长江流域水体稳定同位素分馏特征及碳水循环

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CO_(2)),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、δ^(18)O、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δ^(18)O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,δ^(13)C DIC值主要受碳酸风化碳酸盐岩和硫酸/硝酸风化碳酸盐岩对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CO_(2)参与碳酸盐岩风化使δ^(13)C DIC值显著增加;夏秋季季风期降雨爆发,降水导致δD和δ^(18)O急剧下降,同时利于土壤CO_(2)累积和碳同位素值下降,并使得水体δD、δ^(18)O和δ^(13)C DIC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。

河-库连续体中溶解性无机碳及其同位素的时空分异特征——以澜沧江云南段为例

河流及水库等水生态系统中的溶解性无机碳(DIC)是全球碳循环与大气、陆地和海洋之间碳相互作用的重要组成部分.以澜沧江云南段上游天然河段及下游梯级水库群形成的连续体为研究对象,分析了河库连续体表层水体中水化学特征、溶解性无机碳浓度及其碳同位素时空分布特征.研究结果表明:河库连续体水体中溶解无机碳(DIC)及其同位素(δ13 C DIC)组成特征总体表现为:DIC浓度丰水期较低,枯水期较高,平均值分别为2.59±0.44和3.30±0.37 mmol/L;δ13 C DIC值丰水期偏负、枯水期偏正,平均值分别为-8.52‰±0.38‰和-6.95‰±0.53‰,与自然河流的季节变化特征相似.水体DIC来源主要包括土壤及水体有机质分解生成的CO 2、碳酸盐风化和水气界面CO 2的交换过程.澜沧江河库连续体中DIC浓度及δ13 C DIC组成的时空异质性特征与流域岩性、土壤生物地球化学过程以及微生物活动强度等均有较大关系.当前,澜沧江梯级水库群建库时间短,梯级联合运行下调度复杂,水文条件多变,梯级水库对河流重要生源要素——碳累积影响方面的“水库效应”还不明显.

小球藻对岩溶水体Ca^(2+)、HCO_3^-利用效率实验研究

以来自广西上林县大龙洞岩溶水库中的小球藻为研究对象,探讨了封闭体系中小球藻在4.6mmol·L^(-1)、2.5mmol·L^(-1)和0.5mmol·L^(-1)三种不同HCO^(-3)浓度的水体环境中,对Ca^(2+)和HCO^(-3)的利用效率。结果表明:(1)小球藻在4.6mmol·L^(-1)、2.5mmol·L^(-1)和0.5mmol·L^(-1)三种不同HCO^(-3)浓度的水体中培养7天后生物量从0.04Abs分别增长到0.56Abs、0.50Abs和0.44Abs,在HCO^(-3)和Ca^(2+)浓度较高的环境中,A组28.26%的Ca^(2+)和B组24.14%的Ca2+被小球藻吸收利用,A组54.95%的HCO^(-3)和B组48.00%的HCO^(-3)被小球藻吸收利用,生成有机碳固定下来,C组HCO^(-3)浓度过低(0.5 mmol·L^(-1)),小球藻难以对其进行利用,表明岩溶水库中高浓度的HCO^(-3)对小球藻生长起着"施肥作用",这对岩溶碳汇的稳定性起着重要作用。(2)小球藻光合作用利用HCO^(-3)从而引起Ca^(2+)沉积的量大于小球藻光合作用吸收Ca^(2+)的量;(3)小球藻光合作用使培养基中的δ^(13) CDIC偏正,而呼吸作用使培养基中的δ^(13) CDIC偏负。

光照水库溶解无机碳变化及其来源解析

河流拦截筑坝形成蓄水河流,逐渐向“湖泊型”生态系统演化,加强了生物地球化学循环并进一步影响水体碳循环.为了更准确地进行全球碳循环的预算并预测碳循环变化,必须确定对河流系统产生影响的碳来源.因此,通过测定库区水体c(DIC)(DIC为溶解性无机碳)及其δ13 C(稳定碳同位素),分析了DIC的主要来源及其影响因素.结果表明:①水体c(DIC)为1.80~5.02 mmol/L,而δ13 C DIC(溶解性无机碳的稳定碳同位素)为-7.45‰^-1.26‰.c(DIC)与EC(电导率)、TA(总碱度)均呈正相关,与水温呈负相关.表水层δ13 C DIC与c(DIC)、TA均呈正相关,与EC在入库河流处呈负相关;而滞水层δ13 C DIC与EC、p CO 2(二氧化碳分压)、TA、c(DIC)均呈正相关.②水平方向上,表水层各指标变化明显,TA、EC、SIc(方解石饱和指数)和c(DIC)整体上呈降低趋势,δ13 C DIC从上游至下游逐渐偏正,受碳酸盐矿物溶解影响显著;垂直方向上,热分层和化学分层现象对水的碳循环产生了显著影响.有机质分解在深水层释放大量CO 2致使c(DIC)、p CO 2逐渐升高及δ13 C DIC逐渐降低,c(DIC)及其δ13 C在整个水柱上存在显著的空间异质性.研究显示,光照水库DIC的来源主要有两种,即生物源的土壤CO 2和有机物呼吸产生的溶解CO 2形式的DIC源、碳酸盐矿物风化所产生的碳酸氢盐形式的DIC源.

