. 长江水氢、氧同位素组成的时空变化及其环境意义[J]. 地质学报, 2013, 87(5): 661-676.
|
[35] |
杨守业, 王朔, 连尔刚, 等. 长江河水氢氧同位素组成示踪流域地表水循环[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2021, 49(10): 1353-1362.
|
[36] |
王亚平, 王岚, 许春雪, 等. 长江水系水文地球化学特征及主要离子的化学成因[J]. 地质通报, 2010, 29(2/3): 446-456.
|
[37] |
张亚男, 甘义群, 李小倩, 等. 2013年长江丰水期河水化学特征及控制因素[J]. 长江流域资源与环境, 2016, 25(4): 645-654.
|
[38] |
王琪, 于奭, 蒋萍萍, 等. 长江流域主要干/支流水化学特征及外源酸的影响[J]. 环境科学, 2021, 42(10): 4687-4697.
|
[39] |
黄奇波, 覃小群, 刘朋雨, 等. 硫酸对乌江中上游段岩溶水化学及δ13CDIC 的影响[J]. 环境科学, 2015, 36(9): 3220-3229.
|
[40] |
水利部水文局. 全国水情年报2016[R]. 北京: 水利部水文局, 2016: 70.
|
[41] |
|
[42] |
|
[43] |
陈中笑, 程军, 郭品文, 等. 中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素[J]. 大气科学学报, 2010, 33(6): 667-679.
|
[44] |
|
[45] |
蒲俊兵. 重庆岩溶地下水氢氧稳定同位素地球化学特征[J]. 地球学报, 2013, 34(6): 713-722.
|
[46] |
尹观, 倪师军. 地下水氘过量参数的演化[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2001, 20(4): 409-411.
|
[47] |
|
[48] |
|
[49] |
张应华, 仵彦卿, 温小虎, 等. 环境同位素在水循环研究中的应用[J]. 水科学进展, 2006, 17(5): 738-747.
|
[50] |
尹观, 倪师军, 张其春. 氘过量参数及其水文地质学意义: 以四川九寨沟和冶勒水文地质研究为例[J]. 成都理工学院学报, 2001, 28(3): 251-254.
|
[51] |
许琦, 李建鸿, 孙平安, 等. 西江水氢氧同位素组成的空间变化及环境意义[J]. 环境科学, 2017, 38(6): 2308-2316.
|
[52] |
李廷勇, 李红春, 沈川洲, 等. 2006—2008年重庆大气降水δD和δ18 O特征初步分析[J]. 水科学进展, 2010, 21(6): 757-764.
|
[53] |
王婷, 高德强, 徐庆, 等. 三峡库区秭归段大气降水δD和δ18O特征及水汽来源[J]. 林业科学研究, 2020, 33(6): 88-95.
|
[54] |
朱璇, 肖薇, 王晶苑, 等. 南京降水氢氧同位素监测特征[J]. 应用气象学报, 2022, 33(3): 353-363.
|
[55] |
|
[56] |
|
[57] |
曹建华, 周莉, 杨慧, 等. 桂林毛村岩溶区与碎屑岩区林下土壤碳迁移对比及岩溶碳汇效应研究[J]. 第四纪研究, 2011, 31(3): 431-437.
|
[58] |
彭建堂, 胡瑞忠. 湘中锡矿山超大型锑矿床的碳、氧同位素体系[J]. 地质论评, 2001, 47(1): 34-41.
|
[59] |
|
[60] |
杨德寿, 龚建明, 贺行良, 等. 青藏高原乌丽冻土区二氧化碳成因探讨[J]. 现代地质, 2013, 27(6): 1392-1398.
|
[61] |
刘立新, 周凌唏, 夏玲君, 等. 气体稳定同位素比质谱法分析本底大气CO2的δ13C和δ18O[J]. 环境科学学报, 2012, 32(6): 1299-1305.
|
[62] |
蒋忠诚, 袁道先, 曹建华, 等. 中国岩溶碳汇潜力研究[J]. 地球学报, 2012, 33(2): 129-134.
|
[63] |
|
[64] |
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[65] |
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