碳酸盐岩的化学风化与失踪碳汇的关系:以贵州红枫水库流域为例

为探讨碳酸盐岩的化学风化与失踪碳汇之间的关系,以中国西南贵州省红枫水库流域的麦翁河、羊昌河、麻线河和后六河流域为研究对象,通过主离子化学和溶解无机碳(DIC)及其碳同位素组成(δ13CDIC)计算出碳酸风化硅酸盐岩、硫酸风化碳酸盐岩和碳酸风化碳酸盐岩对DIC的贡献分别为10%、30%和60%。麦翁河流域硫酸风化碳酸盐岩释放CO2,其C释放速率为11.2 g·m^-2·a^-1。综合评估了岩性、水文、植被、农业、采煤、大气CO2浓度对风化作用的影响及工业革命前后这些因素的变化,认为该流域碳酸盐岩的化学风化不能作为失踪碳汇。模拟计算的河流自然汇合后的风化通量和速率与各条河流单独采样计算的结果差别很大,说明传统的采样点布设方式和使用的空间尺度的合适性需要重新评估。

北京密云水库流域水体夏季DOC和DIC质量浓度及同位素组成初探

为丰富水库水体碳循环研究,有效地从源头控制饮用水源水营养盐输入.以北京境内密云水库及其主要入库河流(密云水库流域水体,包括白河干支流、潮河干支流和密云水库)为研究对象,京密引水渠水体为参比,对比分析了夏季不同水体溶解性有机碳和溶解性无机碳的质量浓度水平及碳同位素组成.结果表明,密云水库流域水体夏季溶解性有机碳(DOC)质量浓度的总体变化范围是1.07~5.19 mg·L^-1,平均值是2.61 mg·L^-1;δ13CDOC值变化范围为-27.4‰^-24.3‰,平均值为-25.8‰.入库河流夏季DOC主要来自土壤有机质,密云水库夏季DOC主要来自陆源C3植物,内源物质对流域水体DOC同样有一定贡献,水位升高导致库滨带淹水可能是密云水库DOC偏高的重要原因.研究区域水体夏季δ13CDIC值变化范围为^-12.6‰^-5.75‰,平均值为-9.44‰,土壤CO2溶解碳酸盐岩过程是河流溶解性无机碳(DIC)的主要贡献者,且DIC明显被水生生物的光合作用所利用.密云水库溶解性碳(DOC和DIC)浓度显著高于京密引水渠水体(P<0.01),两种水体碳素浓度、组分可能存在差异.总体上,除个别点位外,密云水库流域水体夏季DOC受人类生活源影响较小,DIC转化为DOC可能同样是夏季库区水体DOC的潜在来源.

夏季热分层效应对典型岩溶水库水化学及溶解无机碳的影响

热分层导致水库内部水化学、水生生物分布等出现显著的分层特征,并影响了水库内部的生物地球化学循环过程.为掌握夏季热分层期岩溶水库水体理化性质和溶解无机碳变化过程及其影响因素,以岩溶地下水补给型水库广西上林县大龙洞水库为研究对象,于2015年6月沿水库流程方向在8个点位开展分层采样及监测.结果发现:(1)水库夏季存在明显的热分层现象,水体pH、电导率(Spc)等理化性质出现分层结构;(2)水体溶解氧(DO)与叶绿素a(Chl-a)浓度从表层至底层并没有呈现单一的递减趋势,而是在水面以下2.5 m或者5 m处达到最大值;(3)由表层至底层水体溶解无机碳(DIC)浓度整体上呈增加趋势,表层水体DIC平均浓度为2.03 mmol·L^(-1),底层平均浓度为4.18 mmol·L^(-1);其同位素(δ^(13)C_(DIC))在表水层偏正,在温跃层随水深增加逐渐偏负.分析认为:(1)由于夏季热分层效应,水库水体温度、水生生物的分布及新陈代谢的强度和方向在不同水层存在显著差异,致使水库水体理化性质、DIC均呈现垂向分层性特征;(2)DIC浓度变化在表水层主要受碳酸盐岩沉淀过程及浮游植物光合作用影响,进而影响水中DIC稳定同位素的分馏;在温跃层则主要由生物呼吸作用及有机质分解过程控制.

宜昌王家湾奥陶系-志留系界线地层高分辨率碳、氧稳定同位素记录及其成因

晚奥陶世赫南特冰期是地球历史上最重要的冰川事件之一,宜昌王家湾剖面作为奥陶系赫南特阶GSSP完整地记录了奥陶纪末期生物绝灭和环境变化事件.对王家湾小河边剖面(GSSP以南180m小河边)奥陶系-志留系界线地层及其碳氧稳定同位素组成进行了高分辨率研究.其中观音桥层主体为一套厚度小于30cm的泥质灰岩,保存有丰富的赫南特贝动物群化石记录,下伏上奥陶统五峰组笔石页岩,上覆下志留统(兰多维列统)龙马溪组笔石页岩.高分辨率测试分析了其中厚约25cm的观音桥层碳、氧稳定同位素组成,发现δ13Ccarb呈现出一次明显的负偏移趋势,在其上部达到最低值-12.8‰,是目前全球该层段无机碳同位素报道的最低值.认为这一明显的δ13Ccarb负偏事件指示了观音桥层沉积环境的突然变化,反映在冰盛期海平面下降时扬子海溶解无机碳库(DIC库)中加入了大量额外轻碳(12C)组份,其来源可能与海底甲烷有氧及厌氧氧化(AOM)或有机质有氧及厌氧氧化过程有关.

广西五里峡水库夏季溶解无机碳行为的初步研究

为更加清晰地认识无机碳在岩溶水库水体中的循环转化过程,2013年7月初对位于岩溶区的广西五里峡水库沿流程方向不同地点不同深度水体进行现场监测.结果表明:1研究区水体水化学主要受碳酸盐平衡体系控制,水化学类型为HCO3-Ca+Mg型.2水体溶解无机碳(dissolved inorganic carbon,DIC)含量及其同位素组成δ13CDIC分布特征:沿流程方向从库尾到坝前同一深度不同取样点DIC含量呈减小趋势(DIC(平均):1.03～0.78 mmol·L-1),δ13CDIC则逐渐变重(δ13CDIC(平均):-10.21‰～-6.62‰).沿垂直方向从表层向库底DIC含量呈增加趋势(DIC(平均):0.86～1.05 mmol·L-1),δ13CDIC则逐渐变轻(δ13CDIC(平均):-7.88‰～-13.39‰).分析认为:1碳酸盐岩溶解沉淀过程对研究区水体DIC含量及δ13CDIC的影响有限或被其它过程平抑.2研究区水体存在热分层现象,其通过影响水库不同部位、不同深度水生生物新陈代谢的方向及强度、有机质分解强度等对水体DIC及δ13CDIC产生影响,使之出现前述变化趋势.

梯级水库群水体碳、硫元素循环及耦合效应——以嘉陵江为例

河流筑坝拦截对水体碳、氮、硫等元素的生物地球化学循环产生了重要影响。为了研究在梯级水库影响下C、S元素循环的响应过程,本研究以嘉陵江干流4座代表性的梯级水库为对象,于2016年冬季(1月)和夏季(7月)采集各个水库的河流入库水、库区分层水和下泄水,分析DIC浓度、SO_4^(2-)浓度和δ13CDIC及δ34S-SO_4^(2-)。结果表明:(1)研究区水体的水化学组成主要受碳酸对碳酸盐风化控制,同时,来源于流域黄铁矿和大气SO2氧化产生的H2SO4也广泛参与到区域碳酸盐岩风化;(2)DIC主要来源于土壤CO2和碳酸盐岩风化,SO_4^(2-)主要受大气降水和黄铁矿氧化过程影响;(3)水库水体DIC浓度、SO_4^(2-)浓度、δ34S值及δ13CDIC值两两之间存在相关性(P<0.05),表明水库水体C、S元素的时空演变受到相似过程(物理、化学、生物)的影响。经过筑坝拦截,河流水环境及营养元素循环发生很大改变,运用C、S双同位素可以有效示踪水库的湖沼化演化过程。

万峰湖水库溶解性无机碳来源及时空变异特征

溶解性无机碳(DIC)的通量和形式在水生态系统的生物地球化学循环中起关键作用,是碳收支的重要组成部分。通过分析万峰湖水库库区水体理化参数、DIC和稳定碳同位素(δ13C(DIC))特征,揭示了DIC的行为和来源。结果表明:1)在表水层,整个库区pH变化较保守,均呈弱碱性。硝酸盐氮(NO3^--N)有最大变异系数,具有高度的时空变异性。由于稀释效应的存在,电导率(EC)、二氧化碳分压(pCO2)和DIC的最低值均出现在夏季高径流量阶段。在水柱面上,夏季氧化还原电位(Eh)和NO3^--N随水深增加无显著变化,其余指标均变化明显,且在温跃层变异程度最大。两季节的水温(T)、pH和Eh均随水深增加而降低,pCO2则与之相反。EC、总碱度(TA)和DIC在夏季随水深增加而降低,冬季变化梯度较小。两季节的DIC与pH、Eh呈负相关,与EC、pCO2呈正相关。2)夏季DIC为2.66~4.9 mmol·L^-1,而冬季为3.38~4.52 mmol·L^-1。水体热分层期间,DIC和δ13CDIC在温跃层的变化梯度最大,DIC与δ13CDIC在夏季表水层呈正相关。两个季节水柱面上及冬季表水层的DIC和δ13CDIC均呈负相关,但冬季DIC和δ13CDIC值随水深变化趋势不明显。3)夏季δ13CDIC较高,为-7.71‰^-1.38‰,表明碳酸盐矿物的溶解占优势。冬季δ13CDIC为-16.93‰^-9.44‰,显著低于夏季且范围更宽,生物源CO2的输入和有机质矿化是主要来源。δ13CDIC在不同季节和水深均差异显著,一方面是碳的来源不同;另一方面归因于碳来源的相对贡献比例的变化